基于MicroStation的CAE數據接口與一體化

文｜劉臻熙 王國光

目前，工程三維設計在水電水利行業(yè)已經得到了廣泛的應用。各種各樣的CAD軟件層出不窮，參數化設計已成為CAD軟件發(fā)展的一大方向。與此同時，CAE技術的飛速發(fā)展，特別是有限單元法在包括工程巖土計算、三維結構力學分析、靜力平衡、溫度場分析等領域的廣泛應用，是工程數值分析方法研究的重大突破性進展。

隨著CAD技術的日趨成熟，設計人員迫切需要一種對所做設計進行精確評價和分析的工具，借助CAE軟件來實現工程評價和分析是行之有效的方法。但CAD、CAE是相互獨立發(fā)展起來的，模型兼容性和數據互通都存在一定的限制。目前CAD/CAE集成的主流方法是首先利用參數化等建模技術在CAD中快速建立三維實體模型，然后通過數據接口導入到CAE系統中進行有限元分析，分析結果即時反饋給工程設計人員，指導、修改、優(yōu)化設計方案。然而在實際操作中由 CAD 模型導入 CAE 系統中往往會出現信息丟失的情況，直接用標準中間格式轉換模型會存在各種各樣的問題。因此，根據實際應用情況開發(fā)CAD系統與CAE系統的模型數據接口是實現CAD/CAE集成分析技術的關鍵所在。

MicroStation是一個可互操作、基于參數化設計技術的大型三維CAD軟件，極大地方便了模型的設計和修改，顯著提高了設計的效率和質量。在CAD端對CAE分析結果的后處理和展示是CADCAE一體化集成展示的重點。

MicroStation與ANSYS數據接口

ANSYS 軟件是融結構、流體、電場、磁場、聲場分析于一體的大型通用有限元分析軟件。它廣泛應用于土木、機械、機電、航空等領域。在結構分析中，它能進行靜力、模態(tài)、動力、幾何與材料非線性分析，可模擬各種連接關系及邊界條件，并且能對結構設計目標進行優(yōu)化設計。

在應用ANSYS 進行有限元分析中，有限元建模耗費了工程技術人員大量的時間與精力。雖然ANSYS帶有自建模功能，但是這個建模功能非常有限，只能處理一些相對簡單的模型。因此，MicroStation與ANSYS二者的結合使用，充分利用MicroStation快速準確建模的特長，就可以很好地解決ANSYS 建模能力的不足。研究ANSYS與CAD 造型軟件的快速方便的接口，能有效提高建模速度，提高模型質量，簡化分析工作，對工程技術人員來說意義十分重大。

ANSYS 最值得推崇的是其可編程特性，它配有命令組與APDL語言，可便于用戶進行二次開發(fā)，從而擁有了與任何高級計算機語言的一個接口，使其與MicroStation之間的數據互通成為可能。MicroStation和ANSYS數據接口所涉及的功能主要包括幾何模型、材料定義、網格數據及計算結果在兩者之間的轉換。

模型數據接口

一個結構分析模型由幾何模型數據(幾何拓撲與幾何參數)、材料截面數據、荷載數據與約束數據(邊界條件)構成。幾何數據與材料截面數據描述結構的構成及定位定形; 荷載數據與約束數據描述環(huán)境對結構的作用。

幾何模型交互。ANSYS 提供了與大多數CAD 軟件進行數據共享和交換的圖形接口，ANSYS 自帶的圖形接口能識別IGES、ParaSolid、CATIA、Pro/E、UG 等標準的文件，通常使用的有IGES和ParaSolid文件。MicroStation同樣提供了很多通用標準的圖形接口，使用這些接口很簡單，只需要在建好模型之后，使用導出命令直接導出即可。對于IGES和ParaSolid文件，MicroStation能夠直接導出。

從MicroStation導入幾何模型到ANSYS中有兩個途徑：從本地選擇導入和從ProjectWise選擇導入。

圖1 幾何模型交互

在導入模型之后，為了進一步適應仿真計算的要求，避免求解分析過程耗時長、分析結果偏差大等問題，需要在ANSYS的DesignModeler模塊中進行幾何模型的簡化、修改等處理。處理完成的模型應該符合以下要求：一是去掉分析影響比較小的幾何特征，比如小孔、碎面等小特征；二是對復雜的拓撲形狀進行幾何切塊，目的是在網格劃分時形成高質量的六面體網格；三是檢查各部件的命名，不同材料需要用不同的名稱進行區(qū)分，且部件名稱不能含有空格。

材料定義模板包含材料庫定義和部件材料定義兩部分。材料庫提供了水利工程仿真中常用的材料定義的模板，支持線彈性材料、雙線性材料、混凝土材料和巖土材料四種本構類型材料的定義，每種材料都具有相應的材料參數可供設置。

定義并加載材料模板之后，需要對模型的各部件指定相應的材料類型，即從材料庫中選擇各自對應的材料。完成之后，系統自動轉換APDL文件，供下一流程調用。

圖2 材料庫定義

分析結果數據接口

在完成幾何模型導入、處理及材料定義等流程之后，即開始進行約束邊界定義、載荷定義，并對模型進行網格劃分操作。網格劃分完成之后，執(zhí)行求解分析計算并查看相關計算結果。以上所有流程均在ANSYS中完成。

