熊勝華， 唐衛(wèi)清， 何 濤

（1. 北京中科輔龍計算機技術(shù)股份有限公司，北京 100085；2. 中國科學(xué)院計算技術(shù)研究所，北京 100190）

港口碼頭是提供船舶進出和停泊、貨物的堆放、裝載及卸載、車輛作業(yè)、旅客進出等功效的運輸場地，在港口碼頭設(shè)計過程中，主要包含結(jié)構(gòu) CAD（計算機輔助設(shè)計，Computer Aided Design）設(shè)計、結(jié)構(gòu) CAE（計算機輔助工程，Computer Aided Engineering）分析等。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)今，結(jié)構(gòu)CAD設(shè)計主要采用通用CAD軟件（如AutoCAD等）或?qū)I(yè)碼頭設(shè)計軟件（如高樁板梁式碼頭CAD等）進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，結(jié)構(gòu) CAE分析主要采用專業(yè)平面計算程序或通用CAE軟件（如ANSYS等）進行結(jié)構(gòu)分析。兩項工作均獨立完成，在CAD設(shè)計模型與CAE分析模型之間沒有建立必然的聯(lián)系，且CAE分析結(jié)果須設(shè)計人員進行手動導(dǎo)出并比較，自動化程度低。這些因素的存在，嚴(yán)重影響了港口碼頭設(shè)計效率，且在進行結(jié)構(gòu) CAE分析時，CAE分析模型的質(zhì)量受設(shè)計人員的經(jīng)驗影響較大，因此，增加了設(shè)計人員設(shè)計的難度，易產(chǎn)生設(shè)計上的錯誤。如何解決上述問題，有效地提高港口碼頭設(shè)計效率與質(zhì)量，成為港口行業(yè)急需解決的重點問題之一。

CAD/CAE集成技術(shù)旨在提高 CAD建模與CAE分析的效率，提高行業(yè)的整體設(shè)計性能，滿足行業(yè)設(shè)計的需要。因此，通過CAD/CAE集成技術(shù)的研究，可以有效地解決港口碼頭在 CAD設(shè)計、CAE分析時兩者獨立工作、缺少關(guān)聯(lián)關(guān)系、自動化程度低、設(shè)計效率低、CAE分析難度大、易產(chǎn)生設(shè)計錯誤等問題。

CAD/CAE集成技術(shù)是當(dāng)今計算機輔助領(lǐng)域中主要研究熱點之一[1-3]。研究內(nèi)容分為以下 4類：

1） CAD軟件與CAE軟件的數(shù)據(jù)共享：利用CAD軟件及CAE軟件的二次開發(fā)技術(shù)，分別建立CAD模塊和CAE模塊，同時采用標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)交換文件、文本文件或數(shù)據(jù)庫等數(shù)據(jù)共享方式實現(xiàn) CAD/CAE的集成。如：Ledermann等[4]在飛行器概念設(shè)計階段使用 VBScript語言讀出CATIA的幾何模型數(shù)據(jù)，并調(diào)用ANSYS程序進行有限元分析與優(yōu)化；田靜云等[5]在 Pro/E平臺上建立齒輪的參數(shù)化模型，并調(diào)用ABAQUS程序進行模型分析等。該類集成方式具有集成簡單、建模方便等優(yōu)點，但存在一些不足：采用標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)交換文件時由于CAD軟件及CAE軟件對標(biāo)準(zhǔn)的支持程度不同，易出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失、冗余等問題；采用文本文件或數(shù)據(jù)庫等方式針對性較強，缺少靈活性，且受限于CAD軟件與CAE軟件的二次開發(fā)功能。

2） 在CAE軟件上實現(xiàn)CAD與CAE的集成：依賴于 CAE平臺（如 ANSYS、ABAQUS等）的參數(shù)化建模接口，建立特定模型，生成參數(shù)化建模腳本，并進行力學(xué)性能分析。如：馬國棟等人[6]以集裝箱輪胎龍門起重機門架結(jié)構(gòu)計算為例，利用VC開發(fā)語言自動生成ANSYS計算的APDL語言并調(diào)用ANSYS程序完成計算等。該類集成方式具有CAD與CAE模型一體化的優(yōu)點，但存在一些不足：現(xiàn)有CAE平臺的CAD建模能力沒有專業(yè)的CAD軟件強大，且CAE平臺的CAD模型大部分都是實際模型的簡化處理模型，與實際工程相差較大。

