CAD軟件與CAE軟件圖形數據接口問題研究

劉巖松， 董林福， 信紅波， 武晶晶

(沈陽化工大學機械工程學院，遼寧沈陽110142)

隨著技術的進步，求解越來越復雜和大規模的計算模型成為一種趨勢，然而CAE的建模功能常常成為分析的瓶頸，需要在建模功能更為強大和方便的CAD環境中進行建模工作，然后再將CAD模型導入分析軟件進行分析.因此，分析軟件接口的好壞直接影響到分析的進程［1］.

目前基本轉換方法有兩種，即在CAE軟件中直接讀入CAD模型文件和通過中間格式文件轉換［2］.前者受到軟件類別及版本的限制，后者受到各軟件公司內核兼容性的限制.在相互轉換過程中常會出現圖形數據丟失現象，并且模型的修改和更新不能及時反饋到CAE模型中，重復建模更要耗費大量的時間和精力［3－5］，這就使得CAD與CAE軟件之間的接口技術變得深不可測.事實上，兩者之間的無縫鏈接是可以快速實現的.

1 常用CAD軟件與CAE軟件之間圖形數據接口方法對比

關于早期版本CAD軟件與CAE軟件的圖形數據接口問題，有許多很好的探索.其中二維CAD軟件的導入大多是以IGES格式完成，而三維CAD軟件的圖形數據的導入相對繁瑣一些.現以ANSYS和pro/E為例，比較典型的接口方法有如下幾種:

(1)IGES格式導入法

在Pro/E中建立模型后(一般是part)，從菜單File_save a copy中選擇IGES類型存盤，啟動Ansys，從菜單 file＜import＜IGES選擇形成的IGES格式文件即可.在Ansys中輸入模型時，可能會出現模型斷裂，需要對“Defeature、合并重合的關鍵點、產生實體、刪除小面積”等選項進行改變，反復修改，直到圖形數據達到要求.

(2)無縫鏈接法

在安裝 ANSYS時，必須安裝ANSYS Connection For Pro/ENGINEER模塊(代號82).在“開始 ＜程序 ＜ANSYS 5.6＜ANS＜ADMIN Utility”中，選擇configuration options，再選擇configure connection for Pro/E，然后輸入模塊類型、圖形類型、工作空間大小等，之后輸入Pro/E的安裝路徑，完成“連接”安裝.運行Pro/E，打開一個已建好的模型，最后一行會出現 ANSYS GEOM，單擊它，直到自動調用并啟動了ANSYS.此時再選取File＜import＜Pro/E，在文件名一欄中輸入正確的文件名，點OK即可完成輸入［6］.ANSYS 5.7以后的版本在局部會有些小的出入，但是總體的鏈接方法大致都為上述步驟.

(3)Pro/E預處理法

在 Pro/E中打開建好的模型，選擇菜單Applications＜Mechanica，此時會進入有限元FEM模式，可以進行結構、熱等的分析，選擇結構＜分網(mesh)＜create-＜solid＜start，開始分網，完成后關閉對話框，選擇菜單中的Run，在對話框的求解器中選擇ANSYS，輸出到文件，填入文件名，點取OK(材料不必輸入)，即可生成一個*.ans文件.運行Ansys，從命令Utility Menu＜File＜Read input from...中，選擇剛才產生的*.ans文件，即可以完成導入.

2 圖形數據接口無縫鏈接實現的最新方法

2.1 二維CAD軟件與CAE軟件的圖形數據接口問題

CAXA 2009機械版是北京數碼大方科技有限公司開發研制的一套擁有完全自主知識產權的二維計算機輔助設計(CAD)軟件，擁有先進的局部參數化設計和通用的數據接口.

二維圖形數據交換主要以IGES格式為主.IGES是由美國國家標準局主持，由波音公司和通用電氣公司參加的技術委員會，于1980年編制的初始圖形信息交換技術規范，并由美國國家標準協會公布的美國標準.當今流行的CAD軟件都具備IGES接口，IGES格式也因此成為一種被普遍接受的中間標準格式.

