（计算机应用技术专业论文）基于特征的cadfea集成技术研究.pdf

浙江大学硕士学位论文摘要 摘要 当前以特征建模为代表的c a d ( c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ) 技术已经被广泛地用 于产品的设计。与此同时，用于设计评估和验证的有限元分析( f i n i t ee l e m e n t a n a l y s i s ) 技术也被集成到产品的设计和开发过程中。为了改善产品的设计过程， 很重要的一点就是实现c a d 与f e a 之间的紧密甚至无缝集成。本文较系统地综述 了c a d - f e a 集成的相关技术，提出了基于分析特征的c a d - f e a 集成模型、基于特 征的多分辨f e m 模型快速生成方法以及设计特征到分析特征的映射方法。 第一章首先综述了c a d - f e a 集成的相关技术，介绍了这些技术的研究背景和 发展现状，讨论了相关技术存在的问题，并提出了本文研究的意义和内容。 第二章提出了基于分析特征的c a d - f e a 集成模型。针对c a d - f e a 集成系统的 需要，提出了基于分析特征的c a d - f e a 集成模型，有效地支持了c a d - f e a 集成中 相关处理过程之间的信息交换以及共享。引入分析特征模型实现了设计模型、分 析模型、有限元网格模型三者之间的有效关联。 第三章提出了基于特征的多分辨f e m 模型快速生成方法。首先确定出零件所 有特征之间的接口；然后对零件所包含的每一个设计特征和分析特征进行以相关 接口为约束的网格划分；最后根据不同的特征层次结构选择相应的特征及其网格 组合产生零件不同分辨的f e m 模型。 第四章提出了设计特征到分析特征的映射方法。针对特征本身的复杂性以及 相交特征等复杂情况，提出了基于特征分解和特征组合两种特征映射策略。在进 行特征映射的同时，建立了相关对象之间的关联，包括设计特征与分析特征的关 联，特征对应拓扑元素之间的关联等，方便了设计模型与分析模型之间的信息传 递。为支持并行工程等需要，讨论了从设计特征到分析特征的增量式映射问题。 第五章总结了本文的研究内容，并给出了今后研究工作的方向。 关键词：c a d f e a 集成，分析特征，c a d - f e a 集成模型，c a d 模型简化，多分辨 f e m 模型，特征映射 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a e t a b s t r a c t f e a t u r e b a s e dc o m p u t e ra i d e dd e s i g n ( c a d ) h a sb e e nw i d e l yu s e df o rp r o d u c t d e s i g n m e a n w h i l e ，f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ( f e a ) h a sb e e ni n t e g r a t e di n t o t h e p r o d u c td e s i g na n dd e v e l o p m e n tp r o c e s st oe v a l u a t et h ed e s i g nr e s u l t s i no r d e rt o i m p r o v et h ep r o d u c td e s i g np r o c e s s ，i ti sc r u c i a lt oi n t e g r a t ec a d a n df e a c l o s e l ya n d s e a m l e s s l y i nt h i st h e s i s ，t h er e l a t e dw o r ka b o u tc a d - f e ai n t e g r a t i o n i sa n a l y z e d s y s t e m a t i c a l l y , a n dt h r e em a i np a r t so fw o r ka r ep r e s e n t e dw h i c hi n c l u d eac a d - f e a i n t e g r a t i o nm o d e lb a s e do na n a l y s i sf e a t u r e s ，r a p i dg e n e r a t i o n o ff e a t u r e - b a s e d m u l t i - r e s o l u t i o nf e mm o d e l ，a n da na p p r o a c hf o rt h em a p p i n gb e t w e e nd e s i g nf e a t u r e a n da n a l y s i sf e a t u r e c h