（机械设计及理论专业论文）基于语义标记的快速有限元分析关键技术研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 有限元方法作为计算机数值模拟中的一种重要手段，在新产品开发设计中得到了广 泛的应用。如何重用已有有限元分析案例的分析知识，提高有限元分析的效率，减少模 型离散化过程中繁琐的重复劳动，成为了有限元分析领域的难点问题。本文提出了一种 基于语义标记的快速有限元分析方法。该方法通过工程语义标记及x m l 匹配等关键技 术为产品开发人员提供快速有限元分析服务。 首先提出了基于语义标记的快速有限元分析方法的理论框架，将快速有限元分析方 法划分为三个阶段：问题定义阶段、问题形式化阶段和问题求解阶段，描述了各主要模 型的定义，包括设计主模型、场景模型、理想化模型、c a e 分析模型和c a e 离散模型， 并阐述了该方法的运行机制。其次，给出了工程语义的标记及提取的方法，主要工作包 括：完成工程语义的定义，通过属性建立了工程语义与几何模型之间的关联，给出了用 户交互的工程语义标记方式以及动态生成标记界面的方法，提出工程语义的提取方法及 语义标记x m l 文件的生成方式。然后，本文研究了有限元分析模板的建立过程，提出 了基于x m l 的有限元分析模板的建立方法，给出了工程语义x m l 文件与有限元分析 模板x m l 文件之间的匹配算法，利用该算法进行x m l 文件匹配，生成有限元分析软 件的命令流。 最后，本文利用v c h 6 0 、j s p 等编程工具开发了快速有限元分析系统，利用该系 统实现了对零件模型的工程语义标记，建立了有限元分析语义与设计语义之间的联系， 实现有限元分析过程的快速化、参数化、自动化。目前该系统已经试运行，运行结果表 明该系统能够使得普通设计人员也可以快速建立有限元分析模型验证设计结果，从而有 效缩短进行分析设置的时间，提高了产品开发效率。 关键词：有限元分析；语义标记；x m l 匹配；快速分析 基于语义标记的快速有限元分析关键技术研究 r e s e a r c ho i lt e c h n o l o g yo fs e m a n t i cm a r k u pb a s e d r a p i df i n i t ee l e m e n t a n a l y s i s a bs t r a c t a sa ni m p o r t a n tm e t h o do fc o m p u t e rs 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 ( f e a ) h a sb e e n w i d e l yu s e di nt h en e wp r o d u c td e s i g na n dp r o d u c tm o d i f i c a t i o nf i e l d s h o wt or e u s et h e a n a l y s i sk n o w l e d g e i nt h ef i n i s h e df e a c a s e s ，h o wt oe n h a n c ef e ae f f i c i e n c ya n dr e d u c et h e s u b s t a n t i a ld u p l i c a t i o no fw o r ka r eb e c o m i n gt h ed i f f i c u l tp r o b l e m so ff e a t h i sp a p e r p r o p o s e da na p p r o a c ht h a ti sb a s e do nt h es e m a n t i cm a r k u pf o rr a p i df e a t h ea p p r o a c h d r a w nf r o ms e m a n t i cm a r k u pt e c h n o l o g ya n dt h ex m l m a t c h i n gt e c h n o l o g yp r o v i d e sr a p i d f e as e r v i c ef o rt h ep r o d u c td e s i g n e r sa n da n a l y s t s f i r s t l y , t h et h e o r e t i c a lt 臣a m e w o r ko f t h er a p i df e a a p p r o a c hi sg i v e n t h ep r o c e s so f t h e r a p i df e aa p p r o a c hi sd i v i d e di n t ot h r e ep h a s e s ：p r o b l e md e f i n i t i o n , p r o b l e mf o r m u l a t i o na n d f e as o l u t i