1 CAD/CAE模型轉換的特點及意義

　　考察面向CAE分析的CAD模型轉換的特點和過程，可以看出，模型轉換在產品全數字化開發過程中具有以下特點：

　　(1)避免了重復建模。對于設計時所獲得的產品CAD模型，直接在此基礎上略做適于有限元分析的模型修正就可進行CAE分析，尤其對結構復雜的產品零件，可節省大量建模時間(不希望重新建模，且一般CAE軟件的建模方法和功能不及CAD軟件)。

　　(2)保證了CAE分析的可靠性。CAD模型中通常含有的產品結構、功能和制造信息等，這些信息不一定與CAE分析有關，為保證CAE過程中的分析精度及計算效率，模型轉換中對于這些信息的處理也是必要的。

　　(3)滿足CAD/CAE/CAM集成的需要。如圖1，CAD的作用是形成數字化產品;CAE是對數字化產品的性能進行分析或仿真，其目的是在產品樣機實現以前，對設計產品的性能進行全面預測和優化，以減少物理樣機的制作和試驗次數，并提高產品性能;CAM則是對產品制造進行設計，形成產品加工的工藝過程和數控代碼，并利用數控設備進行制造。CAD、CAE、CAM 3種方法和手段的集成，能夠大大提高產品的研發速度和質量。

　　圖1 CAD/CAE/CAM集成開發流程

　　2 CAD/CAE模型轉換中的處理手段

　　考慮到有限元分析中有模型計算的特點，在CAD/CAE模型轉換的過程中，主要需要進行以下幾個方面的工作。

　　2.1 CAD三維實體模型的簡化

　　盡管目前大型有限元分析軟件都提供了與CAD軟件的接口，但在多數情況下，CAD的模型往往不適合直接用于有限元分析，需要對CAD三維實體降維、對稱化以進行模型簡化及修改。

　　2.1.1 模型的降維

　　降維就是要用具有高維實體屬性的低維實體表示高維實體。降維處理的目的是在滿足分析要求的情況下，減少求解方程的個數，縮短計算時間。其中，可以用具有厚度的平面或曲面表示薄板，如在機床床身靜剛度分析中，通過用具有一定厚度的二維單元(shell單元)來模擬床身壁和床身結構中的筋板。也可用具有截面性質的直線表示一塊狹長的區域。在對圖2所示的軸類零件的撓度進行分析時，可用桿梁單元來代替具有復雜幾何特征的模型進行除維。

　　圖2 軸類零件撓度分析時的降維處理

　　降維處理主要涉及到以下幾個方面：降維特征的表示;特征降維的分析判斷;降維特征與原型特征的映射關系;特征降維的非流形性等。

　　2.1.2 對稱模型的簡化

　　在建立有限元分析模型時，對于具有幾何對稱性的物體，可以取其一部分進行分析，得到的分析結果可以推廣到整個實物模型。如圖3所示的錨具錨固性能分析。CAD模型中的特征為判別幾何對稱性提供了有利條件，可以直接從模型特征的高層語義信息對幾何形狀進行對稱性識別。例如對于光軸這個概念，從其特征定義可以知道它是幾何軸對稱的，而不需要通過檢查低層的幾何元素是否對稱來判斷整體的對稱性。對于不能從高層語義信息進行幾何對稱性判斷的情況，再從模型特征的低層次幾何信息(包括點、線、面以及特征的生成方式)進行對稱性判斷。

　　圖3 錨具分析中對稱模型的簡化

　　2.2 為減少解題規模所做的簡化

　　有限元分析的計算精確度取決于計算模型中所選用單元的質量、求解控制方程數值方法的精確度以及離散化的方式，具有需要輸入大量不同屬性的數據、解空間大，需要對解進行逐步精化和求解，以及對計算結果解釋評價的特點。這些都決定了CAE分析本身就是計算量大，求解復雜的過程，如能在模型轉換中充分考慮到為減少解題規模而采取簡化，將會大大提高求解速度和求解質量。

　　2.2.1 對稱性和反對稱性的運用

　　與對稱模型的幾何性簡化相比，這種簡化更多考慮的是約束上的對稱性及反對稱性。如圖4所示。

　　圖4 對稱性和反對稱性的運用

　　2.2.2 周期性條件的運用

　　工程中的許多構件特征具有周期性出現的特點，可根據具體分析的需要進行求解上的簡化。例如在圖5所示的葉輪分析中，可只取一個扇區進行分析。

　　圖5 12個葉輪葉片一取3001個扇區

　　2.3 除掉與分析無關的細節特征

　　刪除細節特征就是將對應力分布只產生較小局部影響的特征刪除。在有限元分析中，刪除影響較小的細節可以減少計算量和求解時間等，而不會影響到分析結果的精度。如模型中圓倒角特征的刪除。在特征造型中，可以刪除的細節都是以特征的形式表達，這就為判斷可以刪除的細節帶來方便。由于特征包括幾何信息和非幾何信息兩個方面，所以細節特征的刪除也涉及到幾何和非幾何兩個方面。非幾何細節因為不是模型的幾何定義部分，只要取消其與幾何的聯系就可將它們刪除。對于幾何細節的刪除，首先從高層的語義信息進行判斷。譬如圓角特征，系統得到這個信息，可以不再進行幾何分析，直接將圓角特征從模型中刪除;然后從低層的幾何信息進行判斷，通過幾何計算或與經驗相匹配等方法，識別出該幾何細節可以忽略掉，于是從模型中將之刪除。