a p t e r1s u m m a r i z e sr e l a t e dt e c h n o l o g i e sf o rc a d - f e ai n t e g r a t i o nf i r s t l y , a n d t h e ni n t r o d u c e se x i s t i n gr e s e a r c ha c t i v i t i e sa n dt h e i rp r o b l e m s a tl a s tt h er e s e a r c h s s i g n i f i c a n c ea n dc o n t e n t sa r ea l s op r e s e n t e d c h a p t e r2p r o p o s e sa na n a l y s i sf e a t u r eb a s e dc a d - f e ai n t e g r a t i o nm o d e l a c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n t so ft h ec a d f e ai n t e g r a t i o ns y s t e m ，ac a d f e a i n t e g r a t i o nm o d e li sp r o p o s e dw h i c he f f i c i e n t l ys u p p o r t st h ei n f o r m a t i o ne x c h a n g ea n d s h a r i n ga m o n g d i f f e r e n tp r o c e s s e si n v o l v e di nt h ec a d f e ai n t e g r a t i o n t h ea n a l y s i s f e a t u r em o d e li sa l s oi n t r o d u c e dt os u p p o r tt h ei n f o r m a t i o ne x c h a n g ea m o n gt h ed e s i g n m o d e l ，t h ea n a l y s i sm o d e la n dt h em e s hm o d e le f f e c t i v e l ya n dc o n v e n i e n t l y c h a p t e r 3 p r o p o s e s af e a t u r e b a s e d a p p r o a c h f o r r a p i dg e n e r a t i o n o f m u l t i r e s o lu t i o nf e mm o d e l s f i r s t l y , t h ei n t e r f a c e sb e t w e e ne v e r yt w of e a t u r e so ft h e m o d e la r ed e t e r m i n e d ；t h e n ，t h em e s hm o d e lo fe a c hd e s i g nf e a t u r eo ra n a l y s i sf e a t u r e i sg e n e r a t e db yt a k i n gt h er e l a t e di n t e r f a c e sa sc o n s t r a i n t s ；f i n a l l y , t h ec o r r e s p o n d i n g m e s hm o d e l sa r es e l e c t e dt oc o m p o s et h em u l t i r e s o l u t i o nf e mm o d e l sa tas p e c i f i c l e v e lo fr e s o l u t i o n c h a p t e r4p r o p o s e sa na p p r o a c hf o rt h em a p p i n gb e t w e e nd e s i g nf e a t u r e sa n d a n a l y s i sf e a t u r e s a c c o r d i n gt ot h ec o m p l e x i t yc a u s e db yt h ef e a t u r ei t s e l fa n dt h e f e a t u r ei n t e r s e c t i o n s ，t w of e a t u r em a p p i n gs t r a t e g i e sa r ep r o p o s e dw h i c ha r eb a s e do n 