o nr o u t i n e ，m a i nm o d e l st od e f i n ei n c l u d e ：m a s t e rm o d e l ，e n g i n e e r i n gm o d e l ， i d e a l i z a t i o nm o d e l ，a n a l y t i c a lm o d e la n dn u m e r i cm o d e l t h eo p e r a t i o n a lm e c h a n i s mo ft h i s a p p r o a c hi ss t u d i e d s e c o n d l y , r e s e a r c ho nt h et e c h n o l o g yo f t h er a p i df e a m e t h o d m a r k i n g a n de x t r a c t i n gm e t h o d so f t h ee n g i n e e r i n gs e m a n t i cm a r k u pa r eb r o u g h tf o r w a r d m a i nw o r ko f t h i sp a r ti n c l u d e ：t h ed e f i n i t i o no fe n g i n e e r i n gs e m a n t i c ；p r e s e n t i n gt h er e l a t i o nb e t w e e n e n g i n e e r i n gs e m a n t i cm a r k u pa n dg e o m e t r i cm o d e lt h r o u g hp r o p e r t i e s ；b r i n g i n gf o r w a r dt h e s e m a n t i cm a r k u pm e t h o dv i ai n t e r a c t i v eu s e ri n t e r f a c e sa n dt h eg e n e r a t i o no ft h ed y n a m i c i n t e r f a c e s ；r e s e a r c h i n go nt h em e t h o d so fe x t r a c t i n gs e m a n t i cm a r k u pa n dh o w t og e n e r a t et h e e n g i n e e r i n gs e m a n t i cm a r k u px m lf i l e b e s i d e s ，t h i sp a p e rp r e s e n t st h ec r e a t i o no ft h ef e a t e m p l a t ea n dt h em e t h o do f f e at e m p l a t e sg e n e r a t i o nb a s e do nx m l t h em a t c h i n g a l g o r i t h mb e t w e e ns e m a n t i cm a r k u px m lf i l ea n df e ax m lt e m p l a t ef i l ei sg i v e n ，b yw h i c h a l g o r i t h m ，x m lf i l e sc a ng e tm a t c h e da n df e ac o m m a n df l o wi sg e n e r a t e da u t o m a t i c a l l y l a s t l y , p r o g r a m m i n gt o o l ss u c ha sv c h 0a n dj s pa r eu s e df o rt h es y s t e m w e c a r l m a r kt h ee n g i n e e r i n gs e m a n t i cf o rt h ep a r t ；a l s ow ec a ne s t a b l i s ht h er e l a t i o n sb e t w e e nf e a s e m a n t i ca n dd e s i g ns e m a n t i c w i t ht h i ss y s t e m , t h ew h o l ef e a p r o c e s sg e t sr a p i d ，p a r a m e t r i c a n da u t o m a t i c s of a r ，t h i sm e t h o dh a ss h o w ng r e a ta d v a n t a g e si nt h ef e am o d e lb u i l d i n g ，t h u s s h o r t