（微电子学与固体电子学专业论文）mems工艺模拟和有限元软件接口研究.pdf

摘要 通过大量重复性实验寻求m e m s 器件或结构的最佳工艺参数不仅代价昂贵、周期长、不确定因素 多，而且难以对工艺的机理准确理解。m e m s 工艺模拟很好地弥补了实验的不足，同时也方便设计者对 设计的审查与改进。提高了设计效率。m e m s 工艺模拟是为了在实际加工前预测m e m s 器件的实际结 构，尤其是非理想边界，例如边缘，拐角，沟槽形貌等，工艺模拟的结果应该能够正确表现经过工艺加 工后m e m s 器件的真实形状。 但是，目前在m e m sc a d 及其器件性能分析方面存在着一个很大的缺憾是：m e m s 工艺模拟的结 果主要被用于观察实际加工后器件形貌并获取工艺设计参数，尚不能对实际器件的性能进行分析。器件 性能常采用有限元分析软件，如a n s y s ，进行分析。但是，有限元分析软件只有在预先知道模型参数 的情况下，才能在有限元里进行建模，进而进行仿真和分析。重要的问题是，因为加工工艺和过程的影 响。所得到的结果往往是不规则的，无法直接在有限元软件中建模，更无法对其进行仿真。 本论文的主要工作是设计了工艺模拟软件与有限元分析软件的接口，从而实现了从工艺模拟到有限 元分析的无缝对接。通过a p d l 接口，工艺模拟的结果可以直接在有限元软件中进行分析。 使用a n s y s 进行分析必须通过构建( 三维) 几何模型，虽然其本身附带( 三维) 建模模块但其建 模能力与其他三维造型软件如p r o e n g i n e e r 、u g 和c a t i a 等相比，还是有一定的差距。而且对于构 建复杂的几何模型，在a n s y s 当中很难完成。为此，我们设计了另一个软件接口i g e s ，使之可以在多 种c a i x a u t o c a d , u g 等) 软件中进行建模，这样可以减少建模的周期，提高建模效率，这对了解实际 器件的性能有较大的帮助。 论文首先介绍了各种数据接口的知识，比较了各接口的优缺点，最终选择了a p d l 接口和i g e s 接 口作为研究对象；编程实现了数据接口转换的程序；在分析了目前关于( 曲线) 边界轮廓提取的各种方 法后，引进了最大圈算法，解决了工艺模拟结果在有限元软件中的模型重构问题。最后以多个实例展示 了所设计的软件接口的应用，结果表明所设计的软件接口能很好的实现了工艺模拟软件和有限元软件的 对接，这对实现m e m sc a d 体系化具有重要的促进作用。 关键词：m e m s 工艺模拟，有限元分析，软件接口，c a d 体系化 a b s t r a c t al a r g en u m b e ro f r e p e t i t i v ee x p e r i m e n t st of i n dt h eb e s tp r o c e s sp a r a m e t e r s0 f m e m sd e v i c eo rs t r u c t u r e , n o to n l yl o n ga n dc o s t l y m a n yu n c e r t a i n t i e sa n dd i f f i c u l tt op r o c e s sa l la c c u r a t eu n d e r s t a n d i n go ft h e m e c h a n i s m m e m sp r o c e s ss i m u l a t i o ni sag o o dw a yt om a k eu pf 0 rt h ei n a d e q u a c yo ft h ee x p e r i m e n t , b u t a l s of a c i l i t a t et h ed e s i g no ft h ed e s i g n e rt or e v i e wa n di m p r o v e p r o c e s ss i m u l a t i o nf o rp r e d i c t i o ni nt h ea c t u a l p r o c e s s i n gb e f o r et h ea c t u a ls t r u c t u r eo fm e m sd e v i c e s p a r t i c u l a r l yn o n i d e a lb o u n d a r i e s 。