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t f e a t u r ed e c o m p o s i t i o na n df e a t u r ec o m p o s i t i o n d u r i n gt h ep r o c e s so ff e a t u r em a p p i n g ， t h er e l a t i o n s h i p sb e t w e e nc e r t a i ne n t i t i e sa r ee s t a b l i s h e d ，n a m e l yt h ea s s o c i a t i o n s b e t w e e nd e s i g nf e a t u r e sa n da n a l y s i sf e a t u r e s ，a n dt h o s ea m o n gt h et o p o l o g ye n t i t i e s b e l o n g i n gt od i f f e r e n tf e a t u r e s ，w h i c hf a c i l i t a t et h ei n f o r m a t i o ne x c h a n g eb e t w e e n d e s i g nm o d e la n da n a l y s i sm o d e l i no r d e rt os u p p o r tt h ec o n c u r r e n te n g i n e e r i n g ，a n i n c r e m e n t a la p p r o a c hf o rt h em a p p i n gb e t w e e nd e s i g nf e a t u r e sa n da n a l y s i sf e a t u r e si s a l s od i s c u s s e d c h a p t e r5s u m m a r i z e st h ec o n t e n t so ft h i sw o r k , a n da l s od e s c r i b e st h ef u t u r e d e v e l o p m e n t t r e n d k e y w o r d s ： c a d f e ai n t e g r a t i o n ，a n a l y s i sf e a t u r e ，c a d f e ai n t e g r a t e dm o d e l ， c a dm o d e ls i m p l i f i c a t i o n ，m u l t i - r e s o l u t i o nf e mm o d e l ，f e a t u r em a p p i n g 浙江大学硕士学位论文图目录 图目录 图1 1 共轭映射【1 8 】6 图1 2 一致集成f 2 4 i 9 图1 3 以c a d 为中心的集成【2 4 】9 图1 4 以c a e 为中心的集成【2 4 1 l0 图2 1 信息交换的方式1 5 引。19 图2 2c a d f e a 集成的般流程2 0 图2 3c a d f e a 集成系统相关模块2 1 图2 4 分析特征模型2 8 图2 5 分析特征模型表示2 9 图3 1 面对、边对、中面3 4 图3 2 特征之间的接口。3 4 图3 3 方法框架图。3 5 图3 4 特征内部边、公共边、相邻面。3 7 图3 5 约束边环3 9 图3 6 壳分析特征的相关接口4 0 图3 7 降维引起的接口传递4 l 图3 8 梁分析特征4 l 图3 9 带约束的网格生成4 4 图3 1o 特征重排列4 5 图3 1 1 降维引起的特征移除：4 7 图3 1 2 多分辨f e m 模型生成4 9 图3 1 3 几何模型上的边界条件5 0 图3 1 4 边界条件等语义信息的传递5 0 图3 1 5 基于特征等语义信息的局部网格加密5 0 图4 1 草图中点对的分类5 3 图4 - 2 基于草图的特征分解5 4 图4 3 特征之间的相交关系分类5 5 图4 4 不同特征相交类型的结果5 6 图4 5 特征之间的关联关系5 7 图4 6 特征对应的拓扑元素之间的关联5 8 图4 7 拓扑面的变动分类5 9 i i i 浙江大学硕士学位论文表目录 表目录 表2 1 功能单元的主要组成2 5 表2 2 设计特征表示中的主要属性2 6 表3 1 特征之间的接口分类。3 6 表3 2 几何对象之间的约束关系分类。4 2 i v 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 引言 现代产品的开发往往采用计算机辅助设计( c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ，c a d ) 技 术。