一種CAD和CAE數據集成方式研究

尹作重，李江華，李晨希，杜 峻

（1. 北京機械工業自動化研究所，北京 100120；2. 中國水利水電科學研究院，北京 100038；3. 水利部 南京水利水文自動化研究所，南京 210012）

一種CAD和CAE數據集成方式研究

尹作重1，李江華2，李晨希3，杜 峻1

（1. 北京機械工業自動化研究所，北京 100120；2. 中國水利水電科學研究院，北京 100038；3. 水利部 南京水利水文自動化研究所，南京 210012）

通過對CAD/CAE集成問題展開研究, 本文介紹了一種CAD/CAE數據集成框架。詳細介紹了數據轉化模塊結構設計和幾何信息模型，并進一步提出了數據集成的主要流程，對CAD和CAE的數據集成的開發提供了參考。

CAD；CAE；數據集成

0 引言

CAD（Computer Aided Design）計算機輔助設計是設計人員利用計算機及其圖形設備為工具，對產品和工程進行設計、制圖、計算和編寫技術文檔等設計工作的總稱[1]，CAE（Computer Aided Engineering）計算機輔助工程是利用計算機作為輔助求解工具，對復雜工程和產品在結構強度、剛度、動力響應等方面進行性能和安全可靠性仿真分析的活動[2]。經過不斷的發展和完善，CAD和CAE技術已日趨成熟，但CAD和CAE系統還是處于相對的獨立狀態[3]。 CAD和CAE系統的集成對于提高制造廠商的新產品設計能力和水平、縮短新產品的設計和制造周期等方面提供強有力的支撐作用。

1 主要的CAD和CAE集成方式

經過多年來 CAD和CAE集成技術的發展應用，形成了若干種CAD和CAE集成方法，并在各領域得到了不同程度的應用，但仍距預期CAD和CAE的無縫融合目標存在較大差距[4]。

1）利用CAD與CAE等商業軟件提供的二次開發工具，完成CAD和CAE的集成工作，比如AutoCAD提供Development System（ADS），I-DEAS 提供Open Architectures（OA），ANSYS提供APDL模塊等，通過一系列的二次開發工具，開發人員可以完成CAD的幾何信息模型到CAE的有限元模型的轉換。

2）利用CAD與CAE等大型商業軟件的提供的開放接口，完成CAD和CAE的集成工作，比如Dassault公司與MSC公司結成聯盟、Autodesk公司與Ansys公司形成聯盟，雙方通過開放直接數據接口，實現了CAD和CAE數據的無縫集成。

3）通過標準格式轉換完成CAD和CAE的集成，可以通過中性文件作為交換機制，來完成CAD和CAE軟件的集成，中間標準描述文件是重要的研究方向，產生了IGES、STL、STEP等一系列中性格式。

2 通用CAD/CAE數據集成方式

集成開發人員利用一種與系統無關的標準數據格式文件來實現CAD和CAE系統之間的數據交換，這是一種弱耦合的集成方式，集成開發人員只需關注CAD和CAE系統接口程序的開發和設計，具有較大的自主性和獨立性，同時國際上出現了IGES、SET、PDES和STEP等多種中性文件標準，各大CAD和CAE的商業軟件商紛紛支持中性文件，因此通過標準格式文件來完成 CAD/CAE集成具有較強的實用性。

1）通用CAD/CAE數據集成框架

如圖1所示，通用CAD/CAE數據集成框架主要包括CAD模塊生成CAD格式的數據文件，數據文件經過數據轉換模塊，再根據實際需求加上網格劃分操作和參數設置操作，生成CAE格式數據文件，最后由CAE模塊讀取分析。

2）數據轉化模塊結構

圖1 通用CAD/CAE數據集成框架

圖2 數據轉化模塊結構

如圖2所示，信息處理模塊的主要結構包括信息提取模塊、幾何信息過濾模塊、信息轉換重構模塊和文件數據生成模塊。信息提取模塊對CAD格式的數據文件進行幾何信息提取，幾何信息的過濾主要是對信息提取模塊提取出來的幾何信息進行冗余檢查并對冗余信息進行處理，信息轉換重構是對幾何信息進行轉換和重構，文件數據生成模塊將幾何信息加上必要的網格信息和參數信息生成CAE系統所需的數據文件。

3）幾何信息數據模型

信息提取模塊是對來自CAD系統的標準文件進行所需信息的提取，其中信息提取模塊的重點是CAD數據文件幾何信息模型的分析和建模工作，在IGES、STL、STEP等標準文件中，幾何信息模型的特征各不相同，廠商可以定義專屬格式的幾何信息模型。STEP標準的AP203格式的幾何信息數據模型如圖3所示，零件幾何信息的表達是一個自上而下、層層細化的過程[5]。形狀表示法關系實體是整個樹結構的根結點，表示最后形成的具體幾何實體，體層的下面是基于面的封閉殼體，封閉殼實體是數據模型的核心部分，由互相關聯的面組成，可以界定實體的外部或內部區域，面層包括許多個面邊界、初等曲面和方向，每個面邊界都是有自由曲面和邊界環構成的。

4）通用CAD/CAE數據集成的主要流程：

（1）讀取CAD數據文件；

（2）頭部分信息的提取；

（3）生成頭部分實體實例；

（4）將頭實體實例加入到鏈表中；

（5）判斷頭信息段是否結束，沒有結束則執行（2）；

（6）數據部分信息提取；

（7）生成數據部分實體實例節點；

（8）將實體實例加入到對應的數據結構中；

圖3 幾何信息數據模型

（9）判斷數據部分是否結束，沒有結束則執行（6）；

（10）檢查幾何信息冗余；

（11）幾何信息重構；

（12）加入參數信息和網格信息；

（13）生成CAE數據文件；

（14）轉換結束。

3 結論

在產品設計研發過程中，CAD系統幾何造型功能出色，CAE系統分析計算功能優秀， CAD和CAE的集成方式使得將這兩大系統有機地結合起來，從而最大化的發揮CAD和CAE的功能，本文介紹了一種通用CAD/CAE數據集成框架，詳細介紹了數據轉化模塊結構設計和幾何信息模型，并進一步提出了數據集成的主要流程，對CAD和CAE的數據集成的開發提供了參考作用。

[1] 譚建榮,陸國棟,等.CAD方法與技術[M].北京：科學出版社.2005.

[2] 王豐元,周群輝,馬浩,王愛兵.CAD/CAE集成系統的研究.設計與研究[J].2008(7)：47-49.

[3] 嚴潮紅.基于仿真的CAD/CAE幾何數據傳遞研究[D].南京航空航天大學.2005：38.

[4] 王軍,李亮,孫軍,等.基于STEP-NC數控程序生成方法研究[J].沈陽建筑大學學報：自然科學版,2006,22(4)：681-685.

[5] 《ISO-10303-203 Industrial Automation and Integration--Product Data Representation and Exchange--Part203,Application protocol： Configuration controlled 3D designs of mechanical parts and assemblies》.

A CAD and CAE data integration approach

YIN Zuo-zhong1， LI Jiang-hua2，LI Chen-xi3，DU Jun1

TH164

A

1009-0134(2013)06(上)-0008-02

10.3969/j.issn.1009-0134.2013.06(上).03

2013-04-05

863計劃項目（2013AA040501）

尹作重（1976 -），男，山東聊城人，碩士，研究方向為企業信息化。