s u c ha st h ee d g eo f t h ec o m e r , t r e n c hm o r p h o l o g y , t h er e s u l t so fp r o c e s ss i m u l a t i o ns h o u l db ea b l et or i g h ta f t e rt h ep e r f o r m a n c e0 f m e m sd e v i c e sa f t e rp r o c e s s i n gt h er e a ls h a p e s op r o c e s ss i m u l a t i o ns o f t w a r eh a v eb e c o m eab d d g eb e t w e e n h o w e v e r , o n eb i gf l a wo fp r o c e s ss i m u l a t i o ns o f t w a r ei st h a t ：i to n l ys h o w st h er e s u l t so fp r o c e s s s i m u l a t i o n , b u tn o tt h ea c t u a ld e v i c ep e r f o r m a n c ea n a l y s i s t h e r e f o r e t h ea c t u a lp e r f o r m a n c eo ft h ed e v i c e m u s tb ec a r r i e do u tt h r o u g hat h i r dp a r t ya n a l y s i ss o f t w a r e s u c ha sa n s y so rc o v e n t o r i na d d i t i o n , t h e r e i saf i n i t ee l e m e n ts o f t w a r eb i g g e s td r a w b a c k si st h a ti tc a no n l yk n o wi na d v a n c et h ec a s eo ft h em o d e l p a r a m e t e r sc a nb ec a r r i e do u ti nt h ef i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o na n da n a l y s i s t h ea c t u a ls i t u a t i o ni st h a tt h e r e s u l t sa r eo f t e ni r r e g u l a ra n d c a nn o tb ed i r e c t l ys i m u l a t e di nt h ef i n i t ee l e m e n ts o f t w a r e t h em a i nw o r ko ft h i st h e s i si st od e s i g nap r o c e s ss i m u l a t i o ns o f t w a r ea n df i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r e i n t e r f a c e ，i no r d e rt oa c h i e v ef r o mt h ep r o c e s ss i m u l a t i o nt ot h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i so fas e a m l e s s c o n n e c t i o n t h r o u g ht h i si n t e r f a c e , t h er e s u l t so fp r o c e s ss i m u l a t i o nc a nb ed i r e c t l ya n a l y s e di nt h ef i n i t e e l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r e a n dm o r ev a l u a b l e ，w ew i l lp r o m o t et h ei n t e r f a c et oe n a b l eaw i d er a n g eo fc a ds o f t w a r e ( s u c ha sa u t o c a d ，u g ) i nm o d e l i n ga n ds i m u l a t i o n , w h i c hp r o v i d eav e r yi m p o r t a n th e l pt ok n o wt h ep e r f o r m a n c eo ft h e a c t u a ld e v i c e a b o v ea l l ，t h i sw o r kw i l lh e l pp r o c e s sa n dd e s i g ne n g i n e e r st op r e d i c tt h ee f f e c t so fr e a lw o r l d f i r s to fa l l ，t h et h e s i si n t r o d u c e t h ek n o w l e d g eo fv a r i o u sd a t ai n t e r f a c e s ，p r o g r a mi n t e r f