熊勝華， 唐衛(wèi)清， 何 濤

（1. 北京中科輔龍計(jì)算機(jī)技術(shù)股份有限公司，北京 100085；2. 中國科學(xué)院計(jì)算技術(shù)研究所，北京 100190）

港口碼頭是提供船舶進(jìn)出和停泊、貨物的堆放、裝載及卸載、車輛作業(yè)、旅客進(jìn)出等功效的運(yùn)輸場地，在港口碼頭設(shè)計(jì)過程中，主要包含結(jié)構(gòu) CAD（計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，Computer Aided Design）設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu) CAE（計(jì)算機(jī)輔助工程，Computer Aided Engineering）分析等。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)今，結(jié)構(gòu)CAD設(shè)計(jì)主要采用通用CAD軟件（如AutoCAD等）或?qū)I(yè)碼頭設(shè)計(jì)軟件（如高樁板梁式碼頭CAD等）進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu) CAE分析主要采用專業(yè)平面計(jì)算程序或通用CAE軟件（如ANSYS等）進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。兩項(xiàng)工作均獨(dú)立完成，在CAD設(shè)計(jì)模型與CAE分析模型之間沒有建立必然的聯(lián)系，且CAE分析結(jié)果須設(shè)計(jì)人員進(jìn)行手動(dòng)導(dǎo)出并比較，自動(dòng)化程度低。這些因素的存在，嚴(yán)重影響了港口碼頭設(shè)計(jì)效率，且在進(jìn)行結(jié)構(gòu) CAE分析時(shí)，CAE分析模型的質(zhì)量受設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)影響較大，因此，增加了設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)的難度，易產(chǎn)生設(shè)計(jì)上的錯(cuò)誤。如何解決上述問題，有效地提高港口碼頭設(shè)計(jì)效率與質(zhì)量，成為港口行業(yè)急需解決的重點(diǎn)問題之一。

CAD/CAE集成技術(shù)旨在提高 CAD建模與CAE分析的效率，提高行業(yè)的整體設(shè)計(jì)性能，滿足行業(yè)設(shè)計(jì)的需要。因此，通過CAD/CAE集成技術(shù)的研究，可以有效地解決港口碼頭在 CAD設(shè)計(jì)、CAE分析時(shí)兩者獨(dú)立工作、缺少關(guān)聯(lián)關(guān)系、自動(dòng)化程度低、設(shè)計(jì)效率低、CAE分析難度大、易產(chǎn)生設(shè)計(jì)錯(cuò)誤等問題。

CAD/CAE集成技術(shù)是當(dāng)今計(jì)算機(jī)輔助領(lǐng)域中主要研究熱點(diǎn)之一[1-3]。研究內(nèi)容分為以下 4類：

1） CAD軟件與CAE軟件的數(shù)據(jù)共享：利用CAD軟件及CAE軟件的二次開發(fā)技術(shù)，分別建立CAD模塊和CAE模塊，同時(shí)采用標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)交換文件、文本文件或數(shù)據(jù)庫等數(shù)據(jù)共享方式實(shí)現(xiàn) CAD/CAE的集成。如：Ledermann等[4]在飛行器概念設(shè)計(jì)階段使用 VBScript語言讀出CATIA的幾何模型數(shù)據(jù)，并調(diào)用ANSYS程序進(jìn)行有限元分析與優(yōu)化；田靜云等[5]在 Pro/E平臺(tái)上建立齒輪的參數(shù)化模型，并調(diào)用ABAQUS程序進(jìn)行模型分析等。該類集成方式具有集成簡單、建模方便等優(yōu)點(diǎn)，但存在一些不足：采用標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)交換文件時(shí)由于CAD軟件及CAE軟件對標(biāo)準(zhǔn)的支持程度不同，易出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失、冗余等問題；采用文本文件或數(shù)據(jù)庫等方式針對性較強(qiáng)，缺少靈活性，且受限于CAD軟件與CAE軟件的二次開發(fā)功能。

2） 在CAE軟件上實(shí)現(xiàn)CAD與CAE的集成：依賴于 CAE平臺(tái)（如 ANSYS、ABAQUS等）的參數(shù)化建模接口，建立特定模型，生成參數(shù)化建模腳本，并進(jìn)行力學(xué)性能分析。如：馬國棟等人[6]以集裝箱輪胎龍門起重機(jī)門架結(jié)構(gòu)計(jì)算為例，利用VC開發(fā)語言自動(dòng)生成ANSYS計(jì)算的APDL語言并調(diào)用ANSYS程序完成計(jì)算等。該類集成方式具有CAD與CAE模型一體化的優(yōu)點(diǎn)，但存在一些不足：現(xiàn)有CAE平臺(tái)的CAD建模能力沒有專業(yè)的CAD軟件強(qiáng)大，且CAE平臺(tái)的CAD模型大部分都是實(shí)際模型的簡化處理模型，與實(shí)際工程相差較大。

