基于動(dòng)態(tài)模式的CAD/CAE 模型重構(gòu)軟件設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)*

唐 華，李 申，范帥帥

（西安電子科技大學(xué)，陜西西安710071）

引 言

近年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（Computer-Aided Design, CAD）及計(jì)算機(jī)輔助工程（Computer-Aided Engineering, CAE）技術(shù)在機(jī)械行業(yè)中已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。雖然CAD 和CAE系統(tǒng)下的零件信息模型都是三維物體的數(shù)字化表示形式，但它們有著很大的差異。此外，各學(xué)科CAE 模型異構(gòu)，統(tǒng)一的CAD 模型難以滿足不同學(xué)科CAE 模型的要求。因此，當(dāng)CAD 模型應(yīng)用于CAE 系統(tǒng)時(shí)，需要人為對(duì)CAD 模型進(jìn)行處理以適應(yīng)不同學(xué)科CAE模型的需求[1]。

CAD 模型的處理通常包括細(xì)小特征的刪除以及模型的分割。Baofu Li 和JinLiu 在2002 年提出了一種細(xì)節(jié)特征識(shí)別和抑制算法。該算法利用基于滾動(dòng)球的不變半徑過渡操作對(duì)零件模型邊界實(shí)體進(jìn)行過濾[2]。Francesco Bianconi 和Paolo Di Stefano 在2003 年給出了一種零件模型的中間表示機(jī)制[2]。該機(jī)制首先識(shí)別出零件中所有的細(xì)節(jié)特征，然后把它們作為標(biāo)簽插入到零件的邊界表示中指示細(xì)節(jié)特征的出現(xiàn)。這種包含細(xì)節(jié)特征信息的表示方法可以用于指導(dǎo)加工特征的識(shí)別以及分析模型的建立，實(shí)際上起到了簡(jiǎn)化模型的作用[2]。

目前模型處理的主要方法有：

1）在CAE 環(huán)境中簡(jiǎn)化模型。該方法通過系統(tǒng)自身提供的布爾運(yùn)算等模型操作，將冗余特征刪除或做其他處理。雖然現(xiàn)有的CAE 商用軟件都具有一定的建模能力，但其建模能力普遍偏弱，無法與CAD 軟件相比，對(duì)于形狀復(fù)雜、零部件數(shù)量多的產(chǎn)品，其建模工具遠(yuǎn)不能滿足現(xiàn)實(shí)產(chǎn)品的建模需求。同時(shí)，若模型在導(dǎo)入系統(tǒng)時(shí)已出現(xiàn)破損，那么很難利用CAE 有限的模型操作函數(shù)對(duì)其進(jìn)行修補(bǔ)。

2）在CAD 環(huán)境中進(jìn)行手動(dòng)簡(jiǎn)化。利用CAD 環(huán)境中強(qiáng)大的模型操作功能和技術(shù)人員的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行模型簡(jiǎn)化，但在處理工程龐大或結(jié)構(gòu)復(fù)雜的工作時(shí)，其效率相對(duì)較低[1-3]。

本文提出了一種基于動(dòng)態(tài)模式的CAD/CAE 模型重構(gòu)方法。從CAD 模型中提取對(duì)應(yīng)于特定CAE分析所需的元數(shù)據(jù)，構(gòu)建包含CAD 模型與多學(xué)科CAE 元數(shù)據(jù)的通用信息模型[3-4]，在此基礎(chǔ)上動(dòng)態(tài)選擇模型處理規(guī)則與全過程知識(shí)，實(shí)現(xiàn)不同CAE 模型之間的智能轉(zhuǎn)換與匹配。該方法解決了機(jī)電產(chǎn)品CAD/CAE 高效數(shù)字化建模、全過程知識(shí)與機(jī)電耦合模型融合的難題，為面向全過程的機(jī)電產(chǎn)品綜合設(shè)計(jì)提供了有效的技術(shù)手段。

1 設(shè)計(jì)原理

基于動(dòng)態(tài)模式的CAD/CAE 模型重構(gòu)方法的基本思想如圖1 所示。首先提取三維CAD 模型的數(shù)據(jù)列表，封裝三維CAD 模型對(duì)象的處理行為；然后建立CAD 模型數(shù)據(jù)與處理行為之間的映射關(guān)系，將不同的關(guān)系定義為集成規(guī)則；最后面向不同學(xué)科CAE模型的需求，實(shí)現(xiàn)處理模式的動(dòng)態(tài)選擇，解析所選模式中包含的集成規(guī)則，實(shí)現(xiàn)面向多學(xué)科的動(dòng)態(tài)模式下的CAD/CAE 模型重構(gòu)[4]。這里的不同模式就是包含了不同集成規(guī)則的組合形式。