a c ei m p l e m e n t a t i o n d a t ac o n v e r s i o np r o c e s s ；e x p l a i na b o u tt h ec u r r e n t ( c u r v e ) b o u n d a r yc o n t o u re x t r a c t i o nm e t h o d s ，a n d i n t r o d u c e dt h el a r g e s tc i r c l ea l g o r i t h m , s oa st os o l v et h ep r o c e s ss i m u l a t i o nr e s u l t sa tf i n i t ee l e m e n ts o f t w a r e p r o b l e mi nt h em o d e lr e c o n s t r u c t i o n f i n a l l y , t h ep r o m o t i o no ft h es o f t w a r ei n t e r f a c et oaw i d ev a r i e t yo f c i r c u m s t a n c e sc a nb ea p p l i e d k e y w o r d s ：m e m sp r o c e s ss i m u l a t i o n , f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ，s o f t w a r ei n t e r f a c e , c a ds y s t e m 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了 谢意。 研究生签名：氲堑墨一日期：纽递：篁：2 上 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复 印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和 纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办 理。 研究生签名：暂盔鱼妻导师签名： 第一章绪论 第一章绪论 m e m s ( m i c r oe l e c t r i c m e c h a n i c a ls y s t e m ，微电子机械系统) 技术作为微电子学与微机械学相互融 合的产物，借助于当代先进的大规模集成电路制造工艺，将多种光、机、电功能器件集成于一体，真正 实现了传统意义上的光机电一体化、微型化、数字化和智能化，大大扩展了微电子技术的应用领域，实 现了电子技术的新飞越，在多个领域都显示出广阔的应用前景。而事实上，随着机械、光、磁、声、流 体、化学、生物等各物理域m e m s 器件研究的日益深入，m e m s 产品已经逐渐进入消费电子、汽车、 通信、生物医疗、航天、国防等各大应用领域，市场份额逐年递增，新发明、应用不断涌现，成为继微 电子技术之后又一门具有强大渗透和革新能力的新兴技术。 1 1m e m sc a d 为了适应m e m s 科研开发和产业化的快速发展，m e m sc a d t l 】( 计算机辅助设计) 的需求日益显 现。但和成熟的i cc a d l z j ( i n t e g r a t e dc i r c u i tc o m p u t e ra i d e dd e s i g n ) 相比，m e m s 的设计是非常复杂 而艰难的。因为m e m s 涉及到了多个学科多个领域，需要具备很宽的基础知识，m e m s 所涉及的微观 领域中的许多规律和现象还不为人们所知，并且微机械种类繁多，很难用统一的模式来规范设计。 m e m s 器件涉及多个能量域，设计过程也比较复杂，一般可以分为自顶向下( o p m d o w n ) 和自底向 上( b o t t o m - - u p ) 两种方式，目前研究比较多的是前者。设计者根据具体功能需求设计出产品概念模型后， 即可进行初步的系统方案设计；然后根据系统方案设计结果，先进行功能仿真，在仿真结果满足要求的 情况下进行器件的设计、仿真和优化；在器件设计完成后进行系统集成，然后提取功能模型进行仿真， 如果仿真结果符合要求则产品设计结束，可进行生产，否则还要修改系统设计。由此过程可以看出， m e m s 的设计过程中模型的建立和仿真是非常重要的部分。根据处理对象的不同可大致将建模过程分为 4 个层次： ( 1 ) 工艺层工艺层处于最底层， 本层提供加工工艺过程的参数库，如光刻工艺中的掩膜厚度、曝光 时间，硅腐蚀过程中的腐蚀速度等。 ( 2 ) 物理层本层处于建模层次的第二层，包含一些典型材料参数库、典型m e m s 器件结构库，可以对 器件的静态和动态性能进行仿真。 ( 3 ) 器件层建立器件的宏模型( m a c r o - - - m o d e l ) ，为了保证计算速度，此模型进行了一定的简化， 但是保留了器件的所有必须的静态、动态性能，易于集成到系统模型中。 ( 4 ) 系统层将器件层获得的宏模型集成到系统模型中进行仿真，根据仿真结果进行系统优化。 m e m s 与传统机械和微电子系统在设计、加工上存在很大的差别。因此，m e m sc a d 的研究必须 与此相适应，要遵循以下的一些原则： ( 1 ) m e m s 技术是多种学科相互交叉，它涉及微电子学、微机械学、微动力学、微流体学、微热 力学、材料学、物理学、生物学等，这些学科相互作用，共同构成了完整的体系，实现确定的功能。多 能量域的耦合问题是m e m sc a d 所面临的最大挑战。 ( 2 ) m e m s 的制造目的是为了得到三维的几何结构，但一般的i cc a d 不提供自动生成三维模型 的工具。因此，作为联系掩膜、工艺和三维模型的桥梁，结构仿真器是m e m sc a d 所必须的。 ( 3 ) m e m s 的制造过程不仅会改变结构的几何轮廓，还会改变材料的性质，这将影响结构的电子 和机械特性。因此，m e m sc a d 必须建立相应的材料特性数据库，并且可以根据工艺流程自动地将材 料特性插人三维几何模型中。 ( 4 ) m e m s 器件在几何上是复杂的三维结构，在物理上各种能量域相互藕合。计算中不仅要进行 结构内部的量化分析，还要进行结构外部的各种场的分析( 如电场、流场等) 。这些分析的计算量大， 不仅耗时长，而且要求有较大的内存。因此，m e m sc a d 需要以快速有效的算法为基础。 m e m sc a d 是利用计算机对m e m s 的工艺制造过程【3 1 ，对其力学、电学、磁学、热学等特性进行 预测和分析。m e m sc a d 的内容主要包括以下几个方面： 版图设计：图形转移工艺中，需要用版图c a d 工具生成掩模板，并将加工对象的几何尺寸转化 为机器的控制命令，用于制造掩模板。 工艺仿真： , t e m s 工艺仿真比i c 工艺设计增加了很多内容，如各向异性腐蚀、i c p 、键合等。 l 东南大学硕士学位论文 器件级模拟：m e k s 器件级仿真最能体现学科交叉的特点，不同的能量域可以使用不同的仿真 工具，如利用s p i c e 进行电学分析，利用a n s y s 进行力学分析等。 系统级模拟：娅m s 系统级的设计目前尚缺乏专门的工具。系统级的设计对于快速验证设计思 想，实现自顶向下的设计流程非常重要。 m e m sc a d 可以大大提高m e m s 研发和产业化的效率，并且可以在很大程度上减少开发成本。目 前的商用m e m sc a d 系统一般包括以下几个方面：系统级模拟、器件级模拟、工艺仿真和版图设计。 图1 1 给出了m e m s 器件的模拟和设计层次h 1 。由于m e m s 器件尺寸很小，并且其和周围环境有较强 的相互作用，从而会造成m e m s 器件设计和模拟过程中的多维性、多学科性以及多尺度性，这样使得 m e m sc a d 成为一个很复杂的系统。图1 2 给出了典型的m e m sc a d 系统的结构示意图晦1 。 逻辑仿真版图仿真器件性能系统级仿 工具工具仿真工具真工具 逻辑设计版图设计三维模型宏模型建 工具工具建模7 - 具 模s i l 具 图1 1m e m sc a d 系统结构 和成熟的i cc a d 相比，m e m s 的设计是非常复杂而艰难的，这主要是由于： ( 1 )m e m s 涉及多种学科和多个能域，因此要求具备的知识基础很宽； ( 2 ) m e m s 所涉及的微观领域，有许多规律和现象还不被人们了解和认识，即基础理论不充分； ( 3 ) 微机械种类很多，即使在同一类中，其结构、功能也千差万别，因此很难用统一的模式来 规范其设计。 m e m sc a d 技术的意义表现在： ( 1 ) 优化m e m s 结构与性能； ( 2 ) 缩短m e m s 设计周期； ( 3 ) 模拟制造过程、降低生产成本； ( 4 )帮助理解一定范围内机械、电、磁、热等能量之间的相互作用，为发明新的m e m s 器 件奠定基础。 目前，许多大学和公司已经意识到m e m sc a d 技术的重要性，纷纷投入这方面的研究，开发出多 种m e m sc a d 工具。如美国c o v e n t o r 公司的c o v e n t o r w a r e 软件、法国m e m s c a p 公司的m e m s c a p 、 加州大学b e r k e l e y 分校的s u g a r t l l - 1 2 】以及美国c a r n e g i em e l l o n 大学的n o d a s 等。 利用c a d 工具进行m e m s 设计，既节约时间，又降低了成本，大大缩短了器件从产品构思到产业 化的整个进程；通过将c a d 仿真结果与实测结果比较，可以加深对器件工作原理的认识，从而提出优 化方案；c a d 工具还能帮助理解一定范围内机械、电、磁、热等能量之间的相互作用，为发明新的m e m s 器件奠定基础。 2 第一章绪论 1 2m e m s 工艺模拟 通过大量重复性实验寻求器件或结构的最佳工艺参数代价昂贵、周期长、不确定因素多，而且难以 对工艺的机理准确理解。