而为了提高产品的质量，缩短产品设计的周期，减少产品设计的成本，计算 机辅助工程分析( c o m p u t e ra i d e de n g i n e e r i n g ，c a e ) 技术也被广泛地应用于产 品设计过程中。现代产品的复杂性、涉及学科的多样性以及产品客户需求的个性 化等因素对产品的设计过程提出了新的要求。为了改善产品的设计过程，很重要 的一点就是实现c a d 与c a e 之间的紧密甚至无缝集成。 为此，很早以前学者们就开始了对c a d - c a e 集成方面的研究。而目前有关 c a d - c a e 集成方面的研究工作大多关注于c a d 技术同某一特定工程分析技术之间 的集成，即有限元分析技术( f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s 。f e a ) 。这一方面是由于 f e a 技术在工业界的广泛应用；另一方面是由于不同工程分析技术之间的共通性， 有关c a d f e a 集成方面的研究工作也可以通过调整应用于其它工程分析技术。 由于f e a 技术的分析类型、适用的范围以及规模与c a d 系统产生的几何模型 的类型和细节程度之间存在着差异，所以从c a d 系统产生模型到进行有限元分析 往往需要经历一系列中间处理过程：如几何模型简化( 包括细节移除以及降维 等) 、载荷和边界条件简化，网格生成等。有关c a d f e a 集成方面的研究工作虽 然已经有很多，但是两者之间的有效集成仍然存在着困难，如难以产生满足分析 需要的简化模型，设计与分析之间缺乏有效的反馈等。本文基于特征技术对 c a 旷f e a 集成方面的一些问题进行了研究。与本文相关的研究工作主要包括：特 征建模技术、c a d - f e a 集成模型、面向有限元分析的c a d 模型简化以及面向 c a d - f e a 集成的f e m 模型生成等，下面将详细介绍。 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 1 2 特征建模技术 1 2 1 特征建模 所谓特征建模，简单地说，就是使用“特征”( f e a t u r e ) 这一具有高层语义的 建模单元来支持几何模型的构建。当前主流的c a d 系统都提供了特征建模功能， 能够方便地实现参数化特征模型的建立以及修改。特征建模技术由于采用了具有 工程意义的特征表示来描述设计的过程，所以能够更好地表达了设计人员的设计 意图。另外，高层的特征语义也为产品生命周期中所涉及信息的组织和管理提供 了新的方法。 传统的c a d 系统采用实体模型的表示方法，由于仅包含产品的几何信息，无 法有效支持工艺规划、加工制造等下游应用。因此，在七十年代中期，人们开始 研究从实体模型表示中提取生成数控加工程序所需的加工信息，正是基于这方面 的研究，人们提出了特征概念n 吲。特征概念最早出现于1 9 7 8 年麻省理工学院 g o s s a r d 教授指导的一篇学士论文“基于特征的c a d 零件表示”和1 9 7 9 年的另一 篇论文“轴类c a d 零件的特征描述系统”口1 。 通过特征，工程人员可以将很多有用的属性及知识与产品的几何形状相关联。 简单地说，特征是带有工程语义的几何形状，广泛地应用于产品的设计、定义以 及各种处理过程，如产品的工艺规划、工程分析等。与传统的基于几何的c a d 系 统相比，基于特征造型的c a d 系统具有如下特点h 1 ： 第一，传统的基于几何的造型技术提供的建模方法对于实际的设计活动来说 往往过于底层。然而，一方面很多设计活动并不仅仅涉及产品的几何，还需要产 品其它方面的特性，包括尺寸、公差以及各种约束信息等；另一方面，相对于几 何信息来说，设计人员更应该关注的是产品的功能和性能。特征概念的引入很好 地满足了上述需求，方便了设计人员的工作。 第二，由于底层的几何模型并不能保存设计人员的设计意图，所以造成了设 计模型的修改相对比较费时。另外，由于组成模型的几何对象之间缺乏关联性， 所以简单的概念修改可能会带来一系列底层对象的变动，单个底层对象的变动也 2 浙江大学硕士学位论文第l 章绪论 不会自动传播到与其相关的其它对象。而特征建模技术由于记录了产品的整个设 计过程以及特征之间的相互关系，所以能够方便地支持模型的修改和变动传播。 第三，传统的c a d 系统并没有提供工艺规划( c o m p u t e ra i d e dp r o c e s s p l a n n i n g ，c a p p ) 、装配设计以及分析仿真等下游应用所需要的属性信息。特征 的引入为下游应用的各个环节提供了一个具有几何、属性以及知识的信息完备的 产品模型，从而为c a d c a p p c a e 等应用模块的集成提供了实现的基础。 1 2 2 特征识别 由于工业界的迫切需要，c a d c a m ( c o m p u t e ra id e dm a n u f a c t u r i n g ) 之间的集 成已成为近年来研究人员主要追求的目标之一。然而，c a d 系统由于一般采用边 界表示或设计特征表示，其产生的模型很难直接用于下游的应用，如c a p p 、c a m 、 c a e 等。