圖1 基本思想

2 技術(shù)方案

2.1 CAD 模型數(shù)據(jù)對(duì)象的構(gòu)建

不同學(xué)科的CAE 分析需要不同的CAE 模型，從統(tǒng)一的CAD 模型快速而準(zhǔn)確地獲取不同的CAE模型是CAD/CAE 集成建模的關(guān)鍵點(diǎn)。首先需要構(gòu)建三維CAD 模型的數(shù)據(jù)對(duì)象集合（流程如圖2 所示）；然后通過商品化CAD 軟件的應(yīng)用程序編程接口（Application Programming Interface, API）獲取三維模型中的信息數(shù)據(jù)。這些信息數(shù)據(jù)主要包含特征信息、零部件信息和元數(shù)據(jù)信息，每一個(gè)組件都有可能包含這3 類信息。特征信息指零部件中包含的形狀特征列表；零部件信息指產(chǎn)品零件、部件列表；元數(shù)據(jù)信息指三維模型中用于構(gòu)建CAE 模型的基本元數(shù)據(jù)，如零件的材料、特殊位置的坐標(biāo)信息等。通過程序提取模型中的數(shù)據(jù)，根據(jù)產(chǎn)品整機(jī)模型的結(jié)構(gòu)組成構(gòu)建CAD 模型數(shù)據(jù)對(duì)象。

圖2 CAD 模型信息提取流程

2.2 CAD 模型處理知識(shí)經(jīng)驗(yàn)的模式化

面向不同的學(xué)科CAE 分析需求，需要對(duì)統(tǒng)一的CAD 模型數(shù)據(jù)對(duì)象進(jìn)行不同的處理。將專家的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ交?，從具體的實(shí)現(xiàn)與最終的應(yīng)用角度出發(fā)，將CAD 模型處理的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)封裝為4 個(gè)層次：

1）應(yīng)用層。該層次面向普通用戶，采用最頂層的接口。用戶不需要關(guān)心如何實(shí)現(xiàn)下層的內(nèi)容，只需要選擇需要構(gòu)建CAE 模型的處理模式，即可實(shí)現(xiàn)面向不同學(xué)科的CAE 模型的動(dòng)態(tài)創(chuàng)建。

2）表示層。該層次面向領(lǐng)域?qū)＜?，將不同學(xué)科專家的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)轉(zhuǎn)換為創(chuàng)建模型的集成規(guī)則，完成對(duì)數(shù)據(jù)對(duì)象操作邏輯的封裝。這些集成規(guī)則可以在不同學(xué)科中重復(fù)使用，因而可以提高操作邏輯的使用效率和安全性。

3）邏輯層。該層次面向領(lǐng)域?qū)＜?，定義模型數(shù)據(jù)對(duì)象的操作邏輯。

4）實(shí)現(xiàn)層。該層次由程序開發(fā)人員實(shí)現(xiàn)。通過封裝商品化CAD 軟件（如Creo，Catia，NX 等）提供的API 函數(shù)，完成對(duì)模型數(shù)據(jù)對(duì)象的具體操作。

2.3 面向CAE 模型的動(dòng)態(tài)模式解析與驅(qū)動(dòng)

根據(jù)不同學(xué)科對(duì)CAD 模型的處理需求，構(gòu)建處理模式庫和集成規(guī)則庫；通過處理模式、集成規(guī)則的動(dòng)態(tài)選擇與驅(qū)動(dòng)生成多視圖的CAE 模型，具體流程如圖3 所示。

圖3 動(dòng)態(tài)模式解析與驅(qū)動(dòng)流程

基于產(chǎn)品的三維CAD 模型，通過數(shù)據(jù)提取得到組件、特征數(shù)據(jù)和用于CAE 腳本的元數(shù)據(jù)。針對(duì)組件和特征數(shù)據(jù)，可以通過以下3 種方式完成處理模式的設(shè)置：

1）從處理模式庫中選擇已定義好的模式；

2）動(dòng)態(tài)創(chuàng)建處理模式，從集成規(guī)則庫中檢索規(guī)則實(shí)現(xiàn)新建處理模式的規(guī)則映射；

