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浅谈CAD与CAE软件数据接口
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各种CAD与CAE软件的适用领域有所交叉、重复，而其造型、分析功能又各具特点。在对CAD软件与CAE软件的整合中，不可避免地会遇到CAD软件与CAE软件相互交换数据的问题。同时，随着计算机仿真向多载荷工况、多物理场的复杂耦合分析的转变，需要利用不同CAE软件分别计算、整合分析。通过对CAD和CAE软件通讯接口的研究，将有助于实现设计、分析的一体化，同时提高CAE的分析能力。
各种CAD与的适用领域有所交叉、重复，而其造型、分析功能又各具特点。在对CAD软件与CAE软件的整合中，不可避免地会遇到CAD软件与CAE软件相互交换数据的问题。同时，随着向多载荷工况、的转变，需要利用不同CAE软件分别计算、整合分析。通过对CAD和CAE软件通讯接口的研究，将有助于实现设计、分析的一体化，同时提高CAE的分析能力。
&&& 与CAE软件，经过多年的实践和比较，为工程设计人员所认同的CAD软件有AutoCad、UG、Pro-E等，CAE软件有等。各种软件的适用领域有所交叉、重复，而其造型、分析功能又各具特点。在实际的工程设计、力学分析的工作中，为了保质保量、高效地完成科研任务，通常是设计部门用CAD软件进行产品设计，产品的力学分析、校核由其它相关研究室用CAE软件完成。
对于基于有限元方法的结构分析软件，计算结果的合理与否主要取决于结构模型本身质量，正确的模型可望计算出正确的结果。即使程序无误，错误的模型决不会算出正确的***，即&Garbage in , garbage out &。有限元模型的建立是一个费时、且需要专门知识的过程，它与研究的对象息息相关。有限元程序能否得到广泛应用，很大程度上取决于其选用的前后处理系统以及其生成有限元模型的能力。一个好的前后处理系统，可以加快有限元建模速度、提高建模质量、减少人工处理工作量，并加深人们对计算结果的理解。
由于历史与现实造成的原因，设计部门之间选用的CAD软件不统一，力学分析部门选用的CAE软件也不统一，这种情况还将维持很长时间。在对CAD软件与CAE软件的整合中，不可避免地会遇到CAD软件与CAE软件相互交换数据的问题。由于已有的通用接口传输数据尚停留在点、线阶段，与现有的CAD软件的三维实体建模不匹配，从而在力学分析阶段造成很多重复劳动，并且分析优化的结果很难迅速反馈到设计环节。
同时，随着计算机仿真向多载荷工况、多物理场的复杂耦合分析的转变，对于结构复合环境试验结果的仿真再现，需要利用不同CAE软件分别计算、整合分析，这就遇到如何将其它CAE软件的计算结果转化为边界、初始条件的困难。
&&& 通过对CAD和CAE软件通讯接口的研究，将有助于实现设计、分析的一体化，同时提高CAE的分析能力，最终将广泛、深入地应用于CAD与CAE实际工作中。
1．国内外技术现状及发展趋势
对于CAD、CAE之间的几何模型、有限元模型的数据通讯，国内外主要采用通用接口与专用接口相结合的做法。通用接口一般为IGES接口、DXF接口以及STEP接口等。这几种接口均存在丢失模型属性信息的问题。专用接口一般是针对个别软件专门开发的数据通讯接口，迄今为止，传输数据比较完整的是ParaSolid格式、ACIS的SAT格式等，应用于UG、Pro-E等高端CAD软件上。对于CAE之间的分析结果的数据通讯，国内外主要采用用户子程序接口及人工的办法达到，效率较低且难以通用。 1
有鉴于此，近年来由美国MSC公司发展、完备的前后处理器PATRAN，代表了一种新的趋势：具备基本的几何建模、强大的有限元网格划分及必要的分析功能，与高端CAD、CAE软件可通过各种格式传输数据，同时也可直接读取相应软件的数据库，成为CAD与CAE相互沟通的桥梁。