e n st h et i l t l ei tt a k e st ob u i l d i n gt h ef e am o d e la n dp r o m o t e st h ed e v e l o p m e n t e f f i c i e n c y o fn e w p r o d u c t s k e yw o r d s ：f e a ；s e m a n t i cm a r k u p ；x m lm a t c h i n g ；r a p i da n a l y s i s 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均己在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目：基王适墓拯运数迭速直医丞佥堑差毽技盔堑窒 作者签名：嗑：建日期皇! ! 刍年坠月二日 大连理工大学硕士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题目： 作者签名： 导师签名： 日期：翻年生月三日 日期：2 = l 年旦月笪日 大连理工大学硕士学位论文 1绪论 1 1课题的提出 在产品开发过程中，目前广泛应用计算机辅助设计( c a d ) 及计算机辅助工程( c a e ) 方法。c a d 用于表达产品的几何信息，进行产品结构设计。c a e 主要用于产品的性能 分析与仿真。有限元方法是c a e 的主要方法，它是根据变分原理求解数学物理问题的 一种数值方法，在新产品开发或改型设计中得到了广泛的应用【l 】。自2 0 世纪5 0 年代提 出该方法以来，随着矩阵理论、数值分析方法，特别是计算机科学与技术的发展，有限 元法无论在理论研究还是在应用上都取得了巨大进步，成为计算机数值模拟中的重要手 段。它从最初的固体力学领域拓展到了电磁学、流体力学、传热学及声学等领域，从简 单的静力分析发展到了动态分析、非线形分析、多物理场耦合分析等复杂问题的计算【2 】。 有限元法目前已成为计算机数值模拟中的一种重要手段。现广泛应用于机械、电子、航 空航天、汽车、船舶、建筑以及石油化工等领域。 有限元分析人员及专家在使用传统的有限元分析软件进行分析时，每当零件尺寸结 构发生变化或网格划分发生改变时，都需要对相关的分析设置进行调整。如果采用人机 交互模式，则所有的边界条件、载荷等都需要重新设置；若采用的是命令流方式，虽然 可以使用命令流通过特征坐标和特征参数来选择特征编号，但往往需要对几何模型进行 参数化，若零件结构复杂，参数化过程比较繁琐。如果几何模型不是参数化的，当模型 发生改变时，就需要手工修改命令流，这些都是大量重复性的繁杂工作，消耗了有限元 分析人员的大量时间和精力。 传统的有限元分析模式，未能从知识处理的角度对现有的成果进行合理的组织、描 述与管理，重用已有分析过程中的知识，从而提高有限元分析的效率，降低有限元分析 的技术门槛 3 】。对于普通的设计人员来说，建立有限元分析离散模型的过程具有一定的 难度，需要花费很多时间。 因此研究快速有限元分析关键技术及系统实现具有明显的理论意义和使用价值，可 以解决目前有限元分析在工程应用中面临的上述问题。 1 2 相关领域国内外研究现状 1 2 1c a d g a e 一体化技术研究现状 文献 1 提出了基于工程规则的有限元分析建模知识表示及知识重用方法，以类的形 式对产品有限元分析建模中的工程规则进行表示，满足了分析建模过程中知识管理的需 基于语义标记的快速有限元分析关键技术研究 要，并对有限元分析建模过程中的知识重用提供支持【l 】。文献 4 通过建立基于特征的集 成化产品信息模型，在基于特征的c a e 建模技术和智能后处理技术基础上实现了模型 建立与有限元分析的系统集成【4 1 。文献 5 8 采用基于特征的非流型建模技术，将不同类 型的几何模型进行合并，形成零件主模型，通过选择操作实现了从主模型中同步快速提 取适用于c a d 的实体模型和适用于c a e 的非流型模型，有效地解决了c a d c a e 系统 集成以及c a d 、c a e 间的双向集成问题【5 培】。文献 9 提出采用有限元模型转换代替几何 模型转换的方法，通过自行编制的模型转换接口程序，成功地实现了有限元模型从c a d 系统到c a e 系统的方便快捷的“零失真”转换【9 1 。文献 1 0 给出了一种在a n s y s 和v i s u a l c 抖环境中建立参数化有限元模型的方法，用户在对话框中输入相应的参数后，在有限 元软件中打开程序输出的文件，就可以得到有限元模型【1 0 】。上述方法都只是从某个方面 或者只是针对某种分析软件解决了有限元分析的信息集成和知识重用问题，但是并不支 持全过程。 1 2 2 标记语言与x m l 技术 标记是在信息文档添加的一种元数据信息( 描述信息的信息) ，主要包括人们熟知 的标签、引用及注释等。标记语言是在文档中添加标记时所采用的规则的集合。标记语 言仅表示信息，不参与运算与操作。