面向航天產(chǎn)品研發(fā)的CAD/CAE集成技術(shù)淺析

2013-08-06 by:廣州有限元培訓(xùn)實(shí)踐中心來(lái)源:仿真在線(xiàn)

1 前言

2007年六月份《工業(yè)設(shè)計(jì)》雜志對(duì)國(guó)內(nèi)CAE軟件工具的使用情況開(kāi)展的調(diào)查問(wèn)卷顯示,CAE繁瑣的建模工作是用戶(hù)反映最為突出的問(wèn)題。由于有限元建模工作占到了整個(gè)CAE分析工作的 50%~80%以上,因此有限元建模技術(shù)長(zhǎng)期以來(lái)是影響FEA技術(shù)深入推廣應(yīng)用的最大障礙,是當(dāng)前CAE領(lǐng)域的一大技術(shù)瓶頸。而突破該技術(shù)瓶頸的有效途徑就是真正實(shí)現(xiàn)CAD\CAE的集成,消除設(shè)計(jì)、分析建模工作的孤立現(xiàn)狀,實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)、分析數(shù)據(jù)信息的共享。

應(yīng)該說(shuō),經(jīng)過(guò)多年來(lái) CAD\CAE集成技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用,當(dāng)前,形成了若干集成途徑,并在各領(lǐng)域得到了不同程度的應(yīng)用。但仍距離預(yù)期CAD\CAE的“無(wú)縫”融合目標(biāo)存在較大差距。特別是在航空航天領(lǐng)域,由于模型特征的復(fù)雜性、力學(xué)簡(jiǎn)化方式的多樣性等原因,CAD\CAE集成的應(yīng)用一直不理想。

從航空航天CAE分析的特點(diǎn)角度,導(dǎo)致CAD\CAE集成技術(shù)困難的原因可以歸納為:

(1)結(jié)構(gòu)組成復(fù)雜

航天產(chǎn)品是一個(gè)復(fù)雜組合結(jié)構(gòu),含有大量的眾多形式的受力構(gòu)件(如蒙皮、桁條、腹板、接頭、復(fù)合材料層板等)。單單從CAD、CAE領(lǐng)域本身快速精確地構(gòu)建這些特征的模型就不是一件容易的工作。

(2)結(jié)構(gòu)不連續(xù)性強(qiáng)

航天結(jié)構(gòu)中又常常因?yàn)闃?gòu)造和工藝上的需要,或是為了維修方便和減重等原因,而不得不在鈑金件上實(shí)施開(kāi)口等處理,加受力或不受力口蓋,以及迫使桿件斷開(kāi)等,形成結(jié)構(gòu)不連續(xù)性。

(3)模型異構(gòu)性強(qiáng)

在航天產(chǎn)品結(jié)構(gòu)中,上述的板筋、梁板和桿系等組合結(jié)構(gòu),是非常典型的。區(qū)別與面向裝配和制造的CAD建模,復(fù)雜板筋、梁板、桿系組合結(jié)構(gòu)的FEA建模應(yīng)該有它固有的力學(xué)方法和途徑。這些都使得航天產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的有限元模型化過(guò)程變得繁瑣復(fù)雜。而且,不同的分析問(wèn)題對(duì)模型的要求差異較大,造成CAD、CAE共享數(shù)據(jù)非常困難。

(4)CAE知識(shí)程度要求高

不僅如此,工程分析人員為了能夠盡可能地獲取反映結(jié)構(gòu)真實(shí)受力行為的分析模型,還必須對(duì)結(jié)構(gòu)傳力路線(xiàn)、材料特性、構(gòu)件受載模式及結(jié)構(gòu)不連續(xù)性對(duì)剛度產(chǎn)生的影響等因素有清晰的了解, 并進(jìn)行妥善地處理。因此, 模型化工作又是一項(xiàng)知識(shí)密集型活動(dòng)。

