有限元与CAD软件的集成汇报人课件

有限元与CAD软件的集成汇报人：傅权宏指导老师：谢剑有限元与CAD软件的集成汇报人：傅权宏

CAD/CAE集成模型1

双向相关模型2

集成模型在土木领域的应用3CAD/CAE集成模型1双向相关模型2集成模型在

不同软件之间的接口

当今有限元分析软件的一个发展趋势是与通用CAD软件的集成使用，即在用CAD软件完成部件和零件的造型设计后，能直接将模型传送到CAE软件中进行有限元网格划分并进行分析计算，如果分析的结果不满足设计要求则重新进行设计和分析，直到满意为止，从而极大地提高了设计水平和效率。为了满足工程师快捷地解决复杂工程问题的要求，许多商业化有限元分析软件都开发了和CAD软件（例如Pro/ENGINEER、Unigraphics、SolidEdge、SolidWorks、IDEAS、Bentley和AutoCAD等）的接口。不同软件之间的接口Betting等学者对CAD,CAE模型的集成方式进行了系统研究，总结出了三种模型集成方法。为被集成模型建立独立的数据结构，通过交叉索引与集成模型互访;在集成模型的数据结构上派生新类以表达被集成模型;把被集成模型作为属性数据附加在集成模型的数据结构上。研究人员指出以附加属性的方式实现模型数据的集成是效率最高的方法。Betting等学者对CAD,CAE模型的集

集成模型的研究动态李庆等人研究了基于CAD/CAE集成模型的注射模优化设计系统，提出了既包含几何造型信息又包含有限元属性参数的CAD/CAE集成模型，为注射模CAD/CAE集成模型的实现提供了有力的技术支持。蒋维等人研究了基于CAD/CAE混合模板库的锻压机床快速设计方法，建立了兼容设计和优化环节的锻压机床CAD/CAE混合模板库，以实现在调整结构设计参数后可以迅速获得新的模型，并快速得到新模型的分析结果。虞春等人对特征造型技术和有限元分析技术的集成进行了研究，提出了设计特征向有限元分析特征的转换方法。陈永亮等研究了机械产品快速响应设计、制造的关键技术，包括模块设计技术、优化技术等。赵继云等将产品动态模型应用于快速响应变形设计中，研究了基于动态模型的智能变型设计过程。集成模型的研究动态CAD/CAE集成模型及系统架构李庆等人对塑料注射模设计了CAD/CAE集成模型CAD和CAE系统模型不统一对注射模设计方案的自动优化造成了困难，文献提出了包含几何造型数据和有限元特征属性数据的参数化注射模CAD/CAE集成模型，对集成模型的组成、集成模型中的数据表示、有限元模型的提取及与集成模型的联动进行了重点研究。在此基础上构建了基于CAD/CAE集成模型的注射模优化设计系统，并对系统框架、系统组成模块、系统开发平台和开发环境进行了详细论述。CAD/CAE集成模型及系统架构传统的注射模设计流程传统的注射模设计流程

传统模型的缺陷缺乏统一的数据模型以几何造型为主的cAD系统和以有限元分析为主的CAE系统缺乏统一的数据模型，导致注射模设计和分析环节相对独立，产生了大量的重复设计缺乏科学自动的评价机制在注射模设计过程中，分析结果的评价是非常重要的一个环节，起着“承前启后”的作用。“承前”是对分析结果进行客观正确的分析和诊断，“启后”是将评价结果反馈给设计方案，并进行有针对性的修改分析报范性，告、己有的成功实例和设计者的经验。缺少先进的优化设计方法注射模具在进行详细设计之前，设计方案可能需要不断的优化，与之相关的许多数据都需要在设计和分析环节间反复的传递和修改。

