CN101794337A - 基于分层架构的cad/cae系统集成方法 - Google Patents

基于分层架构的cad/cae系统集成方法 Download PDF

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陈建军
黄争舸
段丽
曹秉万
戴美晃
郑耀
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Abstract

本发明公开了一种基于分层架构的CAD/CAE系统集成方法，该方法通过提供一个标准化的CAD/CAE系统集成框架，在CAD系统与CAE系统之间添加一个公共几何服务接口层，完成CAE系统和CAD系统的无缝集成，对底层屏蔽不同中性文件、CAD内核和二次开发接口的多样性；对上层提供统一的几何接口服务。基于分层架构的设计，降低CAD/CAE集成系统的开发难度和维护成本；公共几何服务接口对底层CAD系统的屏蔽性，增强了对技术发展和市场变化的适应性。

Description

基于分层架构的CAD/CAE系统集成方法
技术领域
本发明涉及CAE系统与CAD系统的集成技术，尤其涉及一种基于分层架构的CAD/CAE系统集成方法。
背景技术
计算机辅助工程，即CAE(Computer Aided Engineering)，就是指在生产以前对设计方法借助计算机模拟实现精确的试验、分析和论证，从而达到优化设计的一门技术。CAE是在三维实体建模的基础上，从产品的设计阶段开始，按实际条件进行仿真分析，对产品的各项(力学、热学、电磁、流动等)相关性能进行设计、优化和综合评价，以便获得最佳方法，给出优化设计。CAE技术可以帮助用户改进产品设计、缩短设计周期，减少样机试验的周期和成本。
CAE技术的关键部分是PDE(Partial Differential Equations)的数值计算。PDE的数值计算技术有很多类，如有限单元法、有限体积法、有限差分法和边界单元法。它们的一个共通之处是在数值求解前将连续的计算区域离散成基本单元的组合。每个基本单元的自由度是有限的，因此最终形成的方程组也是有限维的。
多数情况下，用于CAE分析的CAD外形设计不是在CAE系统中完成的，需要借助商业CAD系统。因此，如何完成CAE系统和商业CAD系统的无缝集成是CAE系统设计方面的关键所在，这方面需要考虑两个关键问题：
(1)兼容不同CAD产品：须考虑到CAD系统的多样性，并通过合理的软件框架设计，实现对主流CAD产品的无缝集成。
(2)数据的完整性和有效性：在不同CAD系统之间进行数据交换时不仅可能丢失高层的设计信息，模型的有效性也无法得到保障。
为实现和CAD系统的集成，有3个层次的集成策略可供选择：
(1)利用CAD系统的二次开发接口，如CATIA系统的CAA对CAD数据进行访问和处理。优点：最大程度保证了CAD数据的完整性和有效性。缺点：针对每个CAD系统都要提供相应的CAD数据读取、CAD数据转换、网格生成等服务，平台相关性使得开发和维护成本很高。
(2)利用CAD内核提供的接口，如ACIS、ParaSolid、Granite和开源CAD内核OpenCASCADE，以及这些内核提供的数据转换增值服务，如ACIS的InterOp组件。优点：成熟可靠的接口支持。缺点：不菲的软件许可费用，且无法做到对所有CAD产品的最优兼容。
(3)利用中性文件。细分为两类策略：(A)利用IGES或STEP文件进行转换。优点：公开、明确的CAD文件交换标准。缺点：很难保证数据的完整性和有效性，数据转换和修复算法实现难度大。(B)利用几何模型的离散表达(如STL文件)。优点：降低了CAD数据转换和修复算法的实现难度。缺点：几何精度降低。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一个基于分层架构的CAD/CAE系统集成方法，它能够兼容各种集成策略，并为CAE软件开发人员提供统一的几何服务接口。这样的框架不仅会降低CAD/CAE集成系统的开发难度和维护成本，还能增强其对技术发展和市场变化的适应性。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于分层架构的CAD/CAE系统集成方法，包括以下步骤：
(1)CAD数据读取：CAE系统通过公共几何接口读取CAD系统构建的模型数据，所述公共几何接口包括中性文件读取接口、CAD内核提供的几何模型文件读取接口、CAD系统的二次开发接口提供的几何模型文件读取接口；
(2)CAD数据存储：公共几何服务接口中CAD数据结构在拓扑结构和几何定义上与CAE系统保持一致；
(3)CAD数据转换：公共几何服务接口进行CAD数据转换，修改CAD数据使其有利于网格生成、适用于工程分析；
(4)、为各种CAE系统提供几何服务，经过数据转换的CAD数据用于CAE系统中的后续操作；
(5)CAD数据写出：利用公共几何服务接口提供的CAD数据写出功能，将模型几何数据写出为能够被CAD系统读取的文件格式。
进一步地，所述步骤(4)中，所述后续操作具体为：
(A)对几何模型进行几何操作，如删除、复制、旋转等；公共几何服务接口为CAE系统中的几何操作模块提供几何数据存取接口；
(B)在几何模型上生成为网格：公共几何服务接口为网格生成模块提供几何/网格数据映射接口以及共性的几何算法；
(C)在辅助模块对几何模型上添加求解计算参数：公共几何服务接口为辅助模块提供在几何上加载边界条件等接口。
本发明的有益效果是，本发明通过提供一个标准化的CAD/CAE系统集成框架，在CAD系统与CAE系统之间添加一个公共几何服务接口层，完成CAE系统和CAD系统的无缝集成，对底层屏蔽不同中性文件、CAD内核和二次开发接口的多样性；对上层提供统一的几何接口服务。基于分层架构的设计，降低CAD/CAE集成系统的开发难度和维护成本；公共几何服务接口对底层CAD系统的屏蔽性，增强了对技术发展和市场变化的适应性。本发明基于分层架构的CAD/CAE系统集成方法兼容了三种不同的集成策略，完成CAE系统与CAD系统的无缝集成，使用公共几何服务接口方式，使得技术实现模块化，便于扩展。
附图说明
图1为基于分层架构的CAD/CAE系统集成方法框图。
图2为公共几何服务接口的一种实现框图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明，本发明的目的和效果将变得更加明显。
具体CAE系统的使用过程包括以下几个步骤：通过从CAD系统读取或在CAE系统中构建获得几何模型数据；对模型进行网格生成操作；设置适当的参数，对模型的相关性能(如：力学、热学、电磁和流动等)进行求解计算。
本发明方法涉及以上过程的前两个步骤。基于分层架构的CAD/CAE系统集成方法在CAD系统与CAE系统之间提供一个公共几何服务接口，向CAD层，屏蔽不同中性文件、CAD内核和二次开发接口的多样性；向CAE层，提供统一的几何接口服务。该技术方法具体包括以下五个步骤：
一、CAD数据读取
CAD数据读取即将几何数据原样地从CAD系统中传递到CAE系统中，这个过程并不改变几何数据本身，且不考虑几何数据是否符合分析系统的需要和要求，在传输过程中的主要工作是对于各种几何数据格式的接收问题。
CAE系统可通过公共几何接口提供的三种途径读取CAD系统构建的模型数据，包括中性文件读取接口、CAD内核提供的几何模型文件读取接口、CAD系统的二次开发接口提供的几何模型文件读取接口。
二、CAD数据存储
公共几何服务接口中CAD数据结构在拓扑结构和几何定义上与CAE系统保持一致，在具体实现上可以是CAE系统中CAD数据结构的简化。
三、CAD数据转换
由CAD系统所构建的模型充满不良的几何数据问题，若直接用于网格生成操作，必然影响得到的网格质量，造成求解计算过程耗时长并且计算结果不精确，给工程分析造成较坏影响。
在执行步骤一、二后需要检测得到的数据，若数据不满足CAE系统的需求，不利于网格生成操作，则需要对几何数据进行数据转换操作。公共几何服务接口提供CAD数据转换功能，用于修改CAD数据使其有利于网格生成、适用于工程分析。
四、为各种CAE系统提供几何服务
经过数据转换的CAD数据用于CAE系统中的后续操作。
(1)对几何模型进行几何操作，如删除、复制、旋转等。公共几何服务接口为CAE系统中的几何操作模块提供几何数据存取接口。
(2)在几何模型上生成为网格。公共几何服务接口为网格生成模块提供几何/网格数据映射接口以及共性的几何算法(如用于分块结构网格生成的分块算法，用于曲面网格生成的曲线、曲面离散算法等)
(3)在辅助模块对几何模型上添加求解计算参数。公共几何服务接口为辅助模块提供在几何上加载边界条件等接口。
经过以上操作后的结果可用于CAE系统的最后一个步骤，即求解计算。
五、CAD数据写出
大部分CAE系统同时也提供内部建模功能。对于在CAE系统中构建的模型，利用公共几何服务接口提供的CAD数据写出功能，将模型几何数据写出为能够被CAD系统读取的文件格式。
公共几何服务接口的实现：
图2给出了公共几何服务接口的一种实现方式，使用CATIA系统的二次开发接口CAA、CAD内核ACIS以及中性文件读写接口兼容了三类集成策略，并为上层CAE系统提供统一几何服务接口。