迄今为止，已有三种主要的标记语言被提出【1 1 】： ( 1 ) 标准通用标记语言s g m l ( s t a n d a r dg e n e r a l i z e dm a r k u pl a n g u a g e ) 1 9 8 6 年，国际标准化组织为了满足提高文档可移植性的迫切要求，制订了文档记述 的s g m l 标准【1 2 1 。s g m l 功能强大，标记可以自由定义，有极好的可扩展性。主要用 于大量高度结构化数据和其他各种工业领域，便于分类和索引【”】。s g m l 的功能十分强 大和灵活，它可用s g m l 声明定义所用的字符集、定界符和命名规则，并有许多可选特 础1 4 】。但其过于庞大，因而难学、难用，计算机实现也比较困难，不适合一般的网络应 用，再加上开发成本高、不被主流浏览器所支持等原因，使得s g m l 在网络上的推广受 到阻碍。 ( 2 ) 超文本标记语言h t m l ( h y p e r t e x tm a r k u pl a n g u a g e ) 随着计算机网络的发展，需要网上统一的信息表示形式，而s g m l 过于庞大，难于 直接应用于w e b 。1 9 8 9 年，欧洲核子物理研究所的研究人员提出了超文本标记语言 h t m l 的标准【l5 1 。h t m l 中的标记是固定的，它是s g m l 在w e b 上的一个应用。 ( 3 ) 可扩展标记语言x m l ( e x t e n s i b l em a r k u pl a n g u a g e ) h t m l 页面大都由手工编写，需要巨大的创作和维护费用，难以处理动态变化的内 容，而且大部分页面是为了显示给人阅读而设计的，机器很难自动处理其中的信息。为 大连理工大学硕士学位论文 此w 3 c 于1 9 9 8 年公布了x m l l 0 标准 1 6 】，并不断改进至今。x m l 是w 3 c 制定的用于 描述数据文档中数据的组织和安排结构的语言。w 3 c 将x m l 定义为：“x m l 描述了 一类被称为x m l 文档的数据对象，并部分地描述了处理它们的计算机程序的行为。 【1 7 j x m l 是s g m l 的一个子集【1 8 】。x m l 只取用s g m l 系统中文档结构的核心部分， 从而使其更易于书写应用、更易于理解、更适合在网络上处理、传输和交互【1 9 】。x m l 具有以下特点【2 0 】： ( 1 ) x m l 遵循严格的语法要求； ( 2 ) x m l 允许各种不同的专业开发与自己的特定领域有关的标记语言； ( 3 ) x m l 允许你根据各种不同的规则来制定标记； ( 4 ) x m l 的最大能量来源于它不仅允许你定义自己的一套标记，而且这些标记不 必仅限于对于显示格式的描述； ( 5 ) 由于x m l 是非专有的并易于阅读和编写，就使得它成为在不同的应用间交换 数据的理想格式； ( 6 ) 由于标记是有含义的，所以即使过了很长时间用户仍然可以很容易的理解 x m l 文档； ( 7 ) x m l 是基于w 3 c 定制的开放标准，从而使得基于x m l 的应用具有广泛性。 1 2 3 三维模型语义标记技术研究现状 从信息建模角度讲，语义是构建在一定语法上，反映一定认知结果的数据模型，数 据对象之间的关系的描述与客观存在的一种对应关系 2 1 1 。“标记 这个词来源自传统出 版业的“标记 一个手稿，也就是在原稿的边缘加注一些符号来指示打印上的要求。长 久以来，这个工作都是由专门的人员以及校对人员来进行，对原稿标识出使用什么样的 字体，字型以及字号，然后再将原稿交给其它人进行手工的排版工作【2 2 】。标记的广义概 念是指为一个信息实体添加额外的信息以识别内容并允许对实体进行处理。在工程领 域，语义标记是很古老的概念，设计人员在草图或图纸上用符号表示零件要达到的表面 光洁度及公差等就是一个简单的标记的例子【2 3 】。 作为继声音、图像和视频之后的第四代多媒体数据类型，三维模型己经被广泛应用 于工业设计、虚拟现实、影视动画和分子生物学等领域，可共享的三维模型数量更是以 指数方式在快速增长 2 4 1 。当前三维模型已成为表达产品信息的核心媒介 2 5 1 。近年来，三 维模型的语义标记技术也在不断发展。 文献 2 6 】建立了名为“s h a p e a n n o t a t o r 的系统，即形状标注器系统。该系统会表示 出三维模型中具有意义的子部分，并通过用户交互界面使用本体中表达的概念对检测出 基于语义标记的快速有限元分析关键技术研究 的部分进行标记。这一系统被用于在基于网络的虚拟现实中建立头像，以及在电子化制 造模式下的产品设计【2 6 1 。文献 2 7 】对“s h a p e a n n o t a t o r 系统在电子化制造模式下的产品 设计方面的具体应用进行了阐述【2 7 】。“s h a p e a n n o t a t o r 系统侧重于语义标记及知识在 产品设计过程中的应用。文献【2 8 】提出了一种产品表示方法称为“l i m m a ”，即轻量级 产品模型的多层次标记方法。该方法通过使用三维模型轻量化的表示以及模型的标记建 立了产品几何模型与产品全生命周期数据之间的联系。