面向航天產品研發(fā)的CAD/CAE集成技術淺析

2013-08-06 by:廣州有限元培訓實踐中心來源:仿真在線

1 前言

2007年六月份《工業(yè)設計》雜志對國內CAE軟件工具的使用情況開展的調查問卷顯示,CAE繁瑣的建模工作是用戶反映最為突出的問題。由于有限元建模工作占到了整個CAE分析工作的 50%~80%以上,因此有限元建模技術長期以來是影響FEA技術深入推廣應用的最大障礙,是當前CAE領域的一大技術瓶頸。而突破該技術瓶頸的有效途徑就是真正實現CAD\CAE的集成,消除設計、分析建模工作的孤立現狀,實現設計、分析數據信息的共享。

應該說,經過多年來 CAD\CAE集成技術的發(fā)展應用,當前,形成了若干集成途徑,并在各領域得到了不同程度的應用。但仍距離預期CAD\CAE的“無縫”融合目標存在較大差距。特別是在航空航天領域,由于模型特征的復雜性、力學簡化方式的多樣性等原因,CAD\CAE集成的應用一直不理想。

從航空航天CAE分析的特點角度,導致CAD\CAE集成技術困難的原因可以歸納為:

(1)結構組成復雜

航天產品是一個復雜組合結構,含有大量的眾多形式的受力構件(如蒙皮、桁條、腹板、接頭、復合材料層板等)。單單從CAD、CAE領域本身快速精確地構建這些特征的模型就不是一件容易的工作。

(2)結構不連續(xù)性強

航天結構中又常常因為構造和工藝上的需要,或是為了維修方便和減重等原因,而不得不在鈑金件上實施開口等處理,加受力或不受力口蓋,以及迫使桿件斷開等,形成結構不連續(xù)性。

(3)模型異構性強

在航天產品結構中,上述的板筋、梁板和桿系等組合結構,是非常典型的。區(qū)別與面向裝配和制造的CAD建模,復雜板筋、梁板、桿系組合結構的FEA建模應該有它固有的力學方法和途徑。這些都使得航天產品結構的有限元模型化過程變得繁瑣復雜。而且,不同的分析問題對模型的要求差異較大,造成CAD、CAE共享數據非常困難。

(4)CAE知識程度要求高

不僅如此,工程分析人員為了能夠盡可能地獲取反映結構真實受力行為的分析模型,還必須對結構傳力路線、材料特性、構件受載模式及結構不連續(xù)性對剛度產生的影響等因素有清晰的了解, 并進行妥善地處理。因此, 模型化工作又是一項知識密集型活動。

2 CAD\CAE集成技術途徑分析

近兩年來,隨數字化技術的深入發(fā)展,CAD、CAE市場的產業(yè)格局發(fā)生了重大變化,出現了不少CAD公司與 CAE公司的戰(zhàn)略聯盟和并購,如Dassault公司與MSC公司的聯盟、Autodesk公司與Ansys公司的聯盟等,雙方通過開放直接數據接口,實現了CAD\CAE數據的“無縫”集成,使得CAD\CAE集成方式獲得了轉變性突破。本文認為今后CAD\CAE集成技術應重點從下述方向展開:

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”的方式進行。其中,根據集成的目的不同,由兩種技術實現手段。

2.1.1以共享

CAD幾何信息為重點為了充分利用CAD系統(tǒng)設計完成的幾何模型,減少CAE前處理階段重新建立幾何模型的重復勞動,如何有效利用CAD系統(tǒng)產生的幾何模型是這種集成方式的研究重點。采用中間標準幾何描述文件是重要的研究方向,產生了IGES、STL、 step等中性格式。近年來,基于step文件格式的集成方式得到了深入研究和工程應用。STEP格式標準的目的是提供一種不依賴于具體系統(tǒng)的中性機制, 能夠描述產品整個生命周期中的產品數據,是CIMS系統(tǒng)和并行工程的技術核心。國內外開展了大量基于STEP格式的CAD\CAE集成技術研究和應用。