3） CAD軟件上實(shí)現(xiàn)CAD與CAE的集成：該類集成方式采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)模型，實(shí)現(xiàn) CAD與 CAE平臺(tái)的數(shù)據(jù)集成?？煞譃橐韵聝煞N：第一種是現(xiàn)有CAD軟件的CAD/CAE的統(tǒng)一平臺(tái)，如PTC公司的Pro/ENGINEER軟件、Siemens 公司的PLM NX軟件、達(dá)索公司的CATIA軟件等；第二種是是借助CAD軟件的二次開發(fā)，將CAD模型的幾何數(shù)據(jù)、邊界數(shù)據(jù)等內(nèi)容自動(dòng)轉(zhuǎn)換成CAE模型數(shù)據(jù)，同時(shí)集成現(xiàn)有的CAE分析模塊進(jìn)行分析與計(jì)算。如：孫立鐫等[7]在HUST-CAD造型平臺(tái)的基礎(chǔ)上，研究了一種快速求解基于不同細(xì)節(jié)層次和抽象層次的實(shí)體模型與抽象模型并行創(chuàng)建的方法。該類集成方式具有數(shù)據(jù)統(tǒng)一、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，但不足之處在于：CAE功能過于簡單，如須完成復(fù)雜的有限元分析計(jì)算，則需要集成第三方的專業(yè)化CAE軟件平臺(tái)；CAD的開發(fā)缺少靈活性；系統(tǒng)適用范圍較窄，只能解決某個(gè)特定的應(yīng)用問題等。

4） 組件式的CAD與CAE集成：基于幾何造型組件（如 ACIS、Parasolid等）和圖形顯示組件（如Hoops等），自主開發(fā)CAD軟件平臺(tái)，管理CAD幾何模型模型，以獨(dú)立CAD/CAE數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、附加CAE屬性、CAD/CAE共享模板、CAD/CAE集成數(shù)據(jù)庫等方式統(tǒng)一管理CAD/CAE模型數(shù)據(jù)，同時(shí)借助第三方CAE分析工具的二次開發(fā)，可方便地實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大的有限元分析與計(jì)算功能。該類集成方式具有開發(fā)靈活、能滿足多數(shù)行業(yè)的需求，且借助第三方 CAE平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大的有限元分析與計(jì)算功能等優(yōu)點(diǎn)，但存在開發(fā)周期較長等不足之處。

為了研究港口碼頭三維結(jié)構(gòu)CAD/CAE集成技術(shù)，提高 CAD/CAE的集成化程度，減少受CAD二次開發(fā)技術(shù)的限制，本文采用組件式的CAD/CAE集成，通過幾何造型、圖形顯示引擎等組件開發(fā)CAD/CAE集成系統(tǒng)，CAE計(jì)算核心采用第三方CAE工具進(jìn)行計(jì)算。

在港口碼頭三維結(jié)構(gòu) CAD/CAE集成技術(shù)中，關(guān)鍵需要解決結(jié)構(gòu)CAD幾何模型生成CAE單元模型、工程荷載CAD模型創(chuàng)建CAE荷載模型、CAE分析結(jié)果與CAD模型的關(guān)聯(lián)關(guān)系等問題?？紤]到模板的模型獨(dú)立性、規(guī)則性、可執(zhí)行性等特性，本文通過研究基于模板的港口碼頭三維結(jié)構(gòu)CAD/CAE集成技術(shù)，定義截面草圖、三維實(shí)體、構(gòu)件等多種CAD建模模板，定義機(jī)械草圖、荷載等多種荷載建模模板，定義 CAE分析規(guī)則實(shí)現(xiàn)CAD幾何模型自動(dòng)生成CAE單元模型的功能，定義荷載轉(zhuǎn)換規(guī)則實(shí)現(xiàn)工程荷載CAD模型自動(dòng)創(chuàng)建 CAE荷載模型的功能，定義整體模型模板建立CAE分析結(jié)果與CAD模型的多對一關(guān)系，以此實(shí)現(xiàn)港口碼頭三維結(jié)構(gòu) CAD/CAE集成系統(tǒng)，大大提高港口碼頭的設(shè)計(jì)效率，降低設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)難度，減少設(shè)計(jì)錯(cuò)誤。