3） CAD軟件上實現(xiàn)CAD與CAE的集成：該類集成方式采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)模型，實現(xiàn) CAD與 CAE平臺的數(shù)據(jù)集成?？煞譃橐韵聝煞N：第一種是現(xiàn)有CAD軟件的CAD/CAE的統(tǒng)一平臺，如PTC公司的Pro/ENGINEER軟件、Siemens 公司的PLM NX軟件、達索公司的CATIA軟件等；第二種是是借助CAD軟件的二次開發(fā)，將CAD模型的幾何數(shù)據(jù)、邊界數(shù)據(jù)等內(nèi)容自動轉(zhuǎn)換成CAE模型數(shù)據(jù)，同時集成現(xiàn)有的CAE分析模塊進行分析與計算。如：孫立鐫等[7]在HUST-CAD造型平臺的基礎(chǔ)上，研究了一種快速求解基于不同細(xì)節(jié)層次和抽象層次的實體模型與抽象模型并行創(chuàng)建的方法。該類集成方式具有數(shù)據(jù)統(tǒng)一、使用方便等優(yōu)點，但不足之處在于：CAE功能過于簡單，如須完成復(fù)雜的有限元分析計算，則需要集成第三方的專業(yè)化CAE軟件平臺；CAD的開發(fā)缺少靈活性；系統(tǒng)適用范圍較窄，只能解決某個特定的應(yīng)用問題等。

4） 組件式的CAD與CAE集成：基于幾何造型組件（如 ACIS、Parasolid等）和圖形顯示組件（如Hoops等），自主開發(fā)CAD軟件平臺，管理CAD幾何模型模型，以獨立CAD/CAE數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、附加CAE屬性、CAD/CAE共享模板、CAD/CAE集成數(shù)據(jù)庫等方式統(tǒng)一管理CAD/CAE模型數(shù)據(jù)，同時借助第三方CAE分析工具的二次開發(fā)，可方便地實現(xiàn)強大的有限元分析與計算功能。該類集成方式具有開發(fā)靈活、能滿足多數(shù)行業(yè)的需求，且借助第三方 CAE平臺可實現(xiàn)強大的有限元分析與計算功能等優(yōu)點，但存在開發(fā)周期較長等不足之處。

為了研究港口碼頭三維結(jié)構(gòu)CAD/CAE集成技術(shù)，提高 CAD/CAE的集成化程度，減少受CAD二次開發(fā)技術(shù)的限制，本文采用組件式的CAD/CAE集成，通過幾何造型、圖形顯示引擎等組件開發(fā)CAD/CAE集成系統(tǒng)，CAE計算核心采用第三方CAE工具進行計算。

在港口碼頭三維結(jié)構(gòu) CAD/CAE集成技術(shù)中，關(guān)鍵需要解決結(jié)構(gòu)CAD幾何模型生成CAE單元模型、工程荷載CAD模型創(chuàng)建CAE荷載模型、CAE分析結(jié)果與CAD模型的關(guān)聯(lián)關(guān)系等問題。考慮到模板的模型獨立性、規(guī)則性、可執(zhí)行性等特性，本文通過研究基于模板的港口碼頭三維結(jié)構(gòu)CAD/CAE集成技術(shù)，定義截面草圖、三維實體、構(gòu)件等多種CAD建模模板，定義機械草圖、荷載等多種荷載建模模板，定義 CAE分析規(guī)則實現(xiàn)CAD幾何模型自動生成CAE單元模型的功能，定義荷載轉(zhuǎn)換規(guī)則實現(xiàn)工程荷載CAD模型自動創(chuàng)建 CAE荷載模型的功能，定義整體模型模板建立CAE分析結(jié)果與CAD模型的多對一關(guān)系，以此實現(xiàn)港口碼頭三維結(jié)構(gòu) CAD/CAE集成系統(tǒng)，大大提高港口碼頭的設(shè)計效率，降低設(shè)計人員的設(shè)計難度，減少設(shè)計錯誤。

1 基于模板的CAD/CAE集成技術(shù)

從模板特性入手，分析港口碼頭三維結(jié)構(gòu)CAD/CAE集成框架，以此定義港口碼頭三維結(jié)構(gòu)CAD/CAE集成相關(guān)的模板對象，定義模板規(guī)則，解決港口碼頭三維結(jié)構(gòu)CAD/CAE集成中結(jié)構(gòu)建模、工程荷載建模、結(jié)構(gòu)CAD幾何模型生成CAE單元模型、工程荷載CAD模型創(chuàng)建CAE荷載模型、CAE分析結(jié)果與CAD模型的關(guān)聯(lián)關(guān)系等問題。

1.1 模板特性

在港口碼頭三維結(jié)構(gòu)CAD/CAE集成中，主要存在自動建立CAE單元模型、自動建立CAE荷載模型、自動處理分析結(jié)果并建立與CAD模型之間的聯(lián)系等3方面問題。在利用模板解決上述問題時，應(yīng)考慮以下6個特性：