但由于軟件更新、軟件內部數據結構無法獲得等原因,采用中間文件的方式,“信息孤島”問題在工程研制中仍沒有有效消除。

2.1.2以優(yōu)化設計為集成重點

多學科設計優(yōu)化(MDO)是側重于模型集成,因此,對于MDO應用,CAD\CAE集成以提供參數化的模型為主。常采用的方式是有集成優(yōu)化系統(tǒng)控制主參數,CAD和CAE系統(tǒng)提供參數化的模型,模型能夠受主參數的驅動進行變化。由于CAE很難像CAD那樣,給出基于特征的參數化模型,所以實際應用中一般均給出CAE分析的過程文件(如ANSYS的APDL文件),通過建立主參數與過程文件中變量的映射實現模型的驅動。
優(yōu)化設計的CAD\CAE集成方式

2.2 以CAD為中心的集成途徑

隨三維CAD技術的成熟和搶占PLM主導地位的市場需要,CAD軟件的功能開始向CAE領域拓展延伸,當前主流的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、網格劃分等整個FEA的前處理,CAE系統(tǒng)只提供各種分析問題的求解器。由于采用一個數據庫來存儲CAD和CAE前處理信息,能夠實現CAD模型的變更自動驅動CAE模型的變化。當前,主流的CAD系統(tǒng)都提供了不同程度的 CAE分析能力,從工程應用情況看,主要定位給非強度分析人員如結構總體設計人員作為設計的輔助手段來使用。

在 CAD系統(tǒng)自身提供的 CAE前處理功能基礎上,可以結合行業(yè)產品特點,開發(fā)定制化的 CAD\CAE集成環(huán)境。需要研究的主要內容包括:

(1) 考慮 CAE分析的 CAD設計建模規(guī)范。傳統(tǒng)的 CAD設計建模規(guī)范是面向裝配和制造的, CAD模型并不包含 CAE網格劃分所需的所有幾何信息(如實體梁可能并沒有中面特征),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)求解器計算輸入文件自動生成。當前有非常多的 CAE求解器可供用戶選擇,特別是進行多學科分析時,可能一套 CAD模型要面對多個不同的求解器。因此,如何支持更多的求解器以及多求解器輸入文件自動生成技術是以 CAD為核心的集成方案要解決的關鍵問題。

2.3 以CAE為中心的集成途徑

通過與 CAD廠商的聯盟, 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,通過開發(fā) CAD模型的雙向驅動技術,實現了將 CAE幾何建模轉移到 CAD系統(tǒng)的目標。這種技術方案被稱為新一代的 CAE前處理。如 Ansys公司的 workbench。AWE 集成的協(xié)同設計優(yōu)化環(huán)境提供了參數化建模( ANSYS DesignModeler)與參數化分析( ANSYSDesign Space),多目標優(yōu)化分析( DesignXplorer)。其底層數據是與 CAD 相同,因此可以直接與 Catia、UnigraphicsNX、proengineer等 CAD 系統(tǒng)共享數據。

其核心思想是通過開發(fā) CAD模型本地驅動( native access)技術,實現 CAD模型的雙向驅動, CAE系統(tǒng)的前處理模塊負責對 CAD特征模型的識別和降維簡化處理,如剔除倒角、淺槽等細節(jié)特征;將傳統(tǒng) CAE分析中的材料、載荷、邊界約束、分析類型等與有限元分析密切相關的屬性信息作為非幾何特征附加給識別出來后的 CAD模型。然后根據附加的單元類型屬性信息,將三維實體轉換為面或殼、將三維桿狀實體轉換為一維梁等,為網格離散化提供“干凈”的幾何模型。接下來由 CAE系統(tǒng)的網格劃分器完成網格劃分工作,并自動生成求解器的計算輸入文件,完成模型處理工作。

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