具體實現步驟如下:

(1)啟動CAXA 2009，繪制模數為2、齒數為42的齒輪二維輪廓線，如圖1所示.

圖1 CAXA齒輪二維輪廓線Fig.1 Two dimensional contour of CAXA gear

(2)將圖形文件另存為IGES格式.

(3)在ANSYS 12.0環境下，命令為Utility Menu＞File＞Import＞IGES，導入結果如圖2所示.

圖2 ANSYS 12.0導入結果Fig.2 ANSYS 12.0 lead-in result

三維圖形數據交換如果使用IGES格式會出現圖形元素丟失的現象，但是在二維數據交換時IGES格式一般不會出現上述情況.實際上，很多人往往忽視二維CAD軟件與CAE軟件的圖形數據交換，而CAXA在曲線造型功能上優于ANSYS.因此，能夠熟悉并利用二維CAD軟件的功能會給CAE軟件的前期準備做很好的鋪墊，在實際工程計算過程中也能節省不少的時間.

2.2 三維CAD軟件與CAE軟件的圖形數據接口問題

目前，Pro/E和ANSYS軟件分別是CAD和CAE軟件的典型代表，ANSYS 12.0和 Pro/E wildfire 5.0則是兩者的最新版本.Pro/E是美國PTC公司開發的多項技術集成產品，其功能強大，用途廣泛，其強大的建模功能可以繪制任意復雜形狀的零件，但是分析功能較弱;ANSYS是美國ANSYS公司推出的大型有限元分析軟件，它是一種集結構、熱、流體、電磁場、聲場和耦合場分析于一體的大型通用有限元分析軟件，但是其實體建模功能有限［7］.而這兩種軟件各自的短處恰恰又是對方的長處，解決矛盾的途徑是將兩者結合起來，發揮各自的長處.先用Pro/E建模，然后在ANSYS中進行分析，如何將兩者更好地結合，使數據傳遞更完善，是一個關鍵的問題［8］.

2.2.1 安裝與配置

(1)ANSYS 12.0與Pro/E wildfire 5.0的PC機配置要求見表1.

表1 ANSYS 12.0與Pro/E wildfire 5.0的PC機配置Table 1 PC disposition of ANSYS 12.0 and Pro/E wildfire 5.0

(2)ANSYS 12.0與Pro/E wildfire 5.0的PC機安裝方法

CAD軟件與CAE軟件在三維圖形數據接口的問題上最好不要采用IGES的格式.理論上，所有的CAD軟件格式模型都可以轉換為IGES格式文件，然后導入到分析軟件中去;而事實上，各軟件公司在開發自己的軟件時，內核必然存在著與其他軟件不兼容的部分，這種轉換是以犧牲圖形文件信息為代價的，表現為導入到ANSYS后，圖形文件會丟失體面線等，或是多了元素，修補特別麻煩，耗費大量人力物力，尤其對于復雜模型，導入后出現的問題更多.導入時選擇Defeature model，則會彈出警告信息，更嚴重的是導致ANSYS軟件產生錯誤，自行關閉，這種問題目前暫時無法解決［5］.因此，需要將CAE軟件集成到CAD軟件當中，這樣就可以實現兩種軟件之間的無縫鏈接.做到無縫鏈接，首先需要從安裝做起，具體操作步驟如下:

(a)安裝Pro/E wildfire 5.0，以安裝在C盤根目錄下為例:C/Program Files/Proe Wildfire 5.0，啟動目錄為C/Program Files/Users;

(b)安裝ANSYS 12.0，ANSYS需要安裝在Pro/E wildfire 5.0的同一根目錄下，啟動目錄同樣為C/Program Files/Users;

(c)選擇支持軟件，在第3行空白處輸入所選擇的CAD軟件的安裝路徑，見圖3、圖4.

待安裝完畢后，啟動Pro/E wildfire 5.0，會發現ANSYS 12.0及WORKBENCH都已經集成到Pro/E wildfire 5.0的常用工具欄之中了，見圖5.