1） 模型獨立性：模板技術(shù)在解決港口碼頭三維結(jié)構(gòu)CAD/CAE集成中的自動建立CAE單元模型、自動建立 CAE荷載模型等問題時，涉及創(chuàng)建結(jié)構(gòu)CAD模型、CAE單元模型、荷載CAD模型、CAE荷載模型等多種模型，因此，模板定義應(yīng)是模型獨立的。

2） 規(guī)則性：模板定義應(yīng)支持規(guī)則的定義，通過規(guī)則可以定義自動建立 CAE單元模型、自動建立CAE荷載模型等執(zhí)行方式。

3） 可執(zhí)行性：在模板定義的對象生成時，模板所定義的規(guī)則應(yīng)是可解析并自動執(zhí)行的，并生成預(yù)計的結(jié)果。

4） 組合性：在定義港口碼頭三維結(jié)構(gòu)CAD/CAE集成模板時，考慮到碼頭結(jié)構(gòu)、碼頭荷載等內(nèi)容多層次問題，模板應(yīng)能支持組合特性，即通過多種基本模板定義復(fù)合模板。

5） 非交叉性：在模板的定義過程中不能出現(xiàn)與其它模板交叉引用的問題，以此避免模板執(zhí)行過程中的死循環(huán)問題。

6） 繼承性：在定義港口碼頭三維結(jié)構(gòu)CAD/CAE集成模板時，由于碼頭結(jié)構(gòu)、碼頭荷載等內(nèi)容中同時存在基本特性描述的對象與具體特性描述的對象，因此，在定義模板對象時應(yīng)考慮模板之間的繼承性，定義特例模板繼承自基本模板，同時描述具體特性。

1.2 模板定義分析

在港口碼頭CAD模型中，包含結(jié)構(gòu)CAD模型、荷載CAD模型、工況組合等內(nèi)容。

在結(jié)構(gòu)CAD模型中，定義構(gòu)件模板描述具體的構(gòu)件對象，定義特征模板描述構(gòu)件上的孔、洞特征對象，定義三維實體模板描述構(gòu)件的現(xiàn)澆或預(yù)制三維實體塊，定義截面草圖模板描述三維實體塊的掃掠截面信息，定義幾何圖元模板描述構(gòu)件截面的幾何元素信息，如圖1所示。

圖1 結(jié)構(gòu)CAD/CAE集成框架

在荷載CAD模型中，定義荷載模板描述工程荷載對象；由于工程荷載對象又可分為機械荷載與非機械荷載兩類，其中，機械荷載可由單輪輪胎、雙輪輪胎、支腿、車鉤等基本機械元素通過定位信息組裝而成，因此，定義機械草圖模板描述機械工程荷載信息，定義機械圖元模板描述單輪輪胎、雙輪輪胎、支腿、車鉤等基本機械元素。

工況組合是港口碼頭結(jié)構(gòu) CAE分析的基本荷載組合單元，定義工況組合模板描述 CAE分析時的荷載組合信息。

在港口碼頭CAE模型中，包含CAE單元模型、CAE荷載模型、構(gòu)件分析結(jié)果等內(nèi)容。

CAE單元模型由結(jié)構(gòu) CAD模型根據(jù) CAE分析規(guī)則自動轉(zhuǎn)換而成，轉(zhuǎn)換流程如圖2所示。

CAE荷載模型由荷載CAD模型根據(jù)荷載轉(zhuǎn)換規(guī)則自動轉(zhuǎn)換而成，轉(zhuǎn)換流程如圖3所示。

由于構(gòu)件分析結(jié)果須對應(yīng)具體構(gòu)件CAD模型，分析結(jié)果內(nèi)容可由網(wǎng)格數(shù)據(jù)、位移數(shù)據(jù)、應(yīng)力數(shù)據(jù)、彎矩數(shù)據(jù)、軸力數(shù)據(jù)、剪力數(shù)據(jù)等組成，因此，本文定義構(gòu)件結(jié)果模板來描述構(gòu)件分析結(jié)果數(shù)據(jù)信息。

在港口碼頭結(jié)構(gòu)CAD/CAE集成框架中，由于1個CAD模型可對應(yīng)多個CAE模型，因此，本文定義整體模型模板來描述CAD模型與CAE模型的一對多的關(guān)聯(lián)關(guān)系。

