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使用公共数据模型的参数化CAD / CAE集成

摘要：

本文提出了一种使用包含所有CAD建模和CAE分析所需参数信息的“通用数据模型”（CDM）的CAD / CAE集成方法，通过知识嵌入程序代码自动生成CDM。CDM用作参数数据模型库以及CAD和CAE模型的那些关联实体的输入源，从而维护它们之间的互相关联。CDM中的结构以及数据流根据一般和广泛使用的设计过程而受到管理。因此，设计者可以使预期情况与所提出的工程变化相关联，还可以相应地采取参数化动作。 CDM行为就如通过其API用于计算机建模软件工具的集中参数输入。一直以来，设计过程的公共数据模型会根据设计师的意图在每个开发周期修改，其中的变化会通过半自动的再生和分析迭代始终反映在CAD和CAE模型中。相同的数据模型以合适的文件格式可用于不同的CAD和CAE包中，

因为CDM，CAD和CAE通过集成API和知识的开发软件原型包互连，作为不同的模块工作并嵌入在工程程序中的规则。但是，每个软件工具用于的每个目的可以根据原始数据要求而变化，而不会妨碍过程结构，数据模型是可重复使用的，并且整个过程尽可能自动化，使嵌入式专业知识在产品开发过程中可以一直应用在自适应设计和制造的循环上。同时，通过计算机编程产生的适当格式的数据文件，CDM很便于记录和存储这些与所有产品设计修订版本相关的信息。

1. 介绍

现代CAD建模和CAE分析周期已经成熟，这是今天产品开发过程的固有部分。现在有各种商业CAD软件工具如SolidWorksTM，Pro / EngineerTM等，以及CAE分析软件工具如AnsysTM和NX NastranTM在工业中有广泛的使用，但对于大多数这些工具，重点通常是CAD或CAE的应用程序分离和缺乏处理问题的潜力。还有， 在大多数时间，设计工程师必须使用两个或更多的独立软件包用于建模和分析，并且还必须通过检查约束来维持关联性贯穿整个工程过程。 但是，由于乏味的依赖关系和缺乏管理的工具，很难避免失去模型的完整性。 因此，通过集成CAD和CAE来保证每个设计周期的有效性是理想的。在现代CAE软件工具中，在CAD中的几何生成可以直接作为输入进行分析，但是复杂几何体必须被修改和简化以获得有效而快速的结果。 此外，数据流过程，即从CAD到CAE，是一个单向过渡和信息的丢失的过程。CAD已经创建了重复的CAE建模任务，这是反映每个CAD / CAE周期变化的主要障碍。

一些涉及CAD和CAE集成的主要问题总结如下：

（1）信息损失;

（2）在数据结构之间的兼容性问题;

（3）关联分类;

（4）知识的可重用性不足;

（5）复杂的几何冲突及其分析简化要求;

（6）设计知识匮乏;

（7）设计过程自动化的困难;

（8）与总设计周期相关的不可接受时间;

（9）用于网格生成和分析的CAD模型几何简化和转换成FEA模型。

许多努力已经被用于来使用标准文件格式，例如STEP与CAD一起传达设计意图。其中，一些技术的问题是会生成需要大量的翻译和修复工作的STEP文件。 一方面，在CAD模型中的一些语义相关联的数据会丢失; 另一方面，如果设计者不想传递作为知识产权的所有设计数据以及模型，他或她将难以最终确定使用中间平面模型的管理对象，然后设计

进入下一个循环，一个详细的设计过程，其中设计对象被建模为具有所有设计细节的3D实体; 因此，关联的CAE模型类似地由3D FE元素组成。因为主要的设计结构已经定稿，初始中平面阶段，详细模型需要较少的数量迭代来检查这些局部区域。 注意，在初始阶段，中平面CAE分析取代了通常的详细分析与许多循环的迭代，整体的有效性方法需要增加以及总的产品开发时间需要大幅减少。

1. 文献综述

由于CAD系统具有用来产品建模的各种工具，而CAE需要产品的几何作为FEA的输入分析，在产品开发周期时间的压力下，人们已经做出了许多努力致力于计算机设计和分析过程的集成和自动化。理想情况下，CAD / CAE可以通过几何信息共享来实现集成，并在整个产品演变过程中用常数推导变化。 然而，在历史上，CAD和CAE的集成在工程信息学领域是一个巨大的挑战。在模型和分析集成方面，一些早期的努力涉及了CAD到FEM的自动化转换。[1]专注于知识密集CAD（KIC），包括设计生命周期的集成和CAD工程知识，包括CAE结果; 但他们没有显示这两个方面如何自动交互。 [2]做了一些早期的工作来探索其在结构工程背景下集成CAD系统的优点。讨论和探讨了与集成CAD相关的基本困难以及用于双向协调数据结构的图形和非图形信息。但范围仅限于CAD，并且是初步研究之一。