因此，迫切需要一种能够将设计模型表示同加工信息进行关联的方法， 特征识别技术满足了这方面的需求。该方法可以从边界表示模型或设计特征模型 中提取加工过程需要的特征语义，为c a d c a m 之间的有效集成提供了可能。到目 前为止，虽然有关特征识别方面的方法已经有很多，但从整体上可以将它们分为 两大类随1 ：一类是基于边界匹配的特征识别方法，另一类是基于立体分解的特征 识别方法。下面将简述这两类方法。 1 2 2 1 基于边界匹配的特征识别方法 作为最早出现的特征识别方法，该方法通过将零件的边界表示模型同预定义 的特征边界模式进行匹配来识别特征。一般采用如下步骤：1 ) 搜索零件的边界 表示模型，并将其与每一类特征的边界模式进行匹配；2 ) 对于已识别的特征还 需要确定特征参数，以构造完整的特征表示；3 ) 组合能够合并的基本特征。这 类方法的关键是如何定义特征对应的边界模式以及采用哪种特征搜索策略，主要 方法有： 基于期死c 分夕符荭z g 影方法。该方法将特征定义为带拓扑或几何约束( 规则) 的 边界模式。该方法一般用一组面来表示模型，采用专家系统进行特征边界模式的 浙江大学硕士学位论文第l 章绪论 匹配】。这种方法存在的问题包括：1 ) 特征规则的定义方法并不唯一，也不完备， 而且用户不容易掌握；2 ) 识别效率并不高，往往需要进行大量匹配操作：3 ) 不 能有效支持相交特征的识别。 基于圆彩僭红勰影方法。该方法采用称为面边图口1 的数据结构来定义特征。 面边图以节点表示b - r e p 模型中的面，以弧表示面之间的邻接关系。该方法一般 通过在模型的面边图中进行特征对应子图的匹配来实现。然而，由于图的子图匹 配问题本身是n p 完全问题，比较耗时。因此如何提高子图匹配算法的效率是基 于图的特征识别方法的一个关键问题。j o s h i 和c h a n g 陋1 将属性邻接图用于特征的 识别，所谓属性邻接图是以b - r e p 模型中边的凹凸性作为面边图中弧的属性。 s a k u r a i 和g o s s a r d 阳3 将基于图的特征识别方法直接应用于边界表示模型，他们的 方法有效避免了特征的组合爆炸问题。d e f o r i a n i n 的方法通过将面边图分解成 双向或三向的组件单元，有效减少了搜索的空间。 基于癌边的孵缸提影方法。当特征之间发生相交时，识别所有特征的完整边 界模式几乎是不可能的。基于这样的观察，v a n d e n b r a n d e 和r e q u i c h a n 首次提 出了基于痕迹的特征识别方法。h a n n 钉不仅给出了一种基于痕迹的特征搜索系统， 还描述了如何处理特征相交问题，其中，特征痕迹是指特征在结果模型中残留的 信息。，当发生特征相交时，特征的完整边界模式可能不复存在，但是一定会在结 果模型中留有痕迹。因此理论上说，基于痕迹可以识别出所有特征。特征痕迹可 以是设计特征、公差、设计参数等。 1 2 2 2 基于体分解的特征识别方法 特征除了可以采用边界模式定义以外，还可以采用体表示。对于一些特殊的 应用领域如工艺规划，特征的体表示也很重要。但是从特征的边界模式直接导出 体表示往往并不容易。所以在8 0 年代初，人们就开始研究直接从c a d 模型导出 特征体表示的方法，即基于体分解的特征识别方法。与基于边界匹配的特征识别 方法相比，该方法具有能够识别任意相交特征和提供多重特征解释等优势。其基 本步骤如下：首先对零件模型进行凸分解，然后对分解产生的凸体进行重新组合， 4 浙江大学硕士学位论文第l 章绪论 最后对组合产生的凸体进行分类，并确定特征类型。根据分解策略的不同，可以 将体分解方法分为两类：1 ) 基于立体交替和分解的方法；2 ) 基于单元体分解的 方法。 基于立鲈交誉和分锯钓方法。w o o n 3 3 最早提出了基于立体交替和分解的方法。 该方法首先通过求凸包和布尔操作从零件模型中提取一组凸体，然后通过凸体的 组合来得到合理的特征解释。该方法存在的问题包括：1 ) 无法保证对非凸物体 的凸分解总能收敛；2 ) 会识别出一些无法通过一次加工操作完成的特征。针对 上述问题，k i m 等人n 们从9 0 年代开始对基于立体交替和分解的特征识别方法进行 了深入的研究，并提出了立体交替和剖分分解方法，解决了w o o n 3 1 方法中凸分解 可能不收敛的情况。 基于毕元筋分解彩窃薯。该方法最早由a r m s t r o n 9 1 1 5 1 在8 0 年代初提出，主要 用于数控加工编码的生成。该方法的基本思想是首先按照一定的规则将零件模型 分解成一组单元体，然后再组合单元体产生特征。这里的单元体必须是凸的，且 只能存在边界相交。而s a k u r a i 【1 6 3 的方法是通过对零件模型的所有面进行延拓并 求交，来达到分解零件模型的目的。该方法存在的问题是：1 ) 需要大量求交操 作；2 ) 产生的特征解释太多。针对这些问题，s a k u r a i n 7 3 又改进了原来的方法， 引入了“最大凸分解 的概念，显著地减少了产生单元体的数量。 