2 CAD\CAE集成技術(shù)途徑分析

近兩年來(lái),隨數(shù)字化技術(shù)的深入發(fā)展,CAD、CAE市場(chǎng)的產(chǎn)業(yè)格局發(fā)生了重大變化,出現(xiàn)了不少CAD公司與 CAE公司的戰(zhàn)略聯(lián)盟和并購(gòu),如Dassault公司與MSC公司的聯(lián)盟、Autodesk公司與Ansys公司的聯(lián)盟等,雙方通過(guò)開(kāi)放直接數(shù)據(jù)接口,實(shí) 現(xiàn)了CAD\CAE數(shù)據(jù)的“無(wú)縫”集成,使得CAD\CAE集成方式獲得了轉(zhuǎn)變性突破。本文認(rèn)為今后CAD\CAE集成技術(shù)應(yīng)重點(diǎn)從下述方向展開(kāi):

2.1 搭建

CAD\CAE中間“浮橋”集成途徑早期,由于CAD、CAE分屬于不同的軟件公司,CAD\CAE的集成多以搭建CAD、CAE信息溝通中間“浮橋”的方式進(jìn)行。其中,根據(jù)集成的目的不同,由兩種技術(shù)實(shí)現(xiàn)手段。

2.1.1以共享

CAD幾何信息為重點(diǎn)為了充分利用CAD系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成的幾何模型,減少CAE前處理階段重新建立幾何模型的重復(fù)勞動(dòng),如何有效利用CAD系統(tǒng)產(chǎn)生的幾何模型是這種集成方式的研究重點(diǎn)。采用中間標(biāo)準(zhǔn)幾何描述文件是重要的研究方向,產(chǎn)生了IGES、STL、 step等中性格式。近年來(lái),基于step文件格式的集成方式得到了深入研究和工程應(yīng)用。STEP格式標(biāo)準(zhǔn)的目的是提供一種不依賴(lài)于具體系統(tǒng)的中性機(jī)制, 能夠描述產(chǎn)品整個(gè)生命周期中的產(chǎn)品數(shù)據(jù),是CIMS系統(tǒng)和并行工程的技術(shù)核心。國(guó)內(nèi)外開(kāi)展了大量基于STEP格式的CAD\CAE集成技術(shù)研究和應(yīng)用。

但由于軟件更新、軟件內(nèi)部數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)無(wú)法獲得等原因,采用中間文件的方式,“信息孤島”問(wèn)題在工程研制中仍沒(méi)有有效消除。

2.1.2以?xún)?yōu)化設(shè)計(jì)為集成重點(diǎn)

多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化(MDO)是側(cè)重于模型集成,因此,對(duì)于MDO應(yīng)用,CAD\CAE集成以提供參數(shù)化的模型為主。常采用的方式是有集成優(yōu)化系統(tǒng)控制主參數(shù),CAD和CAE系統(tǒng)提供參數(shù)化的模型,模型能夠受主參數(shù)的驅(qū)動(dòng)進(jìn)行變化。由于CAE很難像CAD那樣,給出基于特征的參數(shù)化模型,所以實(shí)際應(yīng)用中一般均給出CAE分析的過(guò)程文件(如ANSYS的APDL文件),通過(guò)建立主參數(shù)與過(guò)程文件中變量的映射實(shí)現(xiàn)模型的驅(qū)動(dòng)。
優(yōu)化設(shè)計(jì)的CAD\CAE集成方式

2.2 以CAD為中心的集成途徑

隨三維CAD技術(shù)的成熟和搶占PLM主導(dǎo)地位的市場(chǎng)需要,CAD軟件的功能開(kāi)始向CAE領(lǐng)域拓展延伸,當(dāng)前主流的CAD系統(tǒng)都或多或少的擁有了 CAE分析的能力。這為CAD\CAE的集成提供了一種技術(shù)方向,即將傳統(tǒng)CAE的前處理工作“移交”給CAD系統(tǒng),由其完成幾何建模、載荷、約束、材料、網(wǎng)格劃分等整個(gè)FEA的前處理,CAE系統(tǒng)只提供各種分析問(wèn)題的求解器。由于采用一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)存儲(chǔ)CAD和CAE前處理信息,能夠?qū)崿F(xiàn)CAD模型的變更自動(dòng)驅(qū)動(dòng)CAE模型的變化。當(dāng)前,主流的CAD系統(tǒng)都提供了不同程度的 CAE分析能力,從工程應(yīng)用情況看,主要定位給非強(qiáng)度分析人員如結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)人員作為設(shè)計(jì)的輔助手段來(lái)使用。