圖3 選擇支持軟件Fig.3 Select sustaining soft

圖4 輸入安裝路徑Fig.4 Import installation path

圖5 ANSYS與Pro/E的集成Fig.5 ANSYS integrates with Pro/E

2.2.2 三維圖形數據轉換

在Pro/E wildfire 5.0軟件中所建立的三維模型可分為零件模型和裝配圖模型格式，其格式分別為*.prt和*.asm.當建模成功后，點擊集成命令模塊中的“ANSYSGeom”選項，則在Pro/E的信息欄中將出現Begin transfer of Pro/E geomertry to ANSYS—Proessed 1340 of 1344 faces for ANSYS volumes—Geometry trans—ferCompleted-4438ANSYSlines－－1590ANSYS areas—1 ANSYS volumes的信息，之后在共用的啟動目錄文件夾中會生成一個格式為.anf的文件，啟動ANSYS 12.0，點擊 File/Read input from，找到剛才生成的*.anf文件并導入，再點擊ANSYS12.0工具欄的Plot/Volumes，則圖形數據就順利導入了.如圖6、圖7所示.

圖6 Pro/E裝配體模型Fig.6 Pro/E assembling model

圖7 ANSYS導入裝配體模型Fig.7 ANSYS import assembling model

另外，由于ANSYS 12.0已經集成到Pro/E wildfire 5.0之中，所以，ANSYS軟件也可以直接打開共用文件夾(C/Program Files/Users)中保存的Pro/E wildfire 5.0所生成的零件模型.點擊File/Import/Pro/E，找到相應文件即可，如圖8、圖9所示.但是，裝配圖形文件必須生成*.anf文件格式才能順利導入.觀察導入圖形發現，在模型傳遞過程中基本沒有丟失元素的現象.因而，此種CAD軟件與CAE軟件的接口達到了無縫鏈接的效果，可以說是比較好地解決了因為圖形數據傳輸所引起的元素丟失問題，進而達到無縫連接的目的.而其它的導入方法與早期版本的方法基本相同，雖然也可達到導入的效果，但是這些方法不能做到快速的鏈接，因此，就不一一敘述.

同樣，在安裝UG和ANSYS時，也能做到上述無縫數據連接，方法亦大同小異.

圖8 Pro/E齒輪三維零件模型Fig.8 Three dimensional Pro/E gear part model

圖9 ANSYS導入零件模型Fig.9 ANSYS import part model

3 結論

通過對常用CAD軟件與CAE軟件接口問題的回顧，對CAXA 2009以及Pro/E wildfire 5.0與ANSYS 12.0的圖形數據導入問題的深入探討，許多看似復雜的CAD與CAE軟件之間的圖形數據接口問題在仔細研究之后大多都能夠得到相對滿意的解決，為工程設計及產品的結構力學性能以及優化結構性能分析找到最優的解決方案，并且隨著計算機技術和相關軟件的研制與開發，未來的CAD軟件與CAE軟件的接口問題會變得更為簡單，操作也會更為便利.

［1］ 小颯工作室.最新經典ANSYS及WORKBENCH教程［M］.北京:電子工業出版社，2004:1.

［2］ 鮑旭清，陳劍，王建楠，等.常用CAD與CAE軟件及其數據接口技術［J］.機械設計與制造，2008 (8):82－84.

［3］ 王進.AutoCAD與ANSYS線面接口問題研究［J］.煤礦機電，2009(6):4－6.

［4］ 郝鐘雄.ANSYS與CAD軟件的接口問題研究［J］.機械設計與制造，2007(7):75－76.

［5］ 張曉鵬.淺談計算機軟件數據接口的幾種實現思路和應用［J］.科技情報開發與經濟，2010(18): 127－128.

［6］ 李雪麗，田廣才，田報.ANSYS與其它軟件接口的研究與開發［J］.精密制造與自動化，2007(2):48－50.

［7］ 鄧凡平.ANSYS10.0有限元分析自學手冊［M］.北京:人民郵電出版社，2007:2－3.

［8］ 季有昌，程凱，鞠浩民，等.復雜結構Pro/E模型導入ANSYS時問題的研究［J］.機械制造與自動化，2009，38(3):71－74.