同时也将使用边界表示法标记的 产品轻量级表达与标记语言x m l 的使用整合为一体【2 8 1 。文献 2 3 在基于几何模型语义 标记的基础上提出一种多视点设计的方法。该方法的核心是通过采用不同规则的工程技 术人员对同一模型进行标记，使得零件模型的工程语义明确清楚，允许设计过程中的更 高自动化水平的模型处理，减少了对使用者工作量的需求。该方法对u g 软件及其自带 的静力分析应用模块进行二次开发，在u g 的环境下完成对零件的工程语义标记，这些 语义只是简单的被添加到模型中并保存起来，在这些工程语义的基础上，自动在u g 的 静力分析模块中完成有限元分析【2 3 1 。该方法的主要缺点是工程语义只是简单的存储在几 何模型中，并没有使用相关的标记语言对工程语义标记结果进行描述。因此在工程语义 的使用上具有局限性，并且只是在u g 本身自带的有限元分析模块中完成对工程语义的 提取使用，限制了工程语义的表达及应用范围。 1 2 4 快速有限元分析技术研究现状 有限元分析技术作为产品设计的重要支持技术和手段，它以计算机、外围设备及其 系统软件为基础，包括优化设计以及仿真模拟等内容。随着网络和并行、高性能计算机 的普及，异地、协同、虚拟设计及实时仿真也得到了广泛应用。 文献 2 9 给出了基于特征造型的有限元建模的基本框架，提出在c a d 设计模型的基 础上添加分析属性特征形成属性模型，对属性模型进行基于特征的细节编辑、减维抽象、 对称性简化等操作形成抽象模型，对抽象模型进行基于特征的有限元网格自动生成。认 为为了实现基于特征的设计模型向有限元分析模型的转化，必须开发基于特征的属性模 型编辑器、基于特征的细节编辑器、基于特征的减维抽象编辑器、基于特征的对称性简 化编辑器、基于特征的有限元网格生成器，从而实现对任何特征的修改都会引起模型的 全自动自适应修改【2 9 1 。但是侧重于理论研究，并未完成基于特征的属性编辑器、细节抽 象编辑器、减维抽象编辑器、对称性简化编辑器等软件的开发工作，在有限元分析中， 没有涉及到对现有分析知识的重用。文献 3 0 】基于p r o e n g i n e e r 阐述了从c a d 模型到 c a e 模型的建立过程。以仿蜂窝结构的锻压机床横梁为例，先将模型进行参数化，并利 用a p d l 建立了其参数化有限元分析模型的方法。然后使用x m l 语言描述了基于a p d l 大连理工大学硕士学位论文 的参数化有限元分析模型，并采用x s d 定义了其前处理、后处理的过程【3 0 】。在实际的 产品设计及有限元分析过程中，若零件结构复杂，则对其进行参数化的过程十分繁琐。 而且参数化后的模型只能适应模型参数尺寸的变化，一旦与参数化尺寸相关的结构发生 变化，则需要重新对其进行参数化，该方法对结构细小变化比较多的零件模型不适用。 1 3 课题的来源及课题意义 目前有限元分析技术已经在得到了广泛的应用。有限元分析过程中往往需要高水平 的专家知识和全面的设计、分析信息，因此普通设计人员对设计的零件进行有限元分析 前，需要对上述的知识有充分的了解，这需要消耗一定的时间和精力。专业的有限元分 析人员及有限元分析专家在使用传统的有限元分析软件进行分析时，通过网格结点施加 载荷与边界条件，这属于纯几何问题，并没有考虑工程意义，网格发生改变后需要重新 设置相关参数，增加了分析人员的重复劳动，降低了有限元分析的效率。 本文在国家自然科学基金资助项目“支持敏捷产品开发的设计仓库系统研究 的支 持下，对基于语义标记的快速有限元分析关键技术进行了研究，建立了基于语义标记的 快速有限元分析系统。这里的快速是指利用计算机程序模拟有限元模型建立、求解的分 析过程，降低期间的人为干预，使普通的设计人员也可以快速建立有限元分析模型进行 分析来验证设计结果，提高设计效率。本文所提出的方法已经在风电增速箱的静力分析 中得到验证，通过对有限元分析语义和产品分析模板的扩展即可实现其他产品零件的静 力分析、模态分析、热分析等多领域产品多种分析类型的扩展，具有良好的可扩展性、 灵活性、松耦合性。 1 4 本文研究主要内容 本文的主要研究内容包括： ( 1 ) 提出了基于语义标记的快速有限元分析方法的理论框架、各主要模型定义以 及运行机制。 ( 2 ) 研究了工程语义的标记和提取方法，包括工程语义的定义，工程语义与模型 之间的关联方式、工程语义的标记方式、工程语义的提取方式以及语义标记x m l 文件 的生成。 ( 3 ) 研究了有限元分析模板的建立过程，以及基于x m l 的有限元分析模板的描 述。 ( 4 ) 研究了标记后生成的工程语义x m l 文件与c a e 模板之间的匹配算法以及有 限元分析软件命令流的生成过程。 整篇论文分为5 章，结构如图1 1 所示。 基于语义标记的快速有限元分析关键技术研究 第二章快速有限元分析系统理论框架 总体框架分析阶段划分和主要模型定义 第三章工程语义标记与提取 方法研究i 工程语义定义、标记、提取 翩提出 第四章i l 匹配算法及分析命令流生成 方法研究匹配技术、命令流生成技术 n - - 一- 一一一一一一一- 一一一h 一一一一一一一一一一一一一一- 一一 弋夕 弟血草快速有限兀分析系统原型实现 系统实现 方法研究 开发与验证 二二二二二二二二j 噩 二二二二二二二 全文总结 图1 1 论文的结构 f i g 1 1 t h ef r a m e w o r ko ft h ed i s s e r t a t i o n 第l 章是绪论，主要介绍课题的来源和相关技术研究现状，包括c a d c a e 一体化 技术研究现状、标记语言及x m l 技术的发展与特点、三维模型语义标记技术的研究现 状以及快速有限元分析技术研究现状。 