m e m s 工艺模拟则很好地弥补了实验的不足，同时也方便设计者对设计的审查 与改进。因此工艺模拟1 6 ，7 j 已成为制造者与设计者之间的桥梁。 m e m s 工艺模拟比i c 工艺设计增加了很多内容，如各向异性腐蚀，i c p 和键合等，它是m e m sc a d 系统中一个重要的组成部分。工艺模拟的目的是通过对加工过程的模拟来预测器件制造后的真实形状， 进而了解加工过程对器件实际性能的影响，以便通过修正工艺参数和版图优化m e m s 器件的设计。这 样不但节约了器件的开发周期也降低了开发成本。图1 2 给出了工艺模拟的体系结构哺1 。 i p r o c e s s l t a b l e l - r 艺阿表 l 。 图1 2 工艺模拟的体系结构 对于系统级设计和器件级设计方面，c o v e n t o r w a r e 9 、m e m s c a p 等大型商用软件做的都比较好， 但这些软件缺乏工艺设计的功能，并且工艺模拟方面比较简单和理想化，特别是面向过程的工艺模拟更 加缺乏。现在很多m e m s 研究人员对工艺了解有限，工艺设计方案的漏洞比较多u 仉1 1 1 ，很难获得达到设 计要求的m e m s 器件和系统。因此，工艺模拟是现阶段m e m s 设计要解决的重要问题。 图1 3 典型的m e m s 仿真系统 3 末甫大学颐学位论文 1 3 国内外研究现状 m e m s 工艺模拟是为了在实际加工前预测m e m s 器件的实际结构，尤其是非理想边界，例如边缘 拐角淘槽形貌等”“，工艺模拟的结果应该能够正确表现经过工艺加工后m e m s 器件的真实形状。 肯限元分析”是将连续性的研究对象进行网格离散化( 即将物体划分成有限个单元) ，同时通过数 学形式对其几何形状和材料特性等进行概括表征，昂终定量地求解出菜边界条件及载荷条件下的作用结 果，并显示物体的形状和庞力分布图。目前有限元模型已经广泛应用于结构力学和电磁场分析，而有限 元分析的结果取决于模型与实际体系在视觉上的相似性以及网格划分的质量。但目前模拟软件对 正m s 器件进行分析所输入的结构还是理想化的结构，尚不能对实际工艺结粜进行处理。而有限元分析软件也 是大部分以理想形貌为分析原形，因此往往导致高精度的有限元工具被用于分析失真的器件结构。如 罔l4 是一个m e m s 器件的实际形貌，圈1 5 是这个m e m s 器件在模拟软件中的理想形貌。 图1 4 m e m s 器件的实际形貌 图15m e m s 器件在模拟软件中的理想形貌 如果能够将m e m s 工艺模拟( 各向异性腐蚀、光刻、淀积、氧化等等) 所得到的结果进行有限元 分析，对于预测实际器件性能，将有报太帮助。但是由于实验测得的数据最庞大，结构复杂以及格式不 兼窨等原因，使得模拟结果不能直接导 有限元分析软件( a n s y s ) 中。因此必须设计个专门的数据 接口。 2 0 0 2 年西北工业大学的余心宏和吴向阳设计了一个基于i g e s 的逆向t 程数据处理软件数据交户接 口的框架1 。实现软件的数据接u 实际上就是把已有的模型经过处理将特定软件的自定义表示转换 第一章绪论 成其他软件可以理解和接受的中性模式。其实现过程就是对拦输出的模型中所包含时基本对象进行遍 历对相应模型巾的对象使用中性标准的表示形式加以说明和表示，并将这些对象按相关标准加以组织 输出即可，相应的读入此中性模型的软件需要有输入接口。它们分别被称为前端处理器，后端处理罂。 这个软件接1 2 1 是基于以下原理：如果要把数据从系统a 传输到系统b ，必须先通过系统a 的前端处理器 转换成i g e s 标准再由i g e s 标准传输 0 系统b 的后端处理器。同理，可以将数据从系统b 传输到系 统a 。 d 啦u a n s i 研f f m mb o a l 图i6 基于i g e s 接1 2 1 的数据交换原理【” 2 0 0 5 年哈尔滨理工大学，黄建梅，谭光宇等人，针对反求1 二程中，三坐标测量帆( c m m ) n6 1 与 c a d c a m 系统之间进行数据信息交换存在的问题依据1 g e s 格式要求，应用面向对蒙的编程工具 啊s l c h - 设计了基于i c e s 格式的数据转换模块，实现了将三坐标测量机数据文件的点信息转换成标 准的i c e s 文件的点信息，生成丁c a d c a m 可以接受的i g e s 格式文件该文件可以被u g ( u n i g r a p h i c s ) 系统正确识别同时测量数据点的几何信息也得到了准确保留”4 图l7 是i 晕数据的点云显示结果， 图l8 是将点云在u g 系统中进行曲面拟台所得到的结果。 图i 7 测量数据点百显示阁i8 u g 中的曲面拟舍 2 0 0 0 年，东南大学机械工程系的陈功博l ，在实现医学器官逆向曲面建模时，采用了将采集到的点 通过a p d l 文件进行数据格式转换的方法i ”】，结果表明新的建模方法比传统的建模方法速度更快秸 l i ? i 芋竞蒜鬻熊笺笳臻然封甜嚣涠1 。9 是将点云导 “幔示的 自太学硬学位* 文 图1 9 点云导 a n s y s 显示的结果圈11 0 实体的曲面重构 1 4 论文的主要工作 目前有限元软件对m e m s 器件分析中的结构输 还是理想化的设计，尚不能对实际工艺结果进行 处理。