Claims (2)

1.一种基于分层架构的CAD/CAE系统集成方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)CAD数据读取：CAE系统通过公共几何接口读取CAD系统构建的模型数据，所述公共几何接口包括中性文件读取接口、CAD内核提供的几何模型文件读取接口、CAD系统的二次开发接口提供的几何模型文件读取接口。
(2)CAD数据存储：公共几何服务接口中CAD数据结构在拓扑结构和几何定义上与CAE系统保持一致。
(3)CAD数据转换：公共几何服务接口进行CAD数据转换，修改CAD数据使其有利于网格生成、适用于工程分析。
(4)、为各种CAE系统提供几何服务，经过数据转换的CAD数据用于CAE系统中的后续操作。
(5)CAD数据写出：利用公共几何服务接口提供的CAD数据写出功能，将模型几何数据写出为能够被CAD系统读取的文件格式。
2.根据权利要求1所述基于分层架构的CAD/CAE系统集成方法，其特征在于，所述步骤(4)中，所述后续操作具体为：
(A)对几何模型进行几何操作，如删除、复制、旋转等。公共几何服务接口为CAE系统中的几何操作模块提供几何数据存取接口。
(2)在几何模型上生成为网格：公共几何服务接口为网格生成模块提供几何/网格数据映射接口以及共性的几何算法。
(3)在辅助模块对几何模型上添加求解计算参数：公共几何服务接口为辅助模块提供在几何上加载边界条件等接口。
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