传统模型的缺陷CAD/CAE集成模型CAD/CAE集成模型

如图所示为集成模型的组织结构，该模型由几何数据和有限元特征属性数据组成。几何数据涵盖了构成产品、浇注系统、冷却系统、注射模具等所有与几何造型相关的数据信息(如:几何对象、几何参数、拓扑关系、装配关系等)，这些信息存储在CAD系统自身的几何造型数据库中。有限元特征属性数据包括分析类型、网格尺寸、材料、工艺参数等所有与有限元建模相关的数据信息。其中分析类型和网格尺寸数据主要用于有限元网格划分，统称为网格控制属性。而材料、工艺参数、边界条件等数据则反映了有限元分析的工程背景，将这类数据统称为工程描述属性。所有这些数据信息都作为扩展数据附加在几何模型中相应的几何对象上，并保存在CAD几何造型数据库的扩展数据库中。如图所示为集成模型的组织结构，该模型由几何数据采用这种方式实现模型信息集成的优点在于:一方面，有限元特征属性可以通过网格控制定义和工程描述定义附加在相应的几何对象上，在CAD平台上开发类似的属性定义接口非常容易，集成模型的实现具有较好的可操作性;另一方面，注射模设计优化是一个不断改进设计和分析验证的过程，在进行CAE分析时，利用几何模型以及附加在几何对象上的有限元特征属性信息，通过相应的网格剖分算法和工程描述(如:材料、工艺参数、边界条件等)分派方法，就可以自动生成有限元模型，既避免了模型转换引起的数据丢失等问题，提高了数据传输效率，也有利于实现有限元模型与几何模型之间的数据联动。采用这种方式实现模型信息集成的优点在于:有限元模型的提取有限元模型的提取在CAD/CAE集成模型中提取有限元模型的过程如图所示，大体分为两个步骤：在集成模型中，提取几何模型数据，根据附加在几何模型上的分析类型和网格尺寸等网格控制属性，采用相应的网格剖分算法，生成有限元网格模型。该过程有时还需要对几何模型进行降维和简化等操作。将附加在几何模型上的工程描述属性，通过工程描述分派，映射到相应的有限元网格单元或节点上，生成完整的可直接用于分析的有限元模型。在CAD/CAE集成模型中提取有限元模型的过程如图CAD与CAE系统间的模型转换机制研究目前，CAD与CAE之间进行图形交换的格式有IGES,STEP格式等，这些基本的交换格式都是基于几何模型数据文件，存在一些共同的缺点CAD模型导入CAE系统后，原有模型特征全部丧失，参数化的约束机制也无法保留。一些复杂的CAD模型导入后，常常产生数据信息丢失、模型错位等现象，需要对模型进行修复后才能进行分析，耗费时间和精力。设计更新或修改后，需要重复进行CAE模型的修改和更新，增加了CAE前处理的工作量。CAD与CAE系统间的模型转换机制研究双向相关模型转换机制研究目前，CAD/CAE集成方面的研究，更多的是考虑设计模型到分析模型的集成，有关CAE优化结果向设计模型反馈方法的研究很少，而优化设计是当前结构设计的核心，优化结果的应用主要是通过设计师手工操作进行，不仅浪费时间而且精度无法保证。为了更好地实现CAD和CAE间的双向快速响应，通过研究CAD模型向CAE模型的转换和CAE结果向CAD模型反馈过程中有重要作用的方法和因素，建立支持设计与优化双向相关的模型转换机制。双向相关模型转换机制研究双向相关模型双向相关模型双向相关转换机制主要涉及两个方面的技术:CAD模型和CAE模型间的映射机制前处理机制主要是实现CAD模型向CAE模型的转换，前面已经进行了详细研究，而后处理体系则是指优化结果向设计的反馈机制，不仅要有相应优化结果评价体系，还要具备图形显示功能，并且能将最终的优化结果传输到设计模块中。在优化结果中，对于特征参数的优化和修改，可以直接通过修改参数化原模型实现优化结果模型更新，而结构的拓扑优化结果模型和数据则较为复杂，需要采用专门的映射机制进行模型重构。

双向相关转换机制主要涉及两个方面的技术:支持CAD和CAE的统一工程数据库数据管理框架如图所示，使用数据库系统管理结构的相关信息，避免了直接进行数据文件传输引起的数据丢失和数据不兼容等问题，设计效率将会得到进一步提局。CAD/CAE统一数据管理支持CAD和CAE的统一工程数据库CAD/CAE统一数据管理基于CAD与CAE技术的建筑桁架结构模型设计研究建筑桁架结构设计是一个具有系统性的过程，在这个过程中主要包括桁架几何空间模型的建立、精架的合理性分析及其优化以及最终设计方案模型的重构。桁架模型设计流程基于CAD与CAE技术的建筑桁架结构模型设计研究桁架模型设计桁架几何轮廓构想要是完成对桁架结构的几何边界轮廓的构想。几何形体的建立主要是利用CAD软件完成对上述步骤中几何轮廓形体的建立，在桁架结构设计前，需要依据桁架的几何边界轮廓建立一个承载桁架节点和杆件的几何形体。在这个步骤中还需将所建立几何形体模型保存为后续CAE软件所能识别的格式。CAD软件与CAE软件的第一次连接比较简单，主要是将上一步骤中在形体轮廓文件导入CAE软件中。几何形体的有限元分析主要是通过CAE软件完成了对几何形体的材料定义，网格划分，荷载添加以及对几何形体的应力分析，从这个步骤中我们可以获得几何形体中各个特征点的应力值，对构建桁架结构的关键节点位置的确立和关键节点间杆件数目的确立起着至关重要的位置。在这个步骤中还需要将几何形体中各个特征点的值，按照一定的格式进行存储，以便下面分析和优化。桁架几何轮廓构想数据分析与优化在这个步骤中，我们将依据基于几何形体的桁架结构设计原理，对几何形体有限元分析后所存储的数据进行分析与处理，这也是桁架结构设计中的重要部分，在这步中我们将确定桁架结构中的节点坐标，以及各个杆件所连接的杆件数目。在这个步骤中还将依据CAD软件的识别原理，将分析后的数据以一定的格式进行存储，这个步骤可以说是CAE软件与CAD软件连接的中间桥梁步骤，也是桁架结构设计的数据处理与优化的重要部分。桁架模型重构这个步骤是桁架结构设计的最为重要的一步，在这个步骤中我们将依据之前的数据完成对桁架结构的重构，生成合理的桁架结构模型。这一步主要是在CAD软件中完成，依据分析、处理与优化的数据首先构建桁架结构的线框模型形成节点与节点间的杆件连接。在这一步骤中，我们将利用CAD软件强大的参数化设计原理，从数据文件中提取数据，并通过CAD软件的二次开发智能编程接口，完全利用计算机技术生成桁架结构的线框模型，最后对杆件进行截面直径定义，最终完成桁架结构模型设计。数据分析与优化谢谢！有限元与CAD软件的集成汇报人课件有限元与CAD软件的集成汇报人：傅权宏指导老师：谢剑有限元与CAD软件的集成汇报人：傅权宏