1 2 3 特征映射 特征是指带有工程意义的几何形状，被广泛地应用于产品生命周期的各个应 用环节，如设计、加工、分析等。由于不同的特征表示之间存在着显著差异，所 以一种特征表示不能直接用于其它应用环节。一种通常的解决办法是采用特征识 别的方法从底层的边界表示模型中重新识别出适合不同应用环节需要的特征。这 种做法其实是把当前应用环节的特征信息给丢弃了。为了实现不同应用环节之间 更高层次的信息交换，一种更理想的做法是从当前的特征模型开始直接映射到分 析、加工等不同种类的特征模型，即特征映射。特征映射的问题最早是由s h a h n 町 提出。令人遗憾的是这方面的研究工作少有进展，现有的工作只能对一些简单特 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 征进行直接映射，对于相交特征等复杂情况还是需要首先将模型转化成实体表 示，然后再从实体表示中识别出所需的特征，这实质上等价于特征识别碡1 。 特征作为信息的集合，不仅包含几何信息，还包括与特征的类型和应用领域 相关的语义信息。所以s h a h 将特征之间的映射定义为特征空间( f e a t u r es p a c e ) 的映射，并将特征空间之间的映射分为以下四类：重叠映射( o v e r l a p p i n g t r a n s f o r m a t i o n ) ；投影映射( p r o j e c t e dt r a n s f o r m a t i o n ) ；共轭映射( c o n j u g a t e t r a n s f o r m a t i o n ) ：相联映射( a d j o i n tt r a n s f o r m a t i o n ) 。下面将简要介绍下这 四种映射方式。 重叠映射是指两个相互映射的特征空间之间存在重叠部分，比如设计特征和 加工特征都包含通孔特征，而且在这两种特征表示中通孔特征具有相同的语义。 投影映射是指映射的两个特征空间之间满足投影关系。所谓投影关系是指前 者包含的信息是后者的超集。所以这种类型的映射是唯一的，而逆映射并不唯一， 如从详细设计到概念设计的映射。 共轭映射是指映射的特征空间之间包含相同的一组基本单元，但是能够通过 组合产生不同的解释。如图1 1 所示，对于同一个b - r e p 模型，针对设计特征和 加工特征的定义可以给出不同的解释。由图的左边可以看出，设计特征解释是该 模型由三个凸台特征组成；而图的右边加工特征给出的解释是两个槽加工特征。 印慨 柏n3 1 多 妻荔么 s i o l s lo n a2 一坳1 l 国弱 图1 1 共轭映射 相联映射一般用来表示不同特征空间之间的关联，如公差与尺寸的关联、结 6 浙江大学硕士学位论文第l 章绪论 构分析中载荷条件与几何模型中边界对象的关联。 需要注意的是，两个特定的特征空间之间的映射一般不能通过单一种类的映 射方法就能完成，这时需要组合多种映射方式。比如，从设计模型到分析模型的 映射同时包含了投影映射和相联映射，而从设计特征模型到工艺规划模型的映射 同时包含了共轭映射和相联映射。 1 2 4 分析特征 目前c a d - f e a 集成方面最大的困难仍然是如何产生合理的分析模型。有研究 表明，根据设计模型建立分析模型的时间占整个分析时间的8 0 左右，处理过程 包括细节移除，降维，材料定义，施加载荷和约束等。这一方面是由于这些处理 过程往往比较复杂，很大程度上依赖于分析人员的经验。另一方面在上述过程中 目前大多采用的还是基于边界表示的底层几何操作，没有使用更高层次的几何操 作。为了提高分析模型生成的效率，有学者将特征的概念引入到c a d - f e a 集成领 域，提出了分析特征的概念。s h e p h a r d n 刚认为模型的不同部分一般需要进行不同 的简化处理，可以将这些不同部分定义为分析特征。比如，对于二个c a d 模型， 比较薄的部分可以提取中面，作为一个s h e l l 特征，细长的部分可以作为一个b e a m 特征。将分析特征定义为c a d 模型简化操作的基本单位，可以方便模型的简化过 程，但是无法支持同分析模型建立相关的其它处理过程。d a b k e 心町认为分析特征 的定义应该同有限元分析中常用的单元类型联系起来。分析特征的识别不仅要考 虑几何信息，还要考虑边界条件等分析属性。这种方法的不足之处是往往依赖于 基于知识( 分析经验) 的专家系统的帮助，而合理的专家系统的建立并不容易。 c u i l l i e r e 盥将分析特征定义为可能产生应力集中的形状特征，利用该信息可以 有助于生成自适应的网格。为了确定特征周边的网格密度，作者引入了影响区域 的概念。但是该方法在识别可能引起应力集中的特征时，仅考虑了凹边、凹面等 几何信息。这种做法并不恰当，因为在实际的分析当中，考虑到不同的载荷条件， 凹的区域并不一定会产生应力集中。 l e e 乜2 3 提出了，种可以统一表示设计特征和分析特征的集成模型，从集成模型 7 浙江大学硕士学位论文 第l 章绪论 中可以导出不同细节层次的c a d 模型和不同抽象层次的c a e 模型。