2． CAD与CAE几何模型的数据通讯
2.1 数据通讯方式
CAD与CAE的几何模型的数据通讯研究，是为了达到点线面体的空间位置准确无误，关联属性尽可能地保留，并可以双向传输。我们主要研究CAD、CAE软件和PATRAN软件之间的几何数据的通讯接口，其主要方式如图1所示。 IGES格式专用 接口SGM 技 术CAE软件数据库CAD软件数据库PATRAN数 据 库
图1 几何数据通讯方式示意图
2.1.1 CAD与CAE软件之间的专用几何接口
绝大多数CAE软件，如 ANSYS、MARC等自带前后处理系统，具备功能强大的以ACIS为内核的实体建模模块和极强的网格划分能力，同时为了接收其他CAD软件的几何造型数据，还配备有与AutoCAD、Pro/ENGINEER、UniGraphics、SolidWorks等CAD软件的数据通讯接口。
2.1.2 PATRAN的SGM技术
MSC.PATRAN作为世界一流的分析前后处理软件，其本身就是一个完整的应用系统独立运行，进行各种复杂模型的实体建模，配合满足不同需求的可选应用模块完成各种工程分析。并行工程的设计思想使PATRAN打破了传统有限元分析的前后处理模式，其独有的单一几何模型传递技术（Single Geometric Model ，简称SGM）为先进的CAD/CAM软件系统的几何模型及通行的分析模型之间提供了直接连接和集成。使用SGM技术，工程师可直接在PATRAN的框架内访问CAD/CAM系统数据库，读取、转换、修改和操作设计中的几何模型而无须复制。
有限元分析模型可从CAD几何模型上快速地直接生成，用精确表现真实产品设计取代以往的近似描述，进而省去了在分析软件中重新构造几何模型的传统过程。PATRAN所生成的分析模型（包括直接分配到CAD几何上的载荷、边界条件、材料和单元属性）将驻留在PATRAN的数据库中，而CAD几何模型将保留在原有的CAD/CAM系统中，当相关的设计模型存贮在PATRAN中并生成有限元网格时，原有的设计模型将被标记。设计与分析之间的相关性可使用户在PATRAN中迅速获知几何模型的任何改变，并能重新观察新的几何模型确保分析的精度。
在PATRAN8.0版，可以支持下列CAD软件的几何模型传递：
CADDS 5 ；CATIA；Unigraphics；EUCLID-IS；Pro/ENGINEER；SolidEDGE SloidWorks；Autodesk MDT等。
2.1.3 通用交换接口IGES格式
由于绝大多数CAD/CAE软件，包括 PATRAN软件均具有IGES文件的导入、导出功能，IGES格式相对于其它两种单向的数据通讯方式而言，是目前为止可以进行双向数据传输的一种通用数据交换格式。数据要从系统A传送到系统B，必须由系统A的IGES前处理器把这些传送的数据转换成IGES格式，而实体数据还得由系统B的IGES后处理器把其从
IGES格式转换成该系统内部的数据格式。把系统B的数据传送给系统A也需相同的过程。
IGES标准中数据以实体方式组织，通过实体描述产品的形状、尺寸以及产品的特性。实体的表示方法对所有当前的CAD/CAM系统都是通用的，IGES的实体包括三类：
几何实体：点、直线、圆弧、样条曲线、曲面；
描述实体：尺寸标注、绘图说明；
结构实体：结合项、图组、特性。
IGES目前已发展到V5.3版，每一版本的功能都有所加强，压缩了数据格式、扩充了元素范围、扩大了宏指令功能、完善了使用说明等，可以支持产品造型中的边界表示和结构的实体几何表示，并在国际上绝大多数商品化CAD/CAM系统中采用。
在实际工作中，由CAD/CAM系统的数据格式转换成IGES格式时，一般都不会产生问题；而由IGES格式转换成CAD/CAM系统的数据格式时常会出现问题：
(1)变换过程中经常会发生错误或数据丢失现象,最差的情况是因一个或几个实体无法转换,使整个图形都无法转换。如仅因一个B样条曲线无法转换,导致全部不能转换。这时可通过另一个CAD/CAE系统来进行转换。