CAD/CAE集成模型1

双向相关模型2

集成模型在土木领域的应用3CAD/CAE集成模型1双向相关模型2集成模型在

不同软件之间的接口

当今有限元分析软件的一个发展趋势是与通用CAD软件的集成使用，即在用CAD软件完成部件和零件的造型设计后，能直接将模型传送到CAE软件中进行有限元网格划分并进行分析计算，如果分析的结果不满足设计要求则重新进行设计和分析，直到满意为止，从而极大地提高了设计水平和效率。为了满足工程师快捷地解决复杂工程问题的要求，许多商业化有限元分析软件都开发了和CAD软件（例如Pro/ENGINEER、Unigraphics、SolidEdge、SolidWorks、IDEAS、Bentley和AutoCAD等）的接口。不同软件之间的接口Betting等学者对CAD,CAE模型的集成方式进行了系统研究，总结出了三种模型集成方法。为被集成模型建立独立的数据结构，通过交叉索引与集成模型互访;在集成模型的数据结构上派生新类以表达被集成模型;把被集成模型作为属性数据附加在集成模型的数据结构上。研究人员指出以附加属性的方式实现模型数据的集成是效率最高的方法。Betting等学者对CAD,CAE模型的集

集成模型的研究动态李庆等人研究了基于CAD/CAE集成模型的注射模优化设计系统，提出了既包含几何造型信息又包含有限元属性参数的CAD/CAE集成模型，为注射模CAD/CAE集成模型的实现提供了有力的技术支持。蒋维等人研究了基于CAD/CAE混合模板库的锻压机床快速设计方法，建立了兼容设计和优化环节的锻压机床CAD/CAE混合模板库，以实现在调整结构设计参数后可以迅速获得新的模型，并快速得到新模型的分析结果。虞春等人对特征造型技术和有限元分析技术的集成进行了研究，提出了设计特征向有限元分析特征的转换方法。陈永亮等研究了机械产品快速响应设计、制造的关键技术，包括模块设计技术、优化技术等。赵继云等将产品动态模型应用于快速响应变形设计中，研究了基于动态模型的智能变型设计过程。集成模型的研究动态CAD/CAE集成模型及系统架构李庆等人对塑料注射模设计了CAD/CAE集成模型CAD和CAE系统模型不统一对注射模设计方案的自动优化造成了困难，文献提出了包含几何造型数据和有限元特征属性数据的参数化注射模CAD/CAE集成模型，对集成模型的组成、集成模型中的数据表示、有限元模型的提取及与集成模型的联动进行了重点研究。在此基础上构建了基于CAD/CAE集成模型的注射模优化设计系统，并对系统框架、系统组成模块、系统开发平台和开发环境进行了详细论述。CAD/CAE集成模型及系统架构传统的注射模设计流程传统的注射模设计流程

传统模型的缺陷缺乏统一的数据模型以几何造型为主的cAD系统和以有限元分析为主的CAE系统缺乏统一的数据模型，导致注射模设计和分析环节相对独立，产生了大量的重复设计缺乏科学自动的评价机制在注射模设计过程中，分析结果的评价是非常重要的一个环节，起着“承前启后”的作用。“承前”是对分析结果进行客观正确的分析和诊断，“启后”是将评价结果反馈给设计方案，并进行有针对性的修改分析报范性，告、己有的成功实例和设计者的经验。缺少先进的优化设计方法注射模具在进行详细设计之前，设计方案可能需要不断的优化，与之相关的许多数据都需要在设计和分析环节间反复的传递和修改。