在l e e 的方法 中，分析特征是由设计特征经过一定的简化处理得到的。这种方法要求设计特征 与分析特征之间存在着一一对应的映射，但是这种映射有时是不存在的。而且目 前该方法仅支持部分简单特征的简化处理，对于复杂特征的处理还需要用户的交 互。 a i f a o u i 口3 3 将分析特征定义为一组通用的参数化的分析过程，这些过程从分析 问题的定义开始，以分析结果的评估作为结束。为了合理地定义分析过程，作者 提出了三类模型以及模型之间的关系，它们的定义如下：1 ) 与设计模型直接相关 的物理模型( m e c h a n i c a lm o d e l ) ，涉及的信息包括整体结构、简化模型、单元的 行为以及载荷的分布等；2 ) 仿真模型( s i m u l a t i o nm o d e l ) ，提供了一组可以评估 物理模型行为的规则、公式以及方法；3 ) 观察模型( o b s e r v a t i o nm o d e l ) ，包含 一组观察变量以给出对产品行为的定量评价。该方法从过程定义的角度给出了分 析特征的定义，在一定程度上实现了分析过程的重用。但实际的分析过程往往没 有通用的模板，这样的定义不仅失去了灵活性，还要求用户具有更多的分析经验。 1 3c a d - f e a 集成的相关技术 为了更好地支持c a d f e a 之间的集成，有必要先了解一下，在实际的分析应 用当中，一般会涉及的几种不同的c a d - c a e 集成方式。g o r d o n 口4 1 总结了c a d c a e 集成的一些相关问题。他认为c a d 与c a e 之间是否紧密、自动甚至无缝地集成， 很大程度上取决于工程分析的领域、规模、用途与c a d 模型的类型和细节是否接 近。此外，他还给出了有关c a d - c a e 集成的三种不同方式以及适用的情况。下面 将简单介绍下这三种集成方式： 1 ) 一致集成。这种情况一般在机械计算机辅助工程系统( m e c h a n i c a l c o m p u t e r - a i d e de n g i n e e r i n g ，m c a e ) 中比较常见，如机械或电子小零件的分析， 管道分析等。在这种集成方式中，设计和分析活动需要的几何模型完全一致。如 浙江大学硕士学位论文第l 章绪论 图1 2 所示，在这种情况下，c a d 与c a e 之间能够达到真正的无缝集成，不需要 移除多余的细节，也不需要进行降维处理，分析人员和设计人员使用的是相同的 建模操作。所以可以通过直接对c a d 模型进行网格划分得到适合分析需要的分析 模型。 图1 2 一致集成拉引 2 ) 以c a d 为中心的集成。如图1 3 所示，这种集成方式往往首先采用c a d 系 统生成几何模型，然后传递给c a e 系统进行分析。由于c a d 系统产生的模型对于 大多数分析来说，不是包含了太多的细节，就是与分析需要的几何类型不一致。 所以需要采用自动或半自动的方法，对c a d 模型进行调整以产生适合分析需要的 几何模型，如移除无关的细节，增加新的特征，或者改变几何对象的类型，即降 维。然后通过在调整产生的几何模型上划分网格才能得到最终的分析模型。 d e 十e a t u r ed i s c r e t i z e 图1 3 以c a d 为中心的集成胁 3 ) 以c a e 为中心的集成。如图1 4 所示，这种集成方式采取了同其它集成方 式不一样的途径，首先从c a e 系统出发建立适合分析的几何模型，这些模型一般 是比较简化的模型，是由分析人员根据设计概念和分析原理建立的；然后采用工 程分析技术对这些简化的几何模型进行分析、验证以及改进；如此迭代直到得到 满意的功能、性能指标为止，这时通过在这些简化的几何模型上增加细节或改变 几何对象的类型就可以得到最终的产品模型。 9 浙江大学硕士学位论文第l 章绪论 m o d l t y p e o r 。g e n d e 广 三g 馆e 如o m e c t 会r y 。上l 一一 、 一d e t a n s & s i m u l a t i o n 。、 、gseom嘲etcry一石pave 、 m e s h d i s c r e t i z e 图1 4 以c a e 为中心的集成1 其中，采用第一种集成方式虽然可以达到c a d 与c a e 之间的无缝集成，但是 其适用的范围有限。这类集成要求设计和分析活动使用相同类型的几何模型，而 现代产品往往具有大规模，多领域，多学科交叉等特点，一般不可能满足这样的 要求。与其它两类集成相比，g o r d o n 认为以c a e 为中心的集成更有利于c a d 与 c a e 之间的有效集成。通过分析来指导设计可以避免设计的盲目性，减少设计的 成本。但是这种集成方式也对分析人员提出了更高的要求，他们不仅需要具有更 多的建模知识，还需要了解更多有关产品的功能、性能方面的信息。而且目前也 缺少能够在简化模型上增加细节或进行增厚处理的有效方法。再加上c a d 技术在 工业界的广泛应用，人们还是更倾向于采用以c a d 为中心的集成方式。