第2 章介绍了基于语义标记的快速有限元分析方法的理论框架，论述了快速有限元 分析方法与传统有限元技术的区别，详细介绍了快速有限元分析方法各分析阶段的划 分，各主要模型定义以及该方法的运行机制。 第3 章对工程语义标记技术进行研究，介绍了工程语义标记与提取的方法，说明了 工程语义的定义，给出了工程语义的标记方式、工程语义与模型之间的关联方式以及提 取生成工程语义标记x m l 文件的方法。 第4 章对x m l 匹配技术及有限元分析软件命令流生成技术进行研究，包括有限元 分析模板的建立，基于x m l 的有限元分析模板的语义表达及描述方法、工程语义标记 大连理工大学硕士学位论文 x m l 文件与基于x m l 的有限元分析模板文件之间采用的匹配算法以及有限元分析软 件命令流的生成过程。 第5 章介绍基于语义标记的有限元分析系统原型，包括开发的相关技术、系统功能 模块的划分等，并以风电齿轮箱的行星架的静力分析为例说明了系统应用的实例，最后 采用对比实验的方法完成了系统评估，对本系统的灵活性、有效性进行了验证。 基于语义标记的快速有限元分析关键技术研究 2 - 陕速有限元分析方法理论框架 2 。1 需求分析 传统的有限元建模中，分析属性( 载荷、边界条件、分析类型、材料等非几何信息) 的指定是在网格生成后进行的，如载荷、边界条件是物理模型离散后施加到网格结点上 或单元表面上。在对模型进行抽象简化时必须考虑分析属性的影响，否则得到的离散模 型是不合理的，有限元分析也将产生较大的误差甚至是错误的结果。而这些信息有些是 在设计过程中显式的表达出来，有些是蕴含在零件结构、功能、行为中的，有些是可以 通过推理得到的，因此建立有限元模型的时候应抽取设计阶段那些非几何信息( 分析属 性) ，并考虑它们对分析模型的影响，以使模型的抽象简化更加趋于合理。在进行一些 零件的设计过程中，几何模型的尺寸和结构往往会被不断的修改，每次修改后也往往需 要对其进行有限元分析来进行验证。在当前的有限元分析过程中，主要存在以下两方面 的问题需要解决： ( 1 ) 当几何模型发生尺寸、结构变化时，减少修改相关分析设置所需的时间；有 限元网格发生改变后，不需要人工修改命令流中相关特征对应的坐标或参数。 ( 2 ) 将有限元分析过程中那些非算法相关的任务抽取出来由有限元分析系统自动 完成，将降低分析阶段的人为干预，让有限元分析不再是少数专家掌握的技术，普通的 设计人员也可以快速建立有限元分析模型进行分析来验证设计结果。 为解决以上两个问题，本文提出了一种基于语义标记的快速有限元分析方法，首先 建立快速有限元分析方法的理论框架。 2 2 理论框架 2 2 1 分析阶段划分 在文献 3 13 的基础上，将设计分析集成过程归纳为以下三个阶段：问题定义、问题 形式化、问题求解【3 。问题定义是设计者进行产品结构设计，从设计角度提出待验证的 工程问题，快速有限元分析系统通过知识抽取将这个过程中的有关知识进行标注，并传 递到下一个阶段。问题形式化是本系统根据设计者提出的工程问题的具体场景，将上述 工程问题形式化表达为有限元分析问题。问题求解是系统根据形式化的问题进行推理得 到相应的求解程序，并进行求解及结果处理。这个过程中各阶段的关系如图2 1 所示 3 2 】。 大连理工大学硕士学位论文 图2i 快速有限元系统分析过程 f 2it h e p m so f t h e n p df e a 222 主要模型定义 主要模型定义如下： ( 1 ) 设计主模型：该模型的主要作用是定义设计问题，主要包括对产品的材料、 拓扑形状等结构特征、属性及其关系进行形式化描述和定义。它是对c a d 系统模型的 形式化描述，其中重要的部分是产品的几何模型，它是其他特征的信息载体。 ( 2 ) 场景模型：该模型的主要作用是定义工程问题，在这里工程问题指有限元分 析问题，包括产品对象实体进行各类工程分析所必要的一些信息：边界条件信息、载荷 信息、分析问题的类型、需要返回的性能指标等方面，相当于是输入有限元分析的初始 条件。这种方法提前了边界条件定义，这样为后续的模型简化提供了分析依据。即使不 同的应用分析软件划分的网格不同，边界条件也不需要重新定义了，增加了方法的灵括 性和适应性。通过引用主模型来建立分析与设计语义的关联，一个主模型可咀建立多个 场景模型。比如，结构的疲劳测试应力分析、动力响应分析。 ( 3 ) 理想化模型：它根据场景模型中的设计、分析语义对几何模型进行抽象和简 化。理想化模型，沿用了主模型的几何特征，但本身可以包古一些独立的信息，如在主 基于语义标记的快速有限元分析关键技术研究 模型中可能有很多圆角，但在分析模型中为了使问题简化，可以抑制这些圆角。一个场 景模型对应一个理想化模型。 ( 4 ) c a e 分析模型：该模型的主要作用是生成一个与软件无关的分析过程的语义 描述，它是根据前面定义的设计、分析语义生成分析模型的语义描述。 ( 5 ) c a e 离散模型：它是对数值模型的形式化描述，直接根据上一步的分析模型 的语义描述以及有限元分析的参数化模板，通过x m l 匹配对模板进行实例化，生成应 用软件能够识别的命令流文件，在应用软件中生成分析对象实体，进行网格划分，将分 析模型中的有关信息加载到划分后的网格上，进行计算及后处理操作。 2 3 运行机制 本方法的原型系统由一组包含客户端软件交互工具的可扩展升级的多层次结构组 成，并且基于网络，提供在线设计服务，支持多规则设计应用的语义互连。系统主要功 能模块和用户交互工具的功能结构如图2 2 所示【3 2 】，包括以下四层：客户层，网络层， 领域逻辑层和数据源层。 国产拜蕊瓷挎橇规 谬义概记攘块 l 一 理想亿筱凌 i 语义舞敬援嫒 l i 仃t p 壤务嚣 习 推憋弓| 擎 壤 i ：j x m l 廷蔷与宙夸液生成授凌 l 麟子系统，1 ； i 教拐接 臻竣i t 国国 x m i j 1 有歉无分暂i 实例熙7 l 竺嘲g 髯譬 涮络嫠 彰域 递翰怒 数嬲藐屡 图2 2 快速有限元设计系统结构 f i g 2 2 t h es t r u c t u r ef o rt h er a p i df i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss y s t e m 、ill，lli一、，ij 大连理工大学硕士学位论文 ( 1 ) 客户层：采用精简网络客户端模式，用少量的客户端代码整合快速有限元分 析服务请求并接收分析结果，由语义标记模块、理想化模块、语义提取模块及其他应用 组成。 ( 2 )网络层：采用“模式视图控制器 模式。s e r v l e t 起到应用结构控制器的作 用，它得到用户请求并将请求分发到后端模板程序进行处理，待处理完成后将分析结果 传递给j s p 页面并显示在用户的浏览器上。 ( 3 ) 领域逻辑层：本层提供基于网络的有限元分析，基于实例的推理技术的推理 引擎，x m l 匹配和命令流代码生成模块。 ( 4 ) 数据源层：本层用来存储、检索和管理设计模型、x m l 文件、服务器数据 库中的实例文件、规则以及文件库。 在系统实现时，由于开发的工作量大，理想化模块和推理引擎由项目组其他同学负 责开发。 用户在网页上完成新用户注册过程，从网站的服务器中将客户端工具及帮助向导文 档下载到本地计算机，使用该客户端工具完成主模型及场景模型的定义，得到生成的描 述文件，然后将理想化后的几何模型文件及生成的语义标记描述文件通过网页进行上 传，向结构控制器发送有限元分析请求。结构控制器将客户的有限元分析请求、上传的 几何模型及描述文件分发到后端程序进行处理，生成有限元分析软件能够识别的命令 流，完成有限元分析过程，将得到的有限元分析结果通过网页反馈给用户。用户可将分 析结果下载到本地计算机。 2 4 特点分析 与传统有限元分析相比，本文提出的基于语义标记的快速有限元分析方法具有以下 特点： ( 1 ) 将施加的载荷、边界条件等分析语义同设计意图、设计特征等设计语义相关 联，在几何模型简化之前就考虑工程问题的定义。 ( 2 ) 通过对几何模型的语义标记实现设计信息与分析信息的有效集成。当几何模 型发生尺寸变化或进行去除倒角、小孔等理想化操作时，原有的工程语义不受影响依然 存在。 ( 3 ) 对有限元分析领域知识进行重用，只要零件的有限元分析特征相同，即可使 用同一模板进行分析，实现有限元分析过程的快速化、参数化、自动化。 基于语义标记的快速有限元分析关键技术研究 ( 4 ) 基于网络提供在线服务，有限元计算在后端服务器上完成，提高有限元分析 的效率，节省时间和成本。通过网络层提供客户端插件、语义标记向导帮助文档的下载， 便于程序及向导帮助文档的更新。 ( 5 ) 在语义标记向导帮助文档中提供实例库中己存在零件的语义标记步骤向导， 方便普通设计人员利用本系统快速完成语义标记过程，得到场景模型以及语义标记 x m l 文件。 2 5 本章小结 本章根据传统的有限元分析过程存在的问题，提出了快速有限元分析方法的理论框 架，并详细阐述了快速有限元分析方法的分析过程，各主要模型的定义以及运行机制和 特点。根据理论框架建立的快速有限元分析系统能够有效地解决传统有限元分析软件中 存在的上述问题，建立设计语义与工程语义的之间的关联，重用已有有限元分析过程中 知识，实现有限元方法分析过程的参数化、自动化。 大连理工大学硕士学位论文 3 工程语义标记与提取方法 本章研究快速有限元分析方法的关键技术之一：工程语义的标记与提取。设计者根 据设计零件的功能需求采用c a d 软件建立几何模型完成物理结构设计后，进行分析问 题定义，从设计角度提出待验证的问题，使用工程语义对几何模型进行标记，完成工程 语义描述并生成工程语义标记x m l 描述文件。通过在2 2 节中的分析可以得出，使设 计主模型、场景模型、理想化模型、c a e 分析模型、c a e 离散模型这五个模型能够彼 此联系的是几何特征，因为几何特征的关键点的坐标在各模型中是一致的。