　　3 CAD/CAE模型轉換的實現流程

　　首先使用用特征造型在CAD系統中建立分析對象的幾何模型。然后采用適當的網格劃分參數對該模型進行網格劃分，再將所獲得的網格數據(節點和單元)通過有限元模型接口轉換程序輸出到CAE系統中，最后在CAE系統中重構該有限元模型。通過編制模型轉換接口程序(網格劃分并獲得單元和節點信息數據)，可實現有限元模型從CAD系統到CAE系統“零失真”的轉換。

　　圖6 CAD/CAE模型轉換的實現流程

　　圖6(a)中將CAD中幾何模型導入到CAE系統中，存在數據信息的丟失和冗余，如：只有線框模型，有的只有面模型，需要重新構造面和實體。面與面之間可能產生縫隙，需要對模型進行復雜的修補，非常耗費精力。圖6(b)中，采用有限元模型轉換代替幾何模型轉換。采用這種方法，模型轉換前后不存在任何信息的丟失，可以達到100%的模型拷貝，做到真正意義上的“零失真”轉換。

　　4 模型轉換的雙向相關機制

　　為了更好地實現設計與分析的集成，需要建立支持模型轉換的雙向相關機制。所謂支持模型轉換的雙向相關機制就是指在CAD模型向CAE模型的轉換過程中和CAE結果向CAD模型的反饋過程中起控制和影響作用的方法和因素。建立支持模型轉換的雙向相關機制需要應用以下4個方面的技術：

　　(1) 面向對象的建模技術

　　面向對象技術是當前廣泛采用的一種描述客觀實體的先進建模技術，它通過類(class)、對象(object)、繼承性(inheritance)、封裝性(encapsulalion)、多態性(polymorphism)，消息(message)傳遞機制等手段很好地建立起了對客觀實體的描述模型。采用面向對象技術實現特征造型與有限元分析的集成，不但能有效地利用多種手段描述集成過程和管理集成過程，同時在現有的軟件技術上也便于程序實現。采用面向對象技術實現有限元分析的重構。而現有的CAD造型系統正逐步使用面向對象技術組織系統、管理系統并進行系統設計和開發。因此，面向對象建模技術是實現模型轉換雙向相關機制建立的有利手段。

　　(2)支持CAD模型和CAE模型的統一工程數據庫

　　產品的設計是一個逐步求精的過程，所以“設計一分析一再設計一再分析”是一個反復的過程。在這個反復過程中，設計的修改就必須牽動分析模型的修改，分析模型的修改也應該牽動設計的修改，設計和分析之間數據的傳輸和變動十分巨大，由此將CAD模型數據和CAE模型數據放置在一個統一的工程數據庫中十分重要，一是可以減少數據的冗余量和因數據轉換而帶來的誤差，二是對統一的數據庫進行操作可以減輕程序的開發工作量(包括系統開發和二次開發)，提高程序運行的效率。

　　(3)CAD模型和CAE模型映射機制的建立

　　為了提高設計與分析的自動化，減輕工作人員的手工勞動量，必須建立CAD模型向CAE模型的自動轉換功能以及分析結果向設計的自動反饋功能。在CAD模型向CAE模型的自動轉換過程中，應該建立以下幾項功能：基于特征的有限元網格自動劃分功能，基于特征的分析模型簡化功能，基于特征的載荷與邊界條件處理功能，基于特征的問題自定義功能。在分析結果向設計的自動反饋過程中，不但要具備圖形顯示分析過程的功能，還應該在此基礎上建立自動評價體系，并將評價的結果輸入到設計模塊中。設計與分析映射是建立模型轉換響應機制的核心。

　　(4)基于人工智能的推理技術

　　在實現上述的映射機制過程中，人工智能技術十分重要，沒有人工智能技術的支持不可能建立起一個滿意的自動化映射機制，人工智能技術在映射過程中起到控制、評價和決策的作用。人工智能技術包括神經網絡技術、專家系統、知識推理技術、模糊推理技術等一系列先進技術，只有充分運用這些先進的控制、決策、評價技術，模型轉換的雙向相關機制才能靈活地運作起來，否則就會陷于呆板和遲滯。