3）直接通過集成規(guī)則生成器完成模型數(shù)據(jù)對(duì)象的規(guī)則化處理。通過對(duì)模型集成規(guī)則的解析，獲取模型的操作邏輯，根據(jù)映射的CAD 處理API 接口完成模型操作，得到處理后的中間模型文件。CAD 模型中的元數(shù)據(jù)用于構(gòu)建CAE 參數(shù)化腳本，驅(qū)動(dòng)CAE 腳本結(jié)合中間模型最終生成需要的CAE 模型[5-6]。

3 軟件實(shí)現(xiàn)

軟件是實(shí)現(xiàn)模型重構(gòu)的關(guān)鍵。本次采用Creo6.0軟件的API 接口進(jìn)行二次開發(fā)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)，采用對(duì)話框進(jìn)行人機(jī)交互。CAD/CAE 模型重構(gòu)軟件分為3大功能模塊：集成規(guī)則管理、處理模式管理和模型重構(gòu)處理及輸出。CAD/CAE 模型重構(gòu)軟件設(shè)計(jì)在充分考慮快速高效地實(shí)現(xiàn)模型重構(gòu)功能的同時(shí)，還系統(tǒng)地考慮了系列化、模塊化、通用性以及可維護(hù)性，從而將整個(gè)系統(tǒng)軟件劃分成一系列既相互獨(dú)立又密切合作的模塊，共同形成一個(gè)基于Creo6.0 的具有很強(qiáng)通用性的軟件平臺(tái)。

3.1 集成規(guī)則管理

集成規(guī)則是CAD 模型數(shù)據(jù)與處理行為之間的映射關(guān)系，是對(duì)模型的具體操作行為。將不同學(xué)科專家的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)轉(zhuǎn)換為創(chuàng)建模型的集成規(guī)則，完成對(duì)數(shù)據(jù)對(duì)象操作邏輯的封裝，可以在不同學(xué)科中重復(fù)使用這些集成規(guī)則。對(duì)集成規(guī)則的管理主要包括創(chuàng)建規(guī)則、插入規(guī)則、修改規(guī)則和刪除規(guī)則，通過以上命令對(duì)規(guī)則進(jìn)行操作。例如，在某些領(lǐng)域的CAE模型中，對(duì)小于一定半徑的圓角可以忽略[2,7]，可以創(chuàng)建如下規(guī)則：特征= 圓角，值≤R（設(shè)定值），操作= 隱藏。各學(xué)科專家的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)構(gòu)成不同的規(guī)則，呈現(xiàn)出來供用戶選用，多條規(guī)則組成一組集成規(guī)則。

3.2 處理模式管理

處理模式主要面向不同學(xué)科領(lǐng)域的CAE 模型，它包含不同集成規(guī)則的組合形式。對(duì)處理模式的管理主要包括新增模式類別、插入、修改及刪除。常用模式（如結(jié)構(gòu)、電磁、熱等學(xué)科）可以根據(jù)需求添加模式或者創(chuàng)建多學(xué)科交叉處理模式。不同模式下集成了多條規(guī)則，在處理模式下也可以實(shí)時(shí)進(jìn)行規(guī)則的修改、刪除等操作。

3.3 模型重構(gòu)處理及輸出

通過商業(yè)CAD 軟件的API 接口（如Creo6.0 的二次開發(fā)接口）進(jìn)行操作[8-9]。選擇或創(chuàng)建好集成規(guī)則和處理模式之后，解析驅(qū)動(dòng)面向CAE 的動(dòng)態(tài)模式以及規(guī)則，通過調(diào)用內(nèi)部函數(shù)完成模型數(shù)據(jù)的檢索、提取和過濾。遍歷到對(duì)應(yīng)的特征按照規(guī)則進(jìn)行處理。例如，Creo6.0 的ProMdlCurrentGet()函數(shù)（獲取當(dāng)前模型句柄）、ProSolidFeatVisit() 函數(shù)（遍歷和過濾模型特征）和ProSimprepCreate()函數(shù)（創(chuàng)建簡(jiǎn)化表示），把處理好的模型導(dǎo)出為STEP 等標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)模型，通過專業(yè)的CAE 軟件進(jìn)行下一步操作[2,9]。

4 應(yīng)用實(shí)例及結(jié)果展示

4.1 應(yīng)用“結(jié)構(gòu)CAE”模式處理模型

應(yīng)用“結(jié)構(gòu)CAE”模式處理天線陣面、背板與整機(jī)模型，創(chuàng)建處理模式過程主要包括：1）創(chuàng)建模型的操作邏輯，如對(duì)特征類型為圓角的操作邏輯為隱藏；2）根據(jù)操作邏輯動(dòng)態(tài)創(chuàng)建集成規(guī)則；3）完成處理模式與集成規(guī)則的動(dòng)態(tài)映射[10-11]。

