尹作重，李江華，李晨希，杜 峻

（1. 北京機(jī)械工業(yè)自動(dòng)化研究所，北京 100120；2. 中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100038；3. 水利部 南京水利水文自動(dòng)化研究所，南京 210012）

一種CAD和CAE數(shù)據(jù)集成方式研究

尹作重1，李江華2，李晨希3，杜 峻1

（1. 北京機(jī)械工業(yè)自動(dòng)化研究所，北京 100120；2. 中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100038；3. 水利部 南京水利水文自動(dòng)化研究所，南京 210012）

通過對(duì)CAD/CAE集成問題展開研究, 本文介紹了一種CAD/CAE數(shù)據(jù)集成框架。詳細(xì)介紹了數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和幾何信息模型，并進(jìn)一步提出了數(shù)據(jù)集成的主要流程，對(duì)CAD和CAE的數(shù)據(jù)集成的開發(fā)提供了參考。

CAD；CAE；數(shù)據(jù)集成

0 引言

CAD（Computer Aided Design）計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)人員利用計(jì)算機(jī)及其圖形設(shè)備為工具，對(duì)產(chǎn)品和工程進(jìn)行設(shè)計(jì)、制圖、計(jì)算和編寫技術(shù)文檔等設(shè)計(jì)工作的總稱[1]，CAE（Computer Aided Engineering）計(jì)算機(jī)輔助工程是利用計(jì)算機(jī)作為輔助求解工具，對(duì)復(fù)雜工程和產(chǎn)品在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度、動(dòng)力響應(yīng)等方面進(jìn)行性能和安全可靠性仿真分析的活動(dòng)[2]。經(jīng)過不斷的發(fā)展和完善，CAD和CAE技術(shù)已日趨成熟，但CAD和CAE系統(tǒng)還是處于相對(duì)的獨(dú)立狀態(tài)[3]。 CAD和CAE系統(tǒng)的集成對(duì)于提高制造廠商的新產(chǎn)品設(shè)計(jì)能力和水平、縮短新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和制造周期等方面提供強(qiáng)有力的支撐作用。

1 主要的CAD和CAE集成方式

經(jīng)過多年來 CAD和CAE集成技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用，形成了若干種CAD和CAE集成方法，并在各領(lǐng)域得到了不同程度的應(yīng)用，但仍距預(yù)期CAD和CAE的無縫融合目標(biāo)存在較大差距[4]。

1）利用CAD與CAE等商業(yè)軟件提供的二次開發(fā)工具，完成CAD和CAE的集成工作，比如AutoCAD提供Development System（ADS），I-DEAS 提供Open Architectures（OA），ANSYS提供APDL模塊等，通過一系列的二次開發(fā)工具，開發(fā)人員可以完成CAD的幾何信息模型到CAE的有限元模型的轉(zhuǎn)換。

2）利用CAD與CAE等大型商業(yè)軟件的提供的開放接口，完成CAD和CAE的集成工作，比如Dassault公司與MSC公司結(jié)成聯(lián)盟、Autodesk公司與Ansys公司形成聯(lián)盟，雙方通過開放直接數(shù)據(jù)接口，實(shí)現(xiàn)了CAD和CAE數(shù)據(jù)的無縫集成。

3）通過標(biāo)準(zhǔn)格式轉(zhuǎn)換完成CAD和CAE的集成，可以通過中性文件作為交換機(jī)制，來完成CAD和CAE軟件的集成，中間標(biāo)準(zhǔn)描述文件是重要的研究方向，產(chǎn)生了IGES、STL、STEP等一系列中性格式。

2 通用CAD/CAE數(shù)據(jù)集成方式

集成開發(fā)人員利用一種與系統(tǒng)無關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)格式文件來實(shí)現(xiàn)CAD和CAE系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換，這是一種弱耦合的集成方式，集成開發(fā)人員只需關(guān)注CAD和CAE系統(tǒng)接口程序的開發(fā)和設(shè)計(jì)，具有較大的自主性和獨(dú)立性，同時(shí)國際上出現(xiàn)了IGES、SET、PDES和STEP等多種中性文件標(biāo)準(zhǔn)，各大CAD和CAE的商業(yè)軟件商紛紛支持中性文件，因此通過標(biāo)準(zhǔn)格式文件來完成 CAD/CAE集成具有較強(qiáng)的實(shí)用性。

1）通用CAD/CAE數(shù)據(jù)集成框架

如圖1所示，通用CAD/CAE數(shù)據(jù)集成框架主要包括CAD模塊生成CAD格式的數(shù)據(jù)文件，數(shù)據(jù)文件經(jīng)過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊，再根據(jù)實(shí)際需求加上網(wǎng)格劃分操作和參數(shù)設(shè)置操作，生成CAE格式數(shù)據(jù)文件，最后由CAE模塊讀取分析。

2）數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化模塊結(jié)構(gòu)

圖1 通用CAD/CAE數(shù)據(jù)集成框架

圖2 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化模塊結(jié)構(gòu)

