基于AutoCAD有限元數(shù)值結(jié)果圖形顯示軟件開發(fā)

時間:2010-10-15 10:36:34 來源:未知

計算機(jī)輔助設(shè)計(CAD)是計算機(jī)應(yīng)用中一個非常重要的部分.微機(jī)CAD工作已在各個領(lǐng)域得到廣泛的開展和應(yīng)用。計算機(jī)輔助設(shè)計是把有限元結(jié)構(gòu)分析、幾何造型、優(yōu)化設(shè)計和計算機(jī)繪圖等各種功能結(jié)合起來，利用交互式計算機(jī)系統(tǒng)來從事工程設(shè)計或產(chǎn)品設(shè)計，與人工設(shè)計方法相比，它更快、更好、更準(zhǔn)確.近年來CAD在國內(nèi)外有很大發(fā)展，并逐漸為各個工程技術(shù)部門所接受并收到了良好的效果.綜上所述，對于一個有限元結(jié)構(gòu)分析程序來說，不能沒有圖形功能，其前后處理的能力如何，在很大程度上反映了有限元程序的水平.只有那些使用方便，前后處理能力強(qiáng)，圖形功能好的有限元程序才會得到廣泛的推廣應(yīng)用.

　　AutoCAD軟件自帶的DXF文件，即圖形交換文件，是連接文字與圖形的接口，通過它可將以數(shù)字形式顯示的結(jié)果轉(zhuǎn)變成圖像的形式顯示.所謂“圖形交換文件”是ASCII碼文體文件，后綴為.dxf，且文件格式有一定的規(guī)定.

　　1 FORTRAN與DXF的連接

　　DXF文件內(nèi)部存儲的全部信息是以ASCII碼文體形式存儲的，是可以編輯的.DXF文件有其固定格式，因此，只要計算結(jié)果按照它的格式寫入文件內(nèi)，即可生成計算結(jié)果的圖形顯示.這樣用高級語言編寫的程序利用AutoCAD這個工具，就把以數(shù)字形式顯示的結(jié)果以圖形的方式顯示了出來.一個完整的DXF文件由8部分組成，每個部分稱為一個段，即標(biāo)題段(HEADER)、類段(CLASSES)、表段(TABLES)、塊段(BLOCK)、實(shí)體段(ENTITIES)、對象段(OBJECTS)、THUMBNAILIMAGE段和結(jié)束段(EOF).編寫通過DXF文件與AutoCAD的通信程序似乎比實(shí)際情況要困難，將信息寫入DXF文件時，必須保持圖形的一致性，這樣AutoCAD才能找到可接受的文件.與編寫讀取DXF文件的程序相比，編寫創(chuàng)建DXF文件的程序更困難一些，DXF文件之所以能夠被用來編輯的原因之一就是該文件的有些內(nèi)容可以省略，甚至一些段也可以略去，省略的項(xiàng)按缺省值處理.

　　1)如果不設(shè)置標(biāo)題變量，就可以省略整個標(biāo)題段，從而大大減輕工作量.

　　2)如果不需要創(chuàng)建條目，就可以省略TABLES段中的任何表，如果不需要TABLES段中的任何內(nèi)容，則可以省略整個TABLES段.由于表段中的任何一張表都可以省略，因此整個表段都可以省略.如果在LTYPE表中定義了線型，則此表必須顯示在LAYER表之前.

　　3)在沒有使用塊的時候，塊段也可以省去.如果圖形中未使用任何塊定義，則可以省略BLOCKS段.如果BLOCKS段存在，則該段必須出現(xiàn)在ENTITIES段之前.

　　4)實(shí)體段是不可以省略的，本文載錄了所有的圖形信息.在表段中沒有層表或根本沒有表段的情況下，仍可以在實(shí)體段中定義層名，但無法改變各圖層的線型和顏色，采用默認(rèn)的白色直線線型.在ENTITIES段中，即使尚未在LAYER表中定義圖層名，也可以對這些圖層名進(jìn)行參照.系統(tǒng)自動使用顏色7和CONTINUOUS線型創(chuàng)建此類圖層，文件結(jié)尾處必須存在EOF項(xiàng)目.

　　2后處理圖像生成

　　在了解了DXF文件的基本組成，掌握了它的基本格式后，再將它與高級語言聯(lián)系起來就方便了.基本思路是將AutoCAD中的各個實(shí)體，例如直線、圓、文字、弧等編成獨(dú)立的子程序，然后在執(zhí)行過程中不斷地調(diào)用這些子程序，直到所有的圖元都生成完.

　　2.1變形前網(wǎng)格圖的生成

　　變形前的網(wǎng)格圖用來檢查所要計算的模型是否與實(shí)際物體一致以及網(wǎng)格的劃分是否合理.在這張圖中首先應(yīng)生成物體的輪廓線，然后是網(wǎng)格線(也可交替同時進(jìn)行，因?yàn)楝F(xiàn)在使用打印機(jī)出圖，可見即可打)，接下來是單元號和接點(diǎn)號，最后是在適當(dāng)?shù)奈恢蒙霞由衔淖终f明.當(dāng)然在生成圖形后，可以對這張圖的位置、線型、圖層、文字、字高等進(jìn)行修改和添加，直到滿意為止.