而且目前还没有这样相应的软件可以实现m e m s 器件( 非理想化) 的分析。园此本论文的出发 点就是建立工艺模拟结果和有限元分析的桥梁。通过这个桥梁使得设计、工艺工程师能够更好的预测实 际工艺中各参数对器件的影响。 本论文研究的内窖包括： 1 ) 研究有限元及c a d 软件的各接口，并进行比较，从而选取最佳的软件接口。目前比较通用的接口 包括i g e s 接1 3 ，a p d l 接u ，s t l 接口，s t e p 接口，研究了荐接口的特性。通过比较，选择了应用范 围最广泛的i g e s 接口，以及针对a n s y s 软件的a p d l 接口。 2 ) 图形边界的提取技术。本论文的一个主要技术难点就在于工艺模型在有限元软件中的实体建模，而 这个技术难点的核心是图形边界的提取技术问题。研究了图像边缘检测与提取及轮廓跟踪，重点研究了 曲面边界线的提取，实现了曲面重构中的边界提取。 3 ) 编程实现了从工艺模拟到有限元软件实体建模的过程，并在有限元软件中进行有限元分析，结果表 明所设计的软件接口能很好的实现工艺模拟软件和有限元软件的对接，运对实现m e m s c a d 体系化具 有重要的促进作用。 1 5 论文纲要 在本章中，我们介绍了m e m s 工艺模拟与有限元分析软件接u 研究的背景，回顾了圃内外的研究 现状确定了自己的研究内容。在后续的章节中将分别讨论有限元分析的各个接1 3 、曲面重建小涉及 到的边界轮廓提取，曲面边界线特征提取、软件接口的实现，并给出应用实例。论文结构安排如下： 第二章详细介绍有限元各接u 介绍厦图像边缘捡溺i 。 第二三章土要介绍曲面重构巾用到的边界线提取方法。 第四章重点彳r 绍了a p d l 和i g e s 这两种软件接口的实现打法。 第坛章应用设计的软件接u 进行些实例的分析。 第 章对全文进行总结，并给出未柬t 作的展望。 第二章有限元各接口介绍及图像边缘检测 第二章有限元各接口介绍及图像边缘检测 要实现从工艺模拟数据到有限元分析的软件接口，必须要先了解有限元各接口的形式。从而选择最 合适的接口作为研究对象。图像边缘检测是作为图像轮廓提取的初步，进而才能进行图像模型重构，最 终实现仿真。 2 1 有限元各接口介绍 目前应用于科学研究以及生产实际中的m e m sc a d 软件多种多样，如a n s y s ，c o v e n t o w a r e , m e m s c a p , a u t oc a d ，p r o e 等。在产品设计、分析过程中，相互协作的用户可能需要采用不同的m e m sc a d 软件，因此在应用这些软件时，如何解决各个不同软件之间c a d 模型数据信息的交换问题，使一个系统 内部形成的模型数据信息也能够被其他系统所使用，就成了一个很实际的问题。这就需要建立一个统一 的信息结构标准来对模型数据进行交换。 2 1 1a p d l 接口 a n s y s 作为目前最流行的有限元软件之一，在工业及科学研究领域得到广泛地应用。a n s y s 为用 户提供了友好的二次开发环境，这也使得a n s y s 自身的功能可以向深度和广度进一步扩展。a n s y s 提 供的二次开发工具有三个：a p d l l l 2 1 ( a n s y sp a r a m e t r i cd e s i g nl a n g u a g e ，参数化设计语言) ，用户界面 设计语言以及用户可编程特性。a p d l 是a n s y s 软件提供给用户的一个依赖于a n s y s 程序的交互式软 件开发环境。由于a p d l 提供了灵活和强大的功能，很多用户都用它来编写输入文件( i n p u tf i l e ) 或宏 命令( m a c r o ) 以结合图形用户界面( g u i ) 共同完成a n s y s 的各种分析。用户可以利用程序设计语言 将a n s y s 命令组织起来，编写出参数化的用户程序，从而可以实现有限元分析的全过程，即建立参数 化的c a d 模型、参数化的网格划分与控制、参数化的材料定义、参数化的载荷和边界条件定义、参数化 的分析控制和求解以及参数化的后处理。 a p d l 实质是由类似于f o r t r a n 的程序设计语言和10 0 0 多条a n s y s 命令组成的p 4 l 。其中：程 序设计语言部分与其它编程语言一样，具有参数、数组表达式、函数、流程控制、重复执行命令、缩写、 宏以及用户程序等。标准的a n s y s 程序是由1 0 0 0 多条命令驱动的【5 】，这些命令可以写进程序设计语言 编写的程序。命令的参数可以赋以定值，也可以通过表达式的结果或参数的方式进行赋值。a n s y s 命 令分别对应a n s y s 分析过程中的定义几何模型、划分单元网格、材料定义、添加载荷和边界条件、控 制和执行求解和后处理计算结果等指令。另外a p d l 还提供简单界面定制功能，实现参数交互输入、消 息机制、界面驱动和运行应用程序等。用户可以利用程序设计语言将a n s y s 命令组织起来，编写出参 数化的用户程序，从而实现有限元分析的全过程。