(2)在转换数据的过程中经常发生某个或某几个小曲面丢失的情况,这时可利用原有曲面边界重新生成曲面；但当子图形丢失太多时,则可通过前述第一种类似方式进行转换。
(3)某些小曲面(Face)在转换过程中变成大曲面(Surface),此时可对曲面进行裁剪。
以上仅是在实际中经常遇到的问题,当然,IGES文件还存在着其它问题,如不能把两个零部件的信息放在一个文件中；只注意了图形数据的转换而不能转换属性信息；产生的数据文件太大,数据转换处理时间长,以致许多CAD/CAE系统难以处理等,这些问题有待于在实践中继续完善。
3．CAD与CAE有限元模型的数据通讯
除ANSYS等少数CAE软件采用集成前后处理、解算一体化，无法脱离软件数据库进行有限元计算外，大多数CAE软件的前后处理与解算器实际上是脱离的，也就是说利用前处理系统进行有限元建模，加载各种边界、初始条件，形成独立的计算输入文件，然后送入相应的解算器，得到计算结果文件后，在利用后处理系统读取结果，进行科学计算的可视化输出。PATRAN作为通用的前后处理系统，完全可以取代CAE软件专用前后处理系统的功能。此外，少数高端CAD软件自身具备部分有限元建模，甚至求解计算的功能，如I-DEAS、Pro/ENGINEER、ARIES等。有限元数据的通讯方式如图2所示。最终，CAD、CAE软件形成的计算输入文件或计算结果文件可以被PATRAN所读取，有限元模型的网格、材料、边界等信息统一存储到PATRAN的数据库中，根据分析类型的不同，选取不同的有限元解算器。计算输入 文 件CAE软件数据库CAD软件数据库PATRAN数 据 库解 算 器计算 结果 文 件
图2 有限元数据通讯示意图
截至PATRAN 2000版，可以支持下列CAE分析软件：NASTRAN；DYTRAN；MARC；FATIGUE；SpuerForge；DropTest；Construct；CFX；Fluent；Star-CD；PAMCRASH；LS-DYNA3D；ABAQUS；ANSYS等。
对于其他专业分析软件和用户自编软件，利用PCL可自行开发与PATRAN的直接接口，将其集成到PATRAN的软件系统中。宏命令语言PCL是PATRAN提供的综合语言和自定义工具，类似于C语言和FORTRAN语言，可用于生成应用程序或特定的用户界面、显示自定义图形、读写PATRAN数据库、建立增强功能。
4．CAE与CAE的计算结果的数据通讯
CAE与CAE的计算结果的数据通讯研究,达到计算结果向边界、初始条件的转化自动而准确,减少手工的干预。在计算结果的数据通讯的研究中,关键是将其它CAE软件的结果尽可能精确地转化为边界、初始条件,主要是利用节点、单元的物理空间和逻辑空间信息作为中介来达到双向传输。计算机仿真向多载荷工况、多物理场的复杂耦合分析转变，要求我们应用多种CAE分析软件进行模拟。现在，利用PATRAN软件的&Field&功能，可以轻松完成CAE软件A的计算结果转化为CAE软件B的边界、初始条件。其主要流程如图3所示。
PATRANCAE软件ACAE软件 B读入 结果文件输出 边界条件Field
图3 有限元计算结果的数据通讯示意图
首先，通过CAE软件A的解算器得到的计算结果被PATRAN读取，确定所需要转化为B软件的边界条件的计算步，确认提供等值线云图后。
其次，选取&Field&选项，定义与&FEM&相关的离散或连续的标量场、矢量场。
再次，改变指定的分析软件为B软件，整个菜单自动转变为相应的条目。
最后，对指定区域定义边界、初始条件，给定前面定义的&Field&为输入值。
离散场的定义与有限元模型节点、单元编号（即逻辑空间）相关，而连续场的定义与节点的空间坐标（即物理空间）相关。
标量场主要指温度、压力等，矢量场主要指位移、应力、应变等。
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