在港口碼頭結(jié)構(gòu)CAD/CAE集成框架中，除了定義 CAE分析規(guī)則、荷載轉(zhuǎn)換規(guī)則之外，本文還須定義解決定位、創(chuàng)建、編輯等問題的規(guī)則，具體包括解決模塊對象定位問題的定位規(guī)則、解決模塊對象創(chuàng)建、編輯等交互操作問題的造型規(guī)則、解決截面草圖模板對象與機械草圖模板對象參數(shù)化求解問題的求解規(guī)則、解決定義整體模型模板對象的 CAE分析參數(shù)及邊界條件等問題的模型簡化規(guī)則、解決構(gòu)件模板對象空間碰撞問題的碰撞規(guī)則、解決特征操作問題的特征規(guī)則等。

圖2 CAE單元模型創(chuàng)建流程圖

圖3 CAE荷載模型創(chuàng)建流程圖

1.3 模板對象

模板對象，如圖4所示。

圖4 模板對象

1） 幾何圖元模板：定義直線、矩形、圓等幾何圖元的建模、交互等操作。

2） 機械圖元模板：定義單雙輪輪胎、支腿、車鉤等機械圖元的建模、交互等操作。

3） 截面草圖模板：定義草圖截面的建模、定位及求解等操作。

4） 機械草圖模板：定義草圖機械的建模、定位及求解等操作。

5） 荷載模板：定義工程荷載的建模、定位、交互及荷載轉(zhuǎn)換等操作。

6） 工況組合模板：定義港口碼頭三維結(jié)構(gòu)CAE分析時工況組合定義、管理等操作。

7） 三維實體模板：定義實體模型的建模、定位、交互及特征等操作。

8） 特征模板：定義特征建模、定位及交互等操作。

9） 構(gòu)件模板：定義構(gòu)件建模、定位、交互及管理構(gòu)件分析結(jié)果等操作。

10） 構(gòu)件結(jié)果模板：定義查詢及管理構(gòu)件分析結(jié)果等操作。

11） 整體模型模板：定義管理模型、自動生成CAE模型、及管理分析結(jié)果等操作。

1.4 模板規(guī)則

針對模板對象的解釋與操作問題，本文定義了多種模板規(guī)則，包括定位規(guī)則、造型規(guī)則、求解規(guī)則、CAE分析規(guī)則、模型簡化規(guī)則、荷載轉(zhuǎn)換規(guī)則、碰撞規(guī)則及特征規(guī)則等，其中：定位規(guī)則解決模板對象的定位問題；造型規(guī)則解決模板對象的創(chuàng)建、編輯等交互操作問題；求解規(guī)則解決截面草圖模板對象與機械草圖模板對象參數(shù)化求解問題；CAE分析規(guī)則解決構(gòu)件CAD模型向 CAE單元模型的轉(zhuǎn)換問題；模型簡化規(guī)則解決整體模型模板對象的 CAE分析參數(shù)及邊界條件等內(nèi)容的定義問題；荷載轉(zhuǎn)換規(guī)則解決荷載CAD模型向CAE荷載模型的轉(zhuǎn)換問題；碰撞規(guī)則解決構(gòu)件模板對象空間碰撞問題；特征規(guī)則解決構(gòu)件模板對象特征操作問題。

2 港口碼頭三維結(jié)構(gòu) CAD/CAE集成系統(tǒng)

上述的集成系統(tǒng)框架，如圖5所示。

圖5 基于模板的CAD/CAE集成系統(tǒng)框架

1） 二維草圖模塊解決截面草圖模板對象、機械草圖模板對象的生成問題。

2） CAD建模模塊解決港口碼頭結(jié)構(gòu)構(gòu)件CAD建模中的創(chuàng)建、交互等問題。

3） 荷載建模模塊解決港口碼頭工程荷載的創(chuàng)建、交互等問題。

4） CAE建模模塊解決結(jié)構(gòu)CAE分析模型的分類計算及自動生成等問題。

5） CAE結(jié)果分析模塊解決CAE分析結(jié)果與CAD模型的關(guān)聯(lián)關(guān)系建立問題。

3 結(jié) 論

本文研究了基于模板的港口碼頭三維結(jié)構(gòu)CAD/CAE集成技術(shù)，定義了截面草圖、三維實體、構(gòu)件等多種CAD建模模板，定義了機械草圖、荷載等多種荷載建模模板，定義了 CAE分析規(guī)則實現(xiàn)CAD幾何模型自動生成CAE單元模型的功能，定義了荷載轉(zhuǎn)換規(guī)則實現(xiàn)工程荷載CAD模型自動創(chuàng)建CAE荷載模型的功能，定義了整體模型模板建立CAE分析結(jié)果與CAD模型的多對一關(guān)系，以此實現(xiàn)了港口碼頭三維結(jié)構(gòu)CAD/CAE集成系統(tǒng)，大大提高了港口碼頭的設(shè)計效率，降低了設(shè)計人員的設(shè)計難度，減少了設(shè)計錯誤。

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