本文提出 的集成模型也主要支持以c a d 为中心的集成，以后将添加更多适合分析的建模方 式，来支持以c a e 为中心的集成方式。 由上面的讨论可以知道，在c a d - f e a 集成的过程中，往往会涉及一系列中间 处理过程，所以就需要有能够有效支持上述处理过程之间的信息交换以及共享的 集成模型。c a d - f e a 集成模型能够保存和管理设计、分析活动产生的所有数据以 及活动本身，简化了不同中间处理过程之间的信息交换。集成模型定义得是否合 理对设计与分析之间是否有效集成有很大影响。由于集成模型在c a d f e a 集成中 的重要性，一些学者开始了这方面的研究。 s h e p h a r d 心踟给出了一种在实体建模环境中集成有限元建模功能的集成方案 在该方法中集成数据模型包括：材料属性、载荷、边界条件、网格属性、分析过 1 0 j | o 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 程信息等。此外，他还讨论了如下问题：1 ) 造型系统应该提供适合分析人员使 用的建模操作；2 ) 使用专家系统来指导分析和设计过程；3 ) 对分析模型中才会 出现的几何对象表示提供支持，如结构分析中的流体结构之间的相交部分。 r e m o n d i n i 啪3 提出了支持结构分析与设计活动集成的通用数据结构。作者认为 该模型可以作为设计模型与结构分析求解器之间的桥梁，使得两者之间既能保持 联系，又能相对独立以方便重用。该模型采用了如下基本数据表示：1 ) 单元模 块( e l e m e n t ) 。这里的e l e m e n t 不是指有限元理论里的单元，而是指组成分析几 何模型的基本单元，如梁、板、壳等；2 ) 边界条件( b o u n d a r yc o n d i t i o n ) 。描 述施加在单元模块边界上的载荷条件，如位移，作用力等；3 ) 几何表示( d o m a i n ) 。 描述与e l e m e n t 相关的几何模型表示：4 ) 拓扑( t o p o l o g y ) 。使用无向图表示 e l e m e n t 之间的邻接关系；5 ) 模型( m o d e l ) 。描述与整体模型相关的信息。 0 b a r a 乜力等人提供了一套基于属性表示的数据结构，用来管理工程分析过程 中产生的分析属性，如材料属性，载荷，边界条件等。此外，该数据结构还支持 分析属性与几何信息之问的关联，以及分析属性的重用等。 l e e m l 提出了一种集成的特征模型，包含了c a d 和c a e 需要的不同种类的特征 模型。考虑到c a e 需要的几何模型可能是非流型的，所以该方法还提供了支持非 流型建模的一套数据结构。但是该集成模型仅包含了几何信息，并没有包含有限 元分析需要的载荷、分析过程控制等信息。 l i a n g 踟提出了通过集成数据共享环境( i p d e ) 来实现不同应用领域之间信息 集成的方法。该方法给出的集成模型主要基于a p 2 0 3 ，2 0 9 ，2 1 4 ，2 2 4 等 s t e p ( s t a n d a r df o rt h ee x c h a n g eo fp r o d u c tm o d e ld a t a ) 标准实现，能有效 地支持飞机机身设计过程中的各种处理过程。其中，a p 2 0 9 心郇给出了针对设计和 分析集成过程中所需数据的标准表示。下一小节将详细介绍s t e pa p 2 0 9 标准。 1 3 2 1c a d - f e a 集成的标准化工作s t e pa p 2 0 9 s t e p 标准是由国际标准化组织从1 9 8 3 开始着手建立，旨在为产品生命周期 的所有数据提供独立于特定系统的计算机可解释的中性表示。s t e p 标准提出的层 浙江大学硕士学位论文第l 章绪论 次结构是以通用集成资源( i n t e g r a t e dr e s o u r c e ，i r ) 为基础，再加上一系列与 特定应用领域相关的应用协议( a p p l i c a t i o np r o t o c o l ，a p ) 构成的。所谓通用 集成资源，就是用于定义产品设计的一组基本元素，包括几何和拓扑表示以及其 它特殊的表示。而应用协议的引入是为了提供一种机制能够在满足特定应用领域 信息要求的同时又能保证可靠的数据交换。应用协议涉及的信息包括与应用相关 的背景，范围，信息要求，以及从集成资源中选取的满足上述信息要求的数据表 示。每个应用协议还采用了如下三类模型表示：1 ) 应用活动模型( a p p l i c a t i o n a c t i v i t ym o d e l ，a a m ) 。用来描述特定应用背景下，产生和管理产品数据的活动 与过程。通常采用i d e f o 建模语言来表示上述活动和过程，包括数据交换的输入 和输出等；2 ) 应用参考模型( a p p l i c a t i o nr e f e r e n c em o d e l ，a r m ) 。指定了描 述特定应用领域信息要求的概念结构和约束