基于模板的港口碼頭三維結構CAD/CAE集成技術

熊勝華， 唐衛清， 何 濤

（1. 北京中科輔龍計算機技術股份有限公司，北京 100085；2. 中國科學院計算技術研究所，北京 100190）

港口碼頭是提供船舶進出和停泊、貨物的堆放、裝載及卸載、車輛作業、旅客進出等功效的運輸場地，在港口碼頭設計過程中，主要包含結構 CAD（計算機輔助設計，Computer Aided Design）設計、結構 CAE（計算機輔助工程，Computer Aided Engineering）分析等。隨著計算機技術的發展，現今，結構CAD設計主要采用通用CAD軟件（如AutoCAD等）或專業碼頭設計軟件（如高樁板梁式碼頭CAD等）進行結構設計，結構 CAE分析主要采用專業平面計算程序或通用CAE軟件（如ANSYS等）進行結構分析。兩項工作均獨立完成，在CAD設計模型與CAE分析模型之間沒有建立必然的聯系，且CAE分析結果須設計人員進行手動導出并比較，自動化程度低。這些因素的存在，嚴重影響了港口碼頭設計效率，且在進行結構 CAE分析時，CAE分析模型的質量受設計人員的經驗影響較大，因此，增加了設計人員設計的難度，易產生設計上的錯誤。如何解決上述問題，有效地提高港口碼頭設計效率與質量，成為港口行業急需解決的重點問題之一。

CAD/CAE集成技術旨在提高 CAD建模與CAE分析的效率，提高行業的整體設計性能，滿足行業設計的需要。因此，通過CAD/CAE集成技術的研究，可以有效地解決港口碼頭在 CAD設計、CAE分析時兩者獨立工作、缺少關聯關系、自動化程度低、設計效率低、CAE分析難度大、易產生設計錯誤等問題。

CAD/CAE集成技術是當今計算機輔助領域中主要研究熱點之一[1-3]。研究內容分為以下 4類：

1） CAD軟件與CAE軟件的數據共享：利用CAD軟件及CAE軟件的二次開發技術，分別建立CAD模塊和CAE模塊，同時采用標準數據交換文件、文本文件或數據庫等數據共享方式實現 CAD/CAE的集成。如：Ledermann等[4]在飛行器概念設計階段使用 VBScript語言讀出CATIA的幾何模型數據，并調用ANSYS程序進行有限元分析與優化；田靜云等[5]在 Pro/E平臺上建立齒輪的參數化模型，并調用ABAQUS程序進行模型分析等。該類集成方式具有集成簡單、建模方便等優點，但存在一些不足：采用標準數據交換文件時由于CAD軟件及CAE軟件對標準的支持程度不同，易出現數據丟失、冗余等問題；采用文本文件或數據庫等方式針對性較強，缺少靈活性，且受限于CAD軟件與CAE軟件的二次開發功能。

2） 在CAE軟件上實現CAD與CAE的集成：依賴于 CAE平臺（如 ANSYS、ABAQUS等）的參數化建模接口，建立特定模型，生成參數化建模腳本，并進行力學性能分析。如：馬國棟等人[6]以集裝箱輪胎龍門起重機門架結構計算為例，利用VC開發語言自動生成ANSYS計算的APDL語言并調用ANSYS程序完成計算等。該類集成方式具有CAD與CAE模型一體化的優點，但存在一些不足：現有CAE平臺的CAD建模能力沒有專業的CAD軟件強大，且CAE平臺的CAD模型大部分都是實際模型的簡化處理模型，與實際工程相差較大。

3） CAD軟件上實現CAD與CAE的集成：該類集成方式采用統一的數據模型，實現 CAD與 CAE平臺的數據集成。可分為以下兩種：第一種是現有CAD軟件的CAD/CAE的統一平臺，如PTC公司的Pro/ENGINEER軟件、Siemens 公司的PLM NX軟件、達索公司的CATIA軟件等；第二種是是借助CAD軟件的二次開發，將CAD模型的幾何數據、邊界數據等內容自動轉換成CAE模型數據，同時集成現有的CAE分析模塊進行分析與計算。如：孫立鐫等[7]在HUST-CAD造型平臺的基礎上，研究了一種快速求解基于不同細節層次和抽象層次的實體模型與抽象模型并行創建的方法。該類集成方式具有數據統一、使用方便等優點，但不足之處在于：CAE功能過于簡單，如須完成復雜的有限元分析計算，則需要集成第三方的專業化CAE軟件平臺；CAD的開發缺少靈活性；系統適用范圍較窄，只能解決某個特定的應用問題等。