如圖2所示，信息處理模塊的主要結(jié)構(gòu)包括信息提取模塊、幾何信息過濾模塊、信息轉(zhuǎn)換重構(gòu)模塊和文件數(shù)據(jù)生成模塊。信息提取模塊對(duì)CAD格式的數(shù)據(jù)文件進(jìn)行幾何信息提取，幾何信息的過濾主要是對(duì)信息提取模塊提取出來的幾何信息進(jìn)行冗余檢查并對(duì)冗余信息進(jìn)行處理，信息轉(zhuǎn)換重構(gòu)是對(duì)幾何信息進(jìn)行轉(zhuǎn)換和重構(gòu)，文件數(shù)據(jù)生成模塊將幾何信息加上必要的網(wǎng)格信息和參數(shù)信息生成CAE系統(tǒng)所需的數(shù)據(jù)文件。

3）幾何信息數(shù)據(jù)模型

信息提取模塊是對(duì)來自CAD系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)文件進(jìn)行所需信息的提取，其中信息提取模塊的重點(diǎn)是CAD數(shù)據(jù)文件幾何信息模型的分析和建模工作，在IGES、STL、STEP等標(biāo)準(zhǔn)文件中，幾何信息模型的特征各不相同，廠商可以定義專屬格式的幾何信息模型。STEP標(biāo)準(zhǔn)的AP203格式的幾何信息數(shù)據(jù)模型如圖3所示，零件幾何信息的表達(dá)是一個(gè)自上而下、層層細(xì)化的過程[5]。形狀表示法關(guān)系實(shí)體是整個(gè)樹結(jié)構(gòu)的根結(jié)點(diǎn)，表示最后形成的具體幾何實(shí)體，體層的下面是基于面的封閉殼體，封閉殼實(shí)體是數(shù)據(jù)模型的核心部分，由互相關(guān)聯(lián)的面組成，可以界定實(shí)體的外部或內(nèi)部區(qū)域，面層包括許多個(gè)面邊界、初等曲面和方向，每個(gè)面邊界都是有自由曲面和邊界環(huán)構(gòu)成的。

4）通用CAD/CAE數(shù)據(jù)集成的主要流程：

（1）讀取CAD數(shù)據(jù)文件；

（2）頭部分信息的提?。?/p>

（3）生成頭部分實(shí)體實(shí)例；

（4）將頭實(shí)體實(shí)例加入到鏈表中；

（5）判斷頭信息段是否結(jié)束，沒有結(jié)束則執(zhí)行（2）；

（6）數(shù)據(jù)部分信息提?。?/p>

（7）生成數(shù)據(jù)部分實(shí)體實(shí)例節(jié)點(diǎn)；

（8）將實(shí)體實(shí)例加入到對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中；

圖3 幾何信息數(shù)據(jù)模型

（9）判斷數(shù)據(jù)部分是否結(jié)束，沒有結(jié)束則執(zhí)行（6）；

（10）檢查幾何信息冗余；

（11）幾何信息重構(gòu)；

（12）加入?yún)?shù)信息和網(wǎng)格信息；

（13）生成CAE數(shù)據(jù)文件；

（14）轉(zhuǎn)換結(jié)束。

3 結(jié)論

在產(chǎn)品設(shè)計(jì)研發(fā)過程中，CAD系統(tǒng)幾何造型功能出色，CAE系統(tǒng)分析計(jì)算功能優(yōu)秀， CAD和CAE的集成方式使得將這兩大系統(tǒng)有機(jī)地結(jié)合起來，從而最大化的發(fā)揮CAD和CAE的功能，本文介紹了一種通用CAD/CAE數(shù)據(jù)集成框架，詳細(xì)介紹了數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和幾何信息模型，并進(jìn)一步提出了數(shù)據(jù)集成的主要流程，對(duì)CAD和CAE的數(shù)據(jù)集成的開發(fā)提供了參考作用。

[1] 譚建榮,陸國棟,等.CAD方法與技術(shù)[M].北京：科學(xué)出版社.2005.

[2] 王豐元,周群輝,馬浩,王愛兵.CAD/CAE集成系統(tǒng)的研究.設(shè)計(jì)與研究[J].2008(7)：47-49.

[3] 嚴(yán)潮紅.基于仿真的CAD/CAE幾何數(shù)據(jù)傳遞研究[D].南京航空航天大學(xué).2005：38.

[4] 王軍,李亮,孫軍,等.基于STEP-NC數(shù)控程序生成方法研究[J].沈陽建筑大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版,2006,22(4)：681-685.

[5] 《ISO-10303-203 Industrial Automation and Integration--Product Data Representation and Exchange--Part203,Application protocol： Configuration controlled 3D designs of mechanical parts and assemblies》.

A CAD and CAE data integration approach

YIN Zuo-zhong1， LI Jiang-hua2，LI Chen-xi3，DU Jun1

TH164

A

1009-0134(2013)06(上)-0008-02

10.3969/j.issn.1009-0134.2013.06(上).03

2013-04-05

863計(jì)劃項(xiàng)目（2013AA040501）

尹作重（1976 -），男，山東聊城人，碩士，研究方向?yàn)槠髽I(yè)信息化。