传统模型的缺陷CAD/CAE集成模型CAD/CAE集成模型

如图所示为集成模型的组织结构，该模型由几何数据和有限元特征属性数据组成。几何数据涵盖了构成产品、浇注系统、冷却系统、注射模具等所有与几何造型相关的数据信息(如:几何对象、几何参数、拓扑关系、装配关系等)，这些信息存储在CAD系统自身的几何造型数据库中。有限元特征属性数据包括分析类型、网格尺寸、材料、工艺参数等所有与有限元建模相关的数据信息。其中分析类型和网格尺寸数据主要用于有限元网格划分，统称为网格控制属性。而材料、工艺参数、边界条件等数据则反映了有限元分析的工程背景，将这类数据统称为工程描述属性。所有这些数据信息都作为扩展数据附加在几何模型中相应的几何对象上，并保存在CAD几何造型数据库的扩展数据库中。如图所示为集成模型的组织结构，该模型由几何数据采用这种方式实现模型信息集成的优点在于:一方面，有限元特征属性可以通过网格控制定义和工程描述定义附加在相应的几何对象上，在CAD平台上开发类似的属性定义接口非常容易，集成模型的实现具有较好的可操作性;另一方面，注射模设计优化是一个不断改进设计和分析验证的过程，在进行CAE分析时，利用几何模型以及附加在几何对象上的有限元特征属性信息，通过相应的网格剖分算法和工程描述(如:材料、工艺参数、边界条件等)分派方法，就可以自动生成有限元模型，既避免了模型转换引起的数据丢失等问题，提高了数据传输效率，也有利于实现有限元模型与几何模型之间的数据联动。采用这种方式实现模型信息集成的优点在于:有限元模型的提取有限元模型的提取在CAD/CAE集成模型中提取有限元模型的过程如图所示，大体分为两个步骤：在集成模型中，提取几何模型数据，根据附加在几何模型上的分析类型和网格尺寸等网格控制属性，采用相应的网格剖分算法，生成有限元网格模型。该过程有时还需要对几何模型进行降维和简化等操作。将附加在几何模型上的工程描述属性，通过工程描述分派，映射到相应的有限元网格单元或节点上，生成完整的可直接用于分析的有限元模型。在CAD/CAE集成模型中提取有限元模型的过程如图CAD与CAE系统间的模型转换机制研究目前，CAD与CAE之间进行图形交换的格式有IGES,STEP格式等，这些基本的交换格式都是基于几何模型数据文件，存在一些共同的缺点CAD模型导入CAE系统后，原有模型特征全部丧失，参数化的约束机制也无法保留。一些复杂的CAD模型导入后，常常产生数据信息丢失、模型错位等现象，需要对模型进行修复后才能进行分析，耗费时间和精力。设计更新或修改后，需要重复进行CAE模型的修改和更新，增加了CAE前处理的工作量。CAD与CAE系统间的模型转换机制研究双向相关模型转换机制研究目前，CAD/CAE集成方面的研究，更多的是考虑设计模型到分析模型的集成，有关CAE优化结果向设计模型反馈方法的研究很少，而优化设计是当前结构设计的核心，优化结果的应用主要是通过设计师手工操作进行，不仅浪费时间而且精度无法保证。为了更好地实现CAD和CAE间的双向快速响应，通过研究CAD模型向CAE模型的转换和CAE结果向CAD模型反馈过程中有重要作用的方法和因素，建立支持设计与优化双向相关的模型转换机制。双向相关模型转换机制研究双向相关模型双向相关模型双向相关转换机制主要涉及两个方面的技术:CAD模型和CAE模型间的映射机制前处理机制主要是实现CAD模型向CAE模型的转换，前面已经进行了详细研究，而后处理体系则是指优化结果向设计的反馈机制，不仅要有相应优化结果评价体系，还要具备图形显示功能，并且能将最终的优化结果传输到设计模块中。在优化结果中，对于特征参数的优化和修改，可以直接通过修改参数化原模型实现优化结果模型更新，而结构的拓扑优化结果模型和数据则较为复杂，需要采用专门的映射机制进行模型重构。

双向相关转换机制主要涉及两个方面的技术:支持CAD和CAE的统一工程数据库数据管理框架如图所示，使用数据库系统管理结构的相关信息，避免了直接进行数据文件传输引起的数据丢失和数据不兼容等问题，设计效率将会得到进一步提局。CAD/CAE统一数据管理支持CAD和CAE的统一工程数据库CAD/CAE统一数据管理基于CAD与CAE技术的建筑桁架结构模型设计研究建筑桁架结构设计是一个具有系统性的过程，在这个过程中主要包括桁架几何空间模型的建立、精架的合理性分析及其优化以及最终设计方案模型的重构。桁架模型设计流程基于CAD与CAE技术的建筑桁架结构模型设计研究桁架