因此只要将 工程语义信息表示为语义变量和参数值，并对几何特征进行工程语义信息标注，然后通 过特征匹配，就可以实现设计分析全过程的信息集成。 3 1 工程语义定义 工程语义定义主要包括定义分析问题、定义材料、定义场景、定义网格、定义载荷、 定义约束、定义结果等。 ( 1 ) 定义分析问题：设计者对本次分析的名称、设计者、时间、分析目的等一般 信息进行明确说明。对与已定义的分析问题可以进行修改、删除。分析问题的定义与几 何模型的离散、理想化等无关。具体的b n f 描述如下： g e n e r a ld e f i n i t i o n s ：= j o bn a m e c r e a t e dt i m e ， a u t h o r , p u r p o s eo fa n a l y s i s ， o p e r a t i o n o p e r a t i o n ：= a d d i t i o n , m o d i f i c a t i o n , d e l e t i o n ( 2 )定义材料：设计者对几何模型的材料进行说明，定义材料需定义材料的参数 及作用区域。参数主要包括杨氏弹性模量、泊松比、密度、热膨胀系数、导热系数、比 热、相对磁导率、电阻率等。如果整个模型使用的是同一种材料，此时材料的作用区域 为整个模型，若模型是由复合材料组成，则需定义不同材料的不同作用域。对于材料， 可以执行的操作有添加材料，修改材料参数，删除材料。具体的b n f 描述如下 2 9 】： m a t e r i a ld e f i n i t i o n s ：= a c t i o na r e a , v a l u e ， o p e r a t i o n ； 基于语义标记的快速有限元分析关键技术研究 a c t i o na r e a ：- - v o l u m e ， p a r t , f e a t u r e o p e r a t i o n ：= a d d i t i o n , m o d i f i c a t i o n , d e l e t i o n ( 3 ) 定义场景：设计者进行场景定义，主要定义场景名称，选择本次有限元分析 所采用的分析软件，选择本次场景的分析类型。场景作用于整个零件上，可以对场景进 行添加、修改和删除操作。 s c e n a r i od e f i n i f i o n s ：= n a m e ， s o l v e r , t y p e ， o p e r a t i o n o p e r a t i o n ：= a d d i t i o n , m o d i f i c a t i o n , d d e t i o n ( 4 ) 定义网格：指定单元类型，网格划分方法以及单元尺寸。网格划分由系统根 据检索到的实例给出参考单元类型、参考划分方法及参考单元尺寸。设计人员可以采用 给定的参考值，或根据实际分析问题进行适当修改，或者不适用系统给出的方法，重新 定义所以网格划分相关的参数。可对网格进行的操作包括添加网格，修改网格划分参数， 删除网格。网格划分的b n f 描述如下： m e s hd e f m i t i o n s ：= a c t i o na r e a , d e m t y p e ， v a l u e m e s hm e t h o d ， o p e r a t i o n ； a c t i o na r e a ：= l i n e ， f a c e ， v o l u m e ， p a r t ， f e a t u r e e l e mt y p e ：= s t r u c t u r a l lt h e r m a l ln o ts o l v e d v a l u e ：= e l e r l ls i z e o p e r a t i o n ：= a d d i t i o n , 大连理工大学硕士学位论文 m o d i f i c a t i o n , d e l e t i o n ( 5 ) 定义载荷：根据作用区域不同，载荷可分为点载荷、线载荷、面载荷和体载 荷。载荷可以作用在实际存在的顶点、边、曲线、面、体，也可以作用在边上或面上孤 立的点，面上孤立的边和曲线，或实际存在的边、曲线、面、体的一部分。根据载荷类 型的不同，定义各类型载荷的参数也各不相同。定义载荷特征时，需指定载荷的坐标系， 若载荷存在方向性，则用坐标系中的矢量来描述载荷方向。设计人员可以对载荷进行添 加、修改、删除等操作。定义载荷的b n f 描述如下【2 9 】： l o a dd e f i n i t i o n s ：= a c t i o na r e a , t y p e ， v a l u e ， d i r e c t i o n , c o o r d i n a t e ， o p e r a t i o n ； a c t i o na r e a ：- - r e a lg e o m e t r i cr e p r e s e n t a