4） 組件式的CAD與CAE集成：基于幾何造型組件（如 ACIS、Parasolid等）和圖形顯示組件（如Hoops等），自主開發CAD軟件平臺，管理CAD幾何模型模型，以獨立CAD/CAE數據結構、附加CAE屬性、CAD/CAE共享模板、CAD/CAE集成數據庫等方式統一管理CAD/CAE模型數據，同時借助第三方CAE分析工具的二次開發，可方便地實現強大的有限元分析與計算功能。該類集成方式具有開發靈活、能滿足多數行業的需求，且借助第三方 CAE平臺可實現強大的有限元分析與計算功能等優點，但存在開發周期較長等不足之處。

為了研究港口碼頭三維結構CAD/CAE集成技術，提高 CAD/CAE的集成化程度，減少受CAD二次開發技術的限制，本文采用組件式的CAD/CAE集成，通過幾何造型、圖形顯示引擎等組件開發CAD/CAE集成系統，CAE計算核心采用第三方CAE工具進行計算。

在港口碼頭三維結構 CAD/CAE集成技術中，關鍵需要解決結構CAD幾何模型生成CAE單元模型、工程荷載CAD模型創建CAE荷載模型、CAE分析結果與CAD模型的關聯關系等問題。考慮到模板的模型獨立性、規則性、可執行性等特性，本文通過研究基于模板的港口碼頭三維結構CAD/CAE集成技術，定義截面草圖、三維實體、構件等多種CAD建模模板，定義機械草圖、荷載等多種荷載建模模板，定義 CAE分析規則實現CAD幾何模型自動生成CAE單元模型的功能，定義荷載轉換規則實現工程荷載CAD模型自動創建 CAE荷載模型的功能，定義整體模型模板建立CAE分析結果與CAD模型的多對一關系，以此實現港口碼頭三維結構 CAD/CAE集成系統，大大提高港口碼頭的設計效率，降低設計人員的設計難度，減少設計錯誤。

1 基于模板的CAD/CAE集成技術

從模板特性入手，分析港口碼頭三維結構CAD/CAE集成框架，以此定義港口碼頭三維結構CAD/CAE集成相關的模板對象，定義模板規則，解決港口碼頭三維結構CAD/CAE集成中結構建模、工程荷載建模、結構CAD幾何模型生成CAE單元模型、工程荷載CAD模型創建CAE荷載模型、CAE分析結果與CAD模型的關聯關系等問題。

1.1 模板特性

在港口碼頭三維結構CAD/CAE集成中，主要存在自動建立CAE單元模型、自動建立CAE荷載模型、自動處理分析結果并建立與CAD模型之間的聯系等3方面問題。在利用模板解決上述問題時，應考慮以下6個特性：

1） 模型獨立性：模板技術在解決港口碼頭三維結構CAD/CAE集成中的自動建立CAE單元模型、自動建立 CAE荷載模型等問題時，涉及創建結構CAD模型、CAE單元模型、荷載CAD模型、CAE荷載模型等多種模型，因此，模板定義應是模型獨立的。

2） 規則性：模板定義應支持規則的定義，通過規則可以定義自動建立 CAE單元模型、自動建立CAE荷載模型等執行方式。

3） 可執行性：在模板定義的對象生成時，模板所定義的規則應是可解析并自動執行的，并生成預計的結果。

4） 組合性：在定義港口碼頭三維結構CAD/CAE集成模板時，考慮到碼頭結構、碼頭荷載等內容多層次問題，模板應能支持組合特性，即通過多種基本模板定義復合模板。

5） 非交叉性：在模板的定義過程中不能出現與其它模板交叉引用的問題，以此避免模板執行過程中的死循環問題。

6） 繼承性：在定義港口碼頭三維結構CAD/CAE集成模板時，由于碼頭結構、碼頭荷載等內容中同時存在基本特性描述的對象與具體特性描述的對象，因此，在定義模板對象時應考慮模板之間的繼承性，定義特例模板繼承自基本模板，同時描述具體特性。

1.2 模板定義分析

在港口碼頭CAD模型中，包含結構CAD模型、荷載CAD模型、工況組合等內容。

在結構CAD模型中，定義構件模板描述具體的構件對象，定義特征模板描述構件上的孔、洞特征對象，定義三維實體模板描述構件的現澆或預制三維實體塊，定義截面草圖模板描述三維實體塊的掃掠截面信息，定義幾何圖元模板描述構件截面的幾何元素信息，如圖1所示。

圖1 結構CAD/CAE集成框架

在荷載CAD模型中，定義荷載模板描述工程荷載對象；由于工程荷載對象又可分為機械荷載與非機械荷載兩類，其中，機械荷載可由單輪輪胎、雙輪輪胎、支腿、車鉤等基本機械元素通過定位信息組裝而成，因此，定義機械草圖模板描述機械工程荷載信息，定義機械圖元模板描述單輪輪胎、雙輪輪胎、支腿、車鉤等基本機械元素。