在 CAD系統(tǒng)自身提供的 CAE前處理功能基礎(chǔ)上,可以結(jié)合行業(yè)產(chǎn)品特點(diǎn),開(kāi)發(fā)定制化的 CAD\CAE集成環(huán)境。需要研究的主要內(nèi)容包括:

(1) 考慮 CAE分析的 CAD設(shè)計(jì)建模規(guī)范。傳統(tǒng)的 CAD設(shè)計(jì)建模規(guī)范是面向裝配和制造的, CAD模型并不包含 CAE網(wǎng)格劃分所需的所有幾何信息(如實(shí)體梁可能并沒(méi)有中面特征),因此,必須在 CAD建模規(guī)范中充分考慮 CAE所需的幾何信息。

(2)求解器計(jì)算輸入文件自動(dòng)生成。當(dāng)前有非常多的 CAE求解器可供用戶(hù)選擇,特別是進(jìn)行多學(xué)科分析時(shí),可能一套 CAD模型要面對(duì)多個(gè)不同的求解器。因此,如何支持更多的求解器以及多求解器輸入文件自動(dòng)生成技術(shù)是以 CAD為核心的集成方案要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。

2.3 以CAE為中心的集成途徑

通過(guò)與 CAD廠商的聯(lián)盟, CAE系統(tǒng)也在不斷突破傳統(tǒng)前處理的一系列弊端和不足,通過(guò)開(kāi)發(fā) CAD模型的雙向驅(qū)動(dòng)技術(shù),實(shí)現(xiàn)了將 CAE幾何建模轉(zhuǎn)移到 CAD系統(tǒng)的目標(biāo)。這種技術(shù)方案被稱(chēng)為新一代的 CAE前處理。如 Ansys公司的 workbench。AWE 集成的協(xié)同設(shè)計(jì)優(yōu)化環(huán)境提供了參數(shù)化建模( ANSYS DesignModeler)與參數(shù)化分析( ANSYSDesign Space),多目標(biāo)優(yōu)化分析( DesignXplorer)。其底層數(shù)據(jù)是與 CAD 相同,因此可以直接與 Catia、UnigraphicsNX、proengineer等 CAD 系統(tǒng)共享數(shù)據(jù)。

其核心思想是通過(guò)開(kāi)發(fā) CAD模型本地驅(qū)動(dòng)( native access)技術(shù),實(shí)現(xiàn) CAD模型的雙向驅(qū)動(dòng), CAE系統(tǒng)的前處理模塊負(fù)責(zé)對(duì) CAD特征模型的識(shí)別和降維簡(jiǎn)化處理,如剔除倒角、淺槽等細(xì)節(jié)特征;將傳統(tǒng) CAE分析中的材料、載荷、邊界約束、分析類(lèi)型等與有限元分析密切相關(guān)的屬性信息作為非幾何特征附加給識(shí)別出來(lái)后的 CAD模型。然后根據(jù)附加的單元類(lèi)型屬性信息,將三維實(shí)體轉(zhuǎn)換為面或殼、將三維桿狀實(shí)體轉(zhuǎn)換為一維梁等,為網(wǎng)格離散化提供“干凈”的幾何模型。接下來(lái)由 CAE系統(tǒng)的網(wǎng)格劃分器完成網(wǎng)格劃分工作,并自動(dòng)生成求解器的計(jì)算輸入文件,完成模型處理工作。

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