Shephard [3] 等人开发了支持基于仿真的方法，它通过CAD模型简化和数据管理来设计。 看上去模块化设计环境在受控交互的设计和分析装置中工作良好，但不清楚这些相互关联的

由工程引入的设计和分析参数关系如何保持一致性。Schreier [4]讨论了CAD和CAE软件工具朝向彼此发展的趋势，软件供应商应该缩小它们之间的差距。 他还讨论了CAD-CAE集成的优点以及各种CAD和CAE软件之间的兼容性的好处。 本文还描述了软件中的各种新发展出的工具如“CAD嵌入式分析”。作者的主要目标是描述现代CAD和CAE软件工具之间结合性的容易性。为了在CAD和CAE之间集成信息，中间件发展方式也受到广泛欢迎。 传播的变化也由优化方法管理和嵌入知识所决定。 Van der Velden博士[5]开发了一个基于GUI的系统，称为iSIGHT-FD，用于管理计算机软件需要执行仿真设计过程。 它传播CAD中的变化和改变分析整个CAD模型的网格化，没有任何的几何简化。作者提出参数化CAE输出，使用平台来利用多个CAD和CAE软件工具。 Foucault et al。 [6]提出CAD模型转换的网格质量增强有限元模型进行分析。徐和陈[7]完全开发了自动化产品设计系统与CAD-CAE集成多对象优化。 作者采用FEM的集成和iSIGHT优化在产品开发中进行决策。 这种方法的主要缺点是会与软代码一起开发出复杂的优化算法。对于FEM和CAD，所有这些都必须是产品特定的，对初步简单设计的研究是有好处的，但系统很难被修改成更加详细和复杂的工程问题。

• 1. CAD和CAE集成的当前状态

早期的一些努力使得管理相当自动化以及模型信息良好的关联。魏[ 8 ]提出用有限元分析自动生成定义基本分析的基于本体的方法，将知识建模成一组形式本体。阿齐兹和chassapis [ 9 ]开发集成的知识基于系统工程设计过程从最初的概念到生产基于特征的CAD与有限元建模与设计分析。该系统利用制造和设计知识基地。Chapman和平福尔德[ 10 ]讨论的局限性传统基于KBE与CAD和有限元分析的优点一种“概念开发工具”对高效组织的帮助信息流与体系结构的有效实施快速迭代设计解决方案。这是其中之一初步研究，以提高现有的CAD的知识利用与共享率。科伦坡等人 [ 11 ]寻址需要软件支持工程师用复杂的设计和建议的KBS工具来寻找答案。作者还提出了一个概念框架，知识类型分类的哲学方法随着各种功能之间的关系开始使用数学模型定义的本体。xuandwang [ 12 ]利用用于CAD/CAE集成的多模型技术（MMT）。MMT在产品建模中使用面向对象技术（OT）基于特征的建模技术。它包括使用一个单一的基本固体CAD模型生成所有后续产品开发中所需的其他型号过程。特征定义为保持相关性，它们之间的特征操作是用来保持集成CAD与有限元模型之间的关联。在应用研究中，严江（13）提出了一种集成的CAD/CAE方法保证双质量飞轮的发展。其中一个主要问题是该系统采用了大量的软件工具，从而使复杂模型之间能实现互操作和交换。以前做的大部分工作是开发初始产品模型和缺乏递归性质的实际设计过程。阿尔伯斯等。[ 14 ]提出了发动机发展战略曲轴与CAD，CAE和遗传算法的集成。一个基于java的接口用于集成CAD和CAE。遗传的算法作为优化工具，以及图形分析。但作者没有提出任何方法来完成设计环。曹等。[ 15 ]开发的中间件来transformcadmodels为可接受的CAE网格模型，i.e.hedp（高端数字原型）。它可以管理和几何模型的简化CAD模型，使其可以接受有限元网格划分，也得到快速的结果，但集成是单向流量，缺乏递归循环支持，在设计过程中，对象在完成设计之前要经过多个设计循环，因此，设计师需要重新计算参数好几次。为了有效地集成CAD和CAE，以及参数化建模，工程知识嵌入到过程可以减少整体时间的设计，并可以纳入设计标准和代码到计算机程序可重用。Penoyer等人。[ 16 ]用KBE与CAD、CAE和CAM的完整产品开发。这个方法是基于GUI的KBE管理产品生命周期的多数过程。但作者确实利用了嵌入式知识，相反，建议使用直接用户界面，从而降低过程的自动化。