工況組合是港口碼頭結構 CAE分析的基本荷載組合單元，定義工況組合模板描述 CAE分析時的荷載組合信息。

在港口碼頭CAE模型中，包含CAE單元模型、CAE荷載模型、構件分析結果等內容。

CAE單元模型由結構 CAD模型根據 CAE分析規則自動轉換而成，轉換流程如圖2所示。

CAE荷載模型由荷載CAD模型根據荷載轉換規則自動轉換而成，轉換流程如圖3所示。

由于構件分析結果須對應具體構件CAD模型，分析結果內容可由網格數據、位移數據、應力數據、彎矩數據、軸力數據、剪力數據等組成，因此，本文定義構件結果模板來描述構件分析結果數據信息。

在港口碼頭結構CAD/CAE集成框架中，由于1個CAD模型可對應多個CAE模型，因此，本文定義整體模型模板來描述CAD模型與CAE模型的一對多的關聯關系。

在港口碼頭結構CAD/CAE集成框架中，除了定義 CAE分析規則、荷載轉換規則之外，本文還須定義解決定位、創建、編輯等問題的規則，具體包括解決模塊對象定位問題的定位規則、解決模塊對象創建、編輯等交互操作問題的造型規則、解決截面草圖模板對象與機械草圖模板對象參數化求解問題的求解規則、解決定義整體模型模板對象的 CAE分析參數及邊界條件等問題的模型簡化規則、解決構件模板對象空間碰撞問題的碰撞規則、解決特征操作問題的特征規則等。

圖2 CAE單元模型創建流程圖

圖3 CAE荷載模型創建流程圖

1.3 模板對象

模板對象，如圖4所示。

圖4 模板對象

1） 幾何圖元模板：定義直線、矩形、圓等幾何圖元的建模、交互等操作。

2） 機械圖元模板：定義單雙輪輪胎、支腿、車鉤等機械圖元的建模、交互等操作。

3） 截面草圖模板：定義草圖截面的建模、定位及求解等操作。

4） 機械草圖模板：定義草圖機械的建模、定位及求解等操作。

5） 荷載模板：定義工程荷載的建模、定位、交互及荷載轉換等操作。

6） 工況組合模板：定義港口碼頭三維結構CAE分析時工況組合定義、管理等操作。

7） 三維實體模板：定義實體模型的建模、定位、交互及特征等操作。

8） 特征模板：定義特征建模、定位及交互等操作。

9） 構件模板：定義構件建模、定位、交互及管理構件分析結果等操作。

10） 構件結果模板：定義查詢及管理構件分析結果等操作。

11） 整體模型模板：定義管理模型、自動生成CAE模型、及管理分析結果等操作。

1.4 模板規則

針對模板對象的解釋與操作問題，本文定義了多種模板規則，包括定位規則、造型規則、求解規則、CAE分析規則、模型簡化規則、荷載轉換規則、碰撞規則及特征規則等，其中：定位規則解決模板對象的定位問題；造型規則解決模板對象的創建、編輯等交互操作問題；求解規則解決截面草圖模板對象與機械草圖模板對象參數化求解問題；CAE分析規則解決構件CAD模型向 CAE單元模型的轉換問題；模型簡化規則解決整體模型模板對象的 CAE分析參數及邊界條件等內容的定義問題；荷載轉換規則解決荷載CAD模型向CAE荷載模型的轉換問題；碰撞規則解決構件模板對象空間碰撞問題；特征規則解決構件模板對象特征操作問題。

2 港口碼頭三維結構 CAD/CAE集成系統

上述的集成系統框架，如圖5所示。

圖5 基于模板的CAD/CAE集成系統框架

1） 二維草圖模塊解決截面草圖模板對象、機械草圖模板對象的生成問題。

2） CAD建模模塊解決港口碼頭結構構件CAD建模中的創建、交互等問題。

3） 荷載建模模塊解決港口碼頭工程荷載的創建、交互等問題。

4） CAE建模模塊解決結構CAE分析模型的分類計算及自動生成等問題。

5） CAE結果分析模塊解決CAE分析結果與CAD模型的關聯關系建立問題。

3 結 論

本文研究了基于模板的港口碼頭三維結構CAD/CAE集成技術，定義了截面草圖、三維實體、構件等多種CAD建模模板，定義了機械草圖、荷載等多種荷載建模模板，定義了 CAE分析規則實現CAD幾何模型自動生成CAE單元模型的功能，定義了荷載轉換規則實現工程荷載CAD模型自動創建CAE荷載模型的功能，定義了整體模型模板建立CAE分析結果與CAD模型的多對一關系，以此實現了港口碼頭三維結構CAD/CAE集成系統，大大提高了港口碼頭的設計效率，降低了設計人員的設計難度，減少了設計錯誤。

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