a p d l 是a n s y s 有限元系统内嵌的命令流式程序设 计语言，是a n s y s 设计优化和自适应网格划分的基础，同时也具备一般运算、循环和选择等条件控制 的特性。即任何复杂的模型都可以通过a p d l 的二次开发，实现参数化建模与分析的统一【6 】。在参数化 的分析过程中可以简单地修改其中的参数达到反复分析各种尺寸、不同载荷大小的多种设计方案或者序 列性产品，极大地提高了分析效率减少分析成本。同时，以a p d l 为基础用户可以开发专用有限元分 析程序，或者编写经常重复使用的功能小程序，保存成宏文件以供用户随时调用或创建成按钮( 缩写) 放 在工具条上。 a p d l 也是a n s y s 设计优化的基础，只有创建了参数化的分析流程才能对其中的设计参数执行优化 改进，达到最优化设计目标。此外，a p d l 扩展了传统有限元分析范围之外的能力，提供了建立标准化 零件库、序列化分析、设计修改、设计优化以及更高级的数据分析处理能力，包括灵敏度研究等。图2 1 是实现工艺模拟数据与工程分析a p d l 接口流程图，从图中可以知道调) k a p d l 文件是整个流程中至关重 要的一步。 7 东南大学硕士学位论文 2 1 2i g e s 接口 图2 1 实现工艺模拟数据与工程分析a p d l 接口流程图 初始图形交换标准i _ ( i n i t i a lg r a p h i c se x c h a n g es p e c i f i c a t i o n ，i g e s ) ，是在美国国家标准局的倡导下， 由美国国家标准协会( a n s i ) 组织波音公司、通用电气公司等共同商议制定的，由于它形成的比较早，比较 完善，所以被许多c a d c a m 软件作为与其他c a d c 舢粥a m 软件进行数据传送的接口，从目前市场上 所能见到的所有c a d c a m 软件中都提供这个接口。a n s y s 软件提供了专门的i g e s 接口。 i g e s 标准规定了文件结构的格式、语言格式以及按这些格式所表示的几何的、拓扑的、非几何的产 品定义数据i s 。i g e s 所有的图形数据都包含两部分，一部分是在目录条目段给出实体的相关属性数据( 占 2 行) ；另一部分是根据目录条目段的指针在参数数据段读出相应的实体数据。其数据文件是若干个实体 的集合，用几何和非几何的信息描述产品，其中几何信息包括了点、线、圆弧、参数曲线、n u r b s 益 线、参数曲面、n u r b s 曲面和裁剪曲面等各种元素，非几何信息则分为标注、定义和组织等其文件组 织是以a s c l1 码、记录长度为8 0 个字符的同定长格式、a s ci i 码的压缩格式和二进制格式这3 种数据格 式存储的数据文件。i g e s 文件每行有8 0 个字符，段标识符位于每行的第7 3 y u ，第7 4 - - 8 0 列用于指定每行 的段的序号。序号都以1 开始，且连续不问断，其值对应于该行在该段的行数。i g e s 中的实体可分为几 何实体和非几何实体，每一类型实体都有相应的实体类型号，几何实体为1 0 0 1 9 9 ；非几何实体又可分 为注释实体和结构实体，类型号为2 0 0 4 9 9 。实体的属性信息记录在目录段，而参数数据记录在参数段。 根据i g e s 规范，i g e s 文件分6 段：( 1 ) 标志段( f a g ) ；( 2 ) 开始段( s t a r t ) ；( 3 ) 全局参数段( g l o b a l ) ；( 4 ) 元素索引段( d i r e c t o r ye n t r y ) ；( 5 ) 参数数据段( p a r a m e t e rd a t a ) ；( 6 ) 结束段( t e r m i n a t e ) 。 3 第二章有限元各接口介绍及图像边缘检测 图2 2i g e s 的文件组织结构 各段的功能如下驯： ( 1 ) 开始段( s t a r ts e c t i o n ) 。文件开始段可供人阅读的有关改文件的一些前言性性质的说明。在第1 7 2 列上写入任何的内容的a s c i i 码字符。 ( 2 ) 全局段( g l o b a ls e c t i o n ) 文件的全局段包含由前置处理器写入、后置处理器处理该文件所需的信息。 它描述了i g e s 文件在使用的参数分隔符、记录分隔符、文件名、i g e s 版本、直线颜色、单位、建立改文 件的时间、作者等信息。 ( 3 ) 元素索引段( d i r e c t i o ne n t r ys e c t i o n ) 。每一种元素对应一个索引，共l o 个索引，每个索引记录含 有2 0 项，每一项占8 个字符，每个索引在元素索引段中占两行。 ( 4 ) 参数数据段( p a r a m e t e rd a t as e c t i o n ) 。改段记录了每个元素的几何数据，其格式是不固定的。根 据每个元素参数数据的多少，决定它在参数数据段中有几行。 ( 5 ) 结束段( t e r m i n a t es e c t i o n ) 结束段只有一行，在前3 2 个字符里，分别用8 个字符记录了开始段、全 局段、元素索引段和参数数据段的段码和每段的总行数。第3 3 7 2 个字符没有用到。最后8 个字符为结 束段的段码和行数。 图2 3 一个i g e s 文件实例 9 东南大学硕士学位论文 2 1 3 其他接口 ( 1 ) s t l 接口 s t l 唧( s t e r e ol i t h o g r a p h yi n t e r f a c es p e c i f i c a t i o n ) 格式最初出现于1 9 8 8 年美国3 ds y s t e m s 公司生产的 s l a 快速成形机中，它是目前快速成形系统中最常见的一种文件格式。快速成型技术( r a p i dp r o t o t y p i n g m a n u f a c t u r i n g ，r p v o 是先进制造技术中的一种。一些发达国家于2 0 世纪9 0 年代中后期进行了大胆的应用 尝试，并取得人欢欣鼓舞的成果，如美国在牙科手术方面的广泛应用以及面部矫正手术的成功应用实例； 新加坡在面部矫正手术方面的应用；澳大利亚、德国、法国等在头颅和面部矫正手术上成功应用。与 此同时，国内一些科研机构也同国内医学界紧密合作，如第四军医大学应用快速成型和激光近形制造技 术制作磨牙全冠的实验研究，其他一些科研院所也做了一些卓有成效的工作，但往往都是应用于某一 特定课题，而本文实现的方法更具有通用性。s t l 文件由一系列相连的空间三角形信息组成，这种格式 有a s c i i 码和二进制码两种输出形式，二进制码输出形式所占用的文件空问比a s c i i 码输出形式的小，但 a s c i i 码输出形式可以阅读并能进行直观检查。本文进行了用a s c i i 码输出s t l 文件的研究。按照s t l 规 范，整个文件必须以s o l i d 开头，以e n d s o l i d 结束，中间大部分内容是拟合实体表面的三角形信息，将三 维实体数据输出成s t l 文件。首先需要从切片图像中构建出三维数据，生成一系列轮廓数据点的三维坐 标，因为实体必须在o p e n g l 环境下进行显示，所以需要对所有三维点数据进行坐标变换，即将图像坐 标系转换为o p e n g l 空间中的世界坐标系，同时按照s t l 的取值规则，每个小三角形平面的项点坐标值必 须是正数，不能是零或负数，所以需要进一步进行坐标变换。 ( 2 ) s t e p 接口 s t e p 【l o 】由i s o 工业自动化系统技术委员会( t c l 8 4 ) 第四分委会( s c 4 ) 制定，并于1 9 8 8 年公布 为s t e p i 0 ，标准号为i s 0 1 0 3 0 3 。我国的标准号为g b t1 6 6 5 6 。制定s t e p 标准有两个目的：一是 统一产品的数据表示，二是规范产品数据的交换。s t e p 的产品数据表示是想建立一个包含产品整个生 命周期的、完整的、语义一致的产品数据模型，以满足产品生命周期内各阶段对产品信息的不同需求， 以及保证对产品信息理解的一致性。s t e p 的产品数据交换是想建立一种独立于任何c a x 系统，具有多 种形式的交换方法。 s t e p 标准是由许多部分组成的。下图给出了s t e p 标准所包含的五个方面的内容，即描述方法、 集成信息资源、应用协议、一致性测试及实现方法。 i i 一0 l 描述方法集成信息资源应用协议一致性测试实现方法 i 集成通用资源 集成应用资源应用解释构件 图2 4s t e p 标准的内容 无论从语义、语法、转换精度还是从适用的转换实体类型各方面来讲，s t e p 标准都具有相对的优 越性，它提供一种不依赖于任何特定系统的中性机制，不仅适于中性文件转换，而且可作为实现共享产 1 0 第二章有限元各接口介绍及图像边缘检测 品数据库、产品存档的基础，并且把信息的表达和用于数据转换的实现方法区分开来l l 。但是，考虑到 s t e p 标准的层次性较强、内容相对较多，要设计出效果良好的转换接口需要进行深入的研究，实现起 来比较困难，同时，由于工艺模拟得到的数据主要是物体表面的坐标点数据，尽管i g e s 格式在实际应用 中仍然存在一些问题，但由于工艺模拟得到的数据简单，通过i g e s 格式转换相对容易，而且作为较早颁 布的标准，i g e s 被许多c a d c a m 系统接受，成为应用最广泛的数据交换标准，同时它覆盖了c a d c a m 数据交换越来越多的应用领域因此从通用性和适用性来考虑选择了i g e s 进行数据转换表2 1 列 出了s t e p 与i g e s 格式的差异 表2 1s t e p 与i g e s 的差异 比较内容 i g e ss t e p 标准级别美国国际 目标重点为几何信息，面向工程图产品整个信息，面向生命周期 定义手段文本文件，无正式定义的产品 e x p r e s s ，为机器所理解 模型 存在形式 正文文件 正文文件 无标准的二进制格式文件 二进制文件 无标准程序界面 定义了标准程序界面 实施 不严格( 指需求定义、测试) 严格( 指需求定义，一致性测 试方法与工具) 2 2