圖4 為應(yīng)用“結(jié)構(gòu)CAE”模式處理的天線陣面、背板與整機(jī)模型的對(duì)比效果。

圖4 天線模型處理效果

“結(jié)構(gòu)CAE”模式包含“細(xì)小特征處理規(guī)則”，該規(guī)則映射的操作邏輯如下：

1）特征.類型=拉伸&&特征.尺寸＜2 mm&&操作=忽略；

2）特征.類型=倒圓角&& 操作=忽略；

3）特征.類型=孔&& 特征.尺寸＜2 mm &&操作=忽略。

4.2 應(yīng)用“熱CAE”模式處理模型

為了使CAD 建模方便快捷，對(duì)印制電路板（Printed Circuit Board, PCB）之類的模型，通常連同上面的電器元件一起建模。但因基板和元器件為一個(gè)整體，對(duì)PCB 板進(jìn)行熱分析時(shí)，無法達(dá)到分析目的。這里采用分割法，把基板上的電器元件與基板分割開（原件位置保持不變），基板與原件相互獨(dú)立，再進(jìn)行熱分析，這樣就可以準(zhǔn)確快速地達(dá)到目的。

應(yīng)用“熱CAE”模式處理PCB 板整體模型，創(chuàng)建處理模式過程主要包括：

1）創(chuàng)建模型的操作邏輯，如對(duì)實(shí)體特征的操作邏輯為分割；

2）根據(jù)操作邏輯動(dòng)態(tài)創(chuàng)建集成規(guī)則；

3）完成處理模式與集成規(guī)則的動(dòng)態(tài)映射。

圖5 為應(yīng)用“熱CAE”模式處理PCB 板整體模型的對(duì)比效果。其中，圖5(a)為處理前的PCB 板，各電器元件與基板為一個(gè)整體，圖5(b)為處理后的PCB 板1，各元件在初始位置相對(duì)于基板獨(dú)立存在，圖5(c)為處理后的PCB 板2，基板相對(duì)于各元件獨(dú)立存在?！盁酑AE”模式包含“分割特征處理規(guī)則”，該規(guī)則的映射操作邏輯如下：

1）特征.類型=實(shí)體&& 操作=分割；

2）特征. 類型= 去除材料的特征&& 操作=忽略。

圖5 PCB 板模型處理效果

5 結(jié)束語

本文介紹了基于動(dòng)態(tài)模式的CAD/CAE 模型重構(gòu)軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。根據(jù)模塊化的軟件設(shè)計(jì)思想，結(jié)合功能需求，劃分了軟件的各部分功能模塊，對(duì)軟件的設(shè)計(jì)思想和各部分的實(shí)現(xiàn)原理進(jìn)行了詳細(xì)描述。

以前采用既定規(guī)則和模糊判定的方法來處理模型，不僅靈活性差，而且不能從統(tǒng)一的CAD 模型中快速提取各學(xué)科的CAE 模型。與此不同，本文對(duì)大量的專家知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行了集成和封裝，幫助一般用戶方便快捷地進(jìn)行模型處理，極大地提高了工作效率。對(duì)天線陣面、背板、整機(jī)模型以及PCB 板整體模型進(jìn)行的處理表明，該軟件運(yùn)行良好，滿足在動(dòng)態(tài)規(guī)則和模式下對(duì)CAD/CAE 模型重構(gòu)的要求，可廣泛應(yīng)用于多學(xué)科CAD/CAE 模型重構(gòu)。

本文對(duì)CAD/CAE 模型重構(gòu)進(jìn)行了研究和探討，并取得了一些成果，但仍存在不足之處。今后將在以下方面開展深入研究：

1）實(shí)現(xiàn)CAD/CAE 平臺(tái)的集成。在統(tǒng)一平臺(tái)下實(shí)現(xiàn)CAD 模型與CAE 模型的關(guān)聯(lián)，一旦CAD 模型被修改，CAE 模型就會(huì)同步更新。這將顯著提高有限元建模的效率，節(jié)省大量人工處理時(shí)間。

2）解決CAD 模型處理后的選擇性恢復(fù)問題。出于對(duì)零件模型細(xì)節(jié)局部分析的要求，有時(shí)需要對(duì)部分被抑制掉的微小特征進(jìn)行選擇性恢復(fù)。另外，出于對(duì)不同學(xué)科CAE 模型的不同要求，也需要對(duì)已被抑制掉的微小特征進(jìn)行選擇性恢復(fù)。