圖3 CAE分析流程

分析結果數據主要包括文本格式的計算網格數據，用于支持MicroStation的三維有限元網格展示；文本格式的網格節(jié)點分析結果數據，用于在MiroStation的專題彩色云圖等展示。

網格數據文件包括有限元網格的節(jié)點數據、單元拓撲數據；分析結果文件包括網格節(jié)點的分析結果，主要有x/y/z三向的正應力、正應變及位移、xy/xz/yz三向剪應力剪應變、1/2/3三個主應力和總位移。

圖4 分析結果文件

文件生成完畢后，自動調用打包程序進行打包并上傳至ProjectWise。至此完成MicroStation與ANSYS的接口數據互通過程。

MicroStation的CAE集成展示

通過MicroStation與CAE軟件的數據接口開發(fā)，能夠從CAE軟件中提取分網、計算分析結果等數據，并為在MicroStation中集成顯示CAE分析數據提供技術支撐。以MicroStation集成顯示ANSYS分析數據為例，解決方案從數據導入、數據存儲、有限元表達、分析結果云圖顯示等方面展開。

在MicroStation中，有限元對象并沒有特定的元素類型。Mesh元素類型只能夠表達有限元網格面片或二維單元構成的有限元對象，但無法表達有限元網格的三維立體單元(四面體、六面體等) 。MicroStation的106元素是自定義元素類型，通過它可以擴展定義任何復雜元素類型。基于該類型創(chuàng)建的有限元特定類型能夠解決有限元網格表達的問題。

圖5 有限元對象類型

MicroStation/ANSYS接口最終輸出文件包括網格模型文件(.cdb)和分析結果文件(.xml)，cdb文件是有限元網格模型文件，文件中有網格的節(jié)點、單元拓撲、單元類型等數據信息，xml文件是結果文件，主要包括分析結果類型和分析結果數據。MicroStation不能直接導入它們，必須將它們轉換成標準的sqlite數據（.edb）。在Sqlite edb文件中建立七張表，分別是節(jié)點數據表(NODES)、單元拓撲表(ELEMENTS)、單元類型表(ELETYPE)、網格面片表(FACETS)、表面面片表(EXTERIOR)、結果類型表(RSTTYPE)和分析結果表(RESULTS)。通過這些數據表，MicroStation能夠結合106元素無縫地表達有限元對象并存儲各類數據。

圖6 sqlite 數據表

MicroStation的有限元對象可以以網格節(jié)點和網格單元兩種不同的方式顯示。節(jié)點繪圖以點集的繪制表達網格節(jié)點；單元繪圖通過提取表面面片繪制的方式表達網格單元，對內部的單元和面片不繪制，大大提升了有限元圖形顯示效率。

圖7 有限元對象顯示

MicroStation有限元分析結果展示主要是以漸變圖、條狀圖、等值線圖等手段展示模型的CAE分析結果。

MicroStation的專題顯示功能(Thematic Display)能對模型的高程、坡度坡向、日照陰影等屬性生成彩色云圖，這些屬性都與模型的幾何特征有關。然而CAE分析的結果往往以特征值的方式存儲在網格節(jié)點或面片上，與模型的幾何特征無關。MicroStation的CAE分析結果展示技術是以基本專題顯示為基礎，通過開發(fā)拓展專題顯示的領域，使其支持基于有限元網格節(jié)點特征值的云圖展示。

分析結果展示內容主要有x/y/z三向的正應力、正應變及位移、xy/xz/yz三向剪應力剪應變、1/2/3三個主應力和總位移，顯示樣式包括光滑顯示、精確條帶顯示、等值線顯示、快速云圖顯示、等值線+快速云圖等。下圖展示了岔管模型的CAE分析結果在MicroStation中的多種方式展示。

圖8 MicroStation的CAE分析結果云圖展示

除此之外，基于MicroStation剖切工具擴展的有限元動態(tài)剖切面工具能夠對CAE分析結果動態(tài)剖切查看，通過具體剖切算法還原剖面上的模型內部分析結果。隨著剖切位置的動態(tài)變化，相應的網格內部信息也會實時計算并顯示。切面可以沿著XY平面、YZ平面、XZ平面三個方向。

圖9 動態(tài)剖切面查看內部數據

MicroStation集成展示CAE分析模型能夠使CAD的幾何模型與CAE分析模型在同平臺中一體化展示，下圖案例為某大壩分析模型與地質三維模型的一體化展示。

圖10 CADCAE一體化集成展示

軟件開發(fā)走系統集成的路線，可取得開發(fā)周期短、效率高、博采眾長的效果。選擇國際上較為成熟的通用軟件，將其本地化、專業(yè)化，并在常用軟件間建立接口，是解決工程軟件發(fā)展需要的一條捷徑。目前MicroStation與ANSYS的接口技術已趨于成熟，對于ANSYS的分析模型能夠方便地與MicroStation進行數據互通、集成展示。除此之外，Itasca公司的Flac3D、Abqus等主流CAE軟件在工程分析特別是巖土分析中應用也很廣泛，這類軟件的接口問題是基于MicroStation的CADCAE一體化下一步需要解決的重點。