2.2。CAD与CAE集成问题分析与需要的研究

从以上的努力，我们可以认识到，有一些CAD和CAE集成的主要障碍，但已经出现了

独立工作来解决这些问题，以改善当前CAD设计与计算机分析。一些领导工作做可根据具体问题分类如下。

2.2.1。数据互操作

CAD和CAE集成的主要困难之一设计数据之间的关联。与CAD相关的数据通常几何，但有限元模型需要网格和材料相关数据与几何模型导入相关从CAD。汉姆利乐`对[ 17 ]建议用多面体模型作为CAD和有限元模型互操作的中间模型。他们认识到需要重新分析相同的CAD产品演化过程中的多次修改模型设计阶段。Arabshahi等人。[ 18 ]确定的潜力和做了一些最早的工作CAD有限元分析集成。目的这项研究的背后是更容易，更强大和更快的转型从CAD到有限元分析。作者描述了一个CAD与有限元变换的自动化系统论属性编辑与有限元分析属性之间的双向联系几何特征识别。Joel Johansson [ 19 ]提出一个集成的知识工程，CAD和有限元分析的自动化系统初步生产准备和完全自动化过程的。系统遇到的一些问题是与现有商业CAD和CAE软件的兼容性工具和困难，以发展复杂的模型。苏Wakelam [ 20 ]致力于创建一个智能混合系统整合各种CAD、CAE andcamtools设计过程中的应用规则为基础的系统，人工神经网络（ANN）的混合，遗传算法（GA）到一个单一的环境中使用参数模型生成和基于规则的控制方法设计环境。CAD和CAE数据模型不同，因此，几何必须进一步处理，例如转换对中平面模型，或者简化模型等，如果CAD和CAE之间有一个共同的平台信息，两个模型共存，这样就很方便。

2.2.2。设计周期长

当前设计过程改进的主要问题之一是减少所需的总时间。这是可取的减少与进程相关的时间，因为它减少了所需的时间资源和开发成本。建议使用新[ 21 ]缩短开发周期。作者建议使用CAE的初步评估以及建议的过程需要改革，以减少重复和人类错误.卡根等。[ 22 ]管理产品开发使用采用B样条模型的CAD/CAE集成软件为了减少开发时间，成本相关和简单产品的微调工艺。他们开发了一个模型方法，在同一B样条模型的CAD和CAE从而消除了需要转换，但研究不使用任何自动化或使用工程知识和过程标准。

2.2.3。管理完整的设计建模与集成工程创新系统

正如前面提到的CAD和CAE中的困难任务之一集成是数据的关联和管理的模型，以避免任何信息丢失。许多试图解决这个问题使用知识嵌入或知识为基础的系统管理语义关系。计算机模拟的耦合具有工程知识可以管理整个设计过程有效。penoyar等人。[ 23 ]讨论的重要性：在产品生命周期管理与CAD的集成和知识使用相同的API和软件工具的帮助KBE的CAD系统开发者，API forcadis机制探讨适应设计师的意图，管理工程知识可能的变化。作者进一步建议使用数据库管理所有的设计数据和知识系统。曾等。【24】提出了一种多表征体系结构（MRA）促进信息从各种支持分析模型的设计模型。主要的焦点在ABB（分析积木）固体力学热系统生成有限元分析，以弥合差距设计与分析模型之间的不足。徐等。[ 25 ]提出整合基于CATIA的端到端工艺CAD／CAM／CAE采用多模型技术的气缸盖开发（MMT）创建一致和相关的CAD模型。陈等。[ 26 ]统一特征造型在CAD集成中的应用与CAX过程的产品开发过程的特征被定义为“关系对象关联几何实体”。利用知识库和统一特征信息共享、一致性和信息库不同模型之间的控制。这项工作主要是基于特征关联和统一的概念，包括三级几何与非几何关系。bossak [ 27 ]是一个最早探索计算机建模与分析的领域完整的产品开发与整合的各种基于计算机的技术和工具以及产品数据管理（PDM）技术。斯密特和Bronsvoort [ 28 ]讨论各种以前的方法设计和分析模型集成并提出了一种新的方法集成分析视图使用自动化和分析的多视图特征建模知识。作者提供明确的设计模型和分析模型及其差异。他们还讨论了维护多视图模型的时间和修改特征转换视图与设计。根据他们的定义，“一多视图特征建模方法中的分析视图是适合工程师执行的产品视图分析。”

2.3。基于特征的CAD与CAE集成方法

特征本质上定义了构成的基本结构一个特定的模型，从而建立一个模型，具有一个或多个功能作为积木。在传统的建模过程中，最初创建一个基本功能，并通过添加其他进一步增强功能或只是添加更多的细节，直到需要的模型

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