　　2.2變形圖的生成

　　變形圖體現(xiàn)了物體在受力后的變形形態(tài)，在這張圖中可以劃出物體變形前的形態(tài)，也可以直接劃出物體變形后的位置.理論上通過計算可以得到網(wǎng)格圖上各個節(jié)點(diǎn)的位移值，將各節(jié)點(diǎn)在X、Y方向上的位移值分別加到該點(diǎn)的橫縱坐標(biāo)上，此時由這些新坐標(biāo)所確定的物體各個點(diǎn)的位置連線就構(gòu)成了物體變形后的形態(tài).在實(shí)際工程中，物體的位移相對于物體的實(shí)際尺寸是很小的，這樣生成的變形圖和變形前相比并不明顯.為了使變形變得明顯，通常將物體所有節(jié)點(diǎn)的位移放大一個統(tǒng)一的倍數(shù)(稱為放大系數(shù))，把放大后的位移值再加到原節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)上，這樣變形前后的物體形態(tài)就會變得更明顯.不過，它并沒有體現(xiàn)物體的實(shí)際變形狀態(tài)，而是把實(shí)際的變形提高了放大系數(shù)倍.

　　2.3等應(yīng)力線圖的生成

　　等應(yīng)力線顧名思義就是應(yīng)力相等的點(diǎn)所連成的線.等應(yīng)力線與地圖上的等高線有著相似的含義，因此兩者在繪制上可以相互借鑒.在等應(yīng)力圖中，可以看出等應(yīng)力的分布，和應(yīng)力集中區(qū)所在的位置.應(yīng)力分布圖是有限元后處理程序中的核心內(nèi)容，不僅因?yàn)閼?yīng)力是重要的有限元結(jié)果，而且它的生成也是編程的難點(diǎn)和重點(diǎn).原因如下：

　　1)等應(yīng)力的搜索策略不同，搜索到的等應(yīng)力點(diǎn)的順序、位置不同;

　　2)在搜索過程中如何避免等應(yīng)力線的交叉，這是等應(yīng)力線圖中的核心問題;

　　3)搜索策略的好壞直接影響著應(yīng)力圖分布的情況，同時影響著程序運(yùn)行的速度.

　　本程序采用的搜索策略為把原來一個8節(jié)點(diǎn)的四邊形轉(zhuǎn)化成6個三角形，如圖1所示.把一個在8節(jié)點(diǎn)四邊形內(nèi)搜索等應(yīng)力值的問題轉(zhuǎn)化為在6個三角形內(nèi)搜索等應(yīng)力值的問題，這樣做的好處是：①搜索簡單，在三角形內(nèi)進(jìn)行搜索，出路是唯一的，涉及不到選擇搜索路徑的問題，使得搜索思路清晰、算法簡單;②不論是從外邊界開始搜索還是從單元內(nèi)邊開始搜索，永遠(yuǎn)不會交叉，避免交叉是等應(yīng)力線搜索中的一大難點(diǎn);③等應(yīng)力線的條數(shù)絕對是最全面的;④徹底消除了早期有限元后處理中存在的懸浮等應(yīng)力線問題.

　　圖1單元轉(zhuǎn)化圖

　　等應(yīng)力線的繪制是從邊界上的單元結(jié)點(diǎn)開始的，等應(yīng)力線起始點(diǎn)的選擇須滿足

　　式中： ——兩個相鄰的結(jié)構(gòu)邊界上的節(jié)點(diǎn);

　　 ——兩個節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力值;

　　 ——介于和之間的一個應(yīng)力值;

　　 ——應(yīng)力值為的兩個節(jié)點(diǎn)之間的一個點(diǎn).

　　等應(yīng)力線從起始點(diǎn)開始往里面劃，程序?qū)⒆詣訉ふ覒?yīng)力值為的結(jié)構(gòu)內(nèi)部的點(diǎn)，直到到達(dá)另一側(cè)邊界點(diǎn)，或者是形成閉合曲線.

　　3 結(jié)果

　　以鉆井工程中常見的井孑L彈塑性有限元數(shù)值分析為例，生成了計算模型的網(wǎng)格圖、計算結(jié)果的變形圖和4張等應(yīng)力圖.其中圖2是模型的網(wǎng)格圖;圖3是有限元數(shù)值分析結(jié)果的位移場分布圖形，顯示為變形后的網(wǎng)格，位移放大50倍，疊加到初始網(wǎng)格上生成的變形網(wǎng)格(虛線)與初始網(wǎng)格(實(shí)線)的比較;圖4是有限元結(jié)果的正應(yīng)力