1 基于模板的CAD/CAE集成技術(shù)

從模板特性入手，分析港口碼頭三維結(jié)構(gòu)CAD/CAE集成框架，以此定義港口碼頭三維結(jié)構(gòu)CAD/CAE集成相關(guān)的模板對象，定義模板規(guī)則，解決港口碼頭三維結(jié)構(gòu)CAD/CAE集成中結(jié)構(gòu)建模、工程荷載建模、結(jié)構(gòu)CAD幾何模型生成CAE單元模型、工程荷載CAD模型創(chuàng)建CAE荷載模型、CAE分析結(jié)果與CAD模型的關(guān)聯(lián)關(guān)系等問題。

1.1 模板特性

在港口碼頭三維結(jié)構(gòu)CAD/CAE集成中，主要存在自動(dòng)建立CAE單元模型、自動(dòng)建立CAE荷載模型、自動(dòng)處理分析結(jié)果并建立與CAD模型之間的聯(lián)系等3方面問題。在利用模板解決上述問題時(shí)，應(yīng)考慮以下6個(gè)特性：

1） 模型獨(dú)立性：模板技術(shù)在解決港口碼頭三維結(jié)構(gòu)CAD/CAE集成中的自動(dòng)建立CAE單元模型、自動(dòng)建立 CAE荷載模型等問題時(shí)，涉及創(chuàng)建結(jié)構(gòu)CAD模型、CAE單元模型、荷載CAD模型、CAE荷載模型等多種模型，因此，模板定義應(yīng)是模型獨(dú)立的。

2） 規(guī)則性：模板定義應(yīng)支持規(guī)則的定義，通過規(guī)則可以定義自動(dòng)建立 CAE單元模型、自動(dòng)建立CAE荷載模型等執(zhí)行方式。

3） 可執(zhí)行性：在模板定義的對象生成時(shí)，模板所定義的規(guī)則應(yīng)是可解析并自動(dòng)執(zhí)行的，并生成預(yù)計(jì)的結(jié)果。

4） 組合性：在定義港口碼頭三維結(jié)構(gòu)CAD/CAE集成模板時(shí)，考慮到碼頭結(jié)構(gòu)、碼頭荷載等內(nèi)容多層次問題，模板應(yīng)能支持組合特性，即通過多種基本模板定義復(fù)合模板。

5） 非交叉性：在模板的定義過程中不能出現(xiàn)與其它模板交叉引用的問題，以此避免模板執(zhí)行過程中的死循環(huán)問題。

6） 繼承性：在定義港口碼頭三維結(jié)構(gòu)CAD/CAE集成模板時(shí)，由于碼頭結(jié)構(gòu)、碼頭荷載等內(nèi)容中同時(shí)存在基本特性描述的對象與具體特性描述的對象，因此，在定義模板對象時(shí)應(yīng)考慮模板之間的繼承性，定義特例模板繼承自基本模板，同時(shí)描述具體特性。

1.2 模板定義分析

在港口碼頭CAD模型中，包含結(jié)構(gòu)CAD模型、荷載CAD模型、工況組合等內(nèi)容。

在結(jié)構(gòu)CAD模型中，定義構(gòu)件模板描述具體的構(gòu)件對象，定義特征模板描述構(gòu)件上的孔、洞特征對象，定義三維實(shí)體模板描述構(gòu)件的現(xiàn)澆或預(yù)制三維實(shí)體塊，定義截面草圖模板描述三維實(shí)體塊的掃掠截面信息，定義幾何圖元模板描述構(gòu)件截面的幾何元素信息，如圖1所示。

圖1 結(jié)構(gòu)CAD/CAE集成框架

在荷載CAD模型中，定義荷載模板描述工程荷載對象；由于工程荷載對象又可分為機(jī)械荷載與非機(jī)械荷載兩類，其中，機(jī)械荷載可由單輪輪胎、雙輪輪胎、支腿、車鉤等基本機(jī)械元素通過定位信息組裝而成，因此，定義機(jī)械草圖模板描述機(jī)械工程荷載信息，定義機(jī)械圖元模板描述單輪輪胎、雙輪輪胎、支腿、車鉤等基本機(jī)械元素。

工況組合是港口碼頭結(jié)構(gòu) CAE分析的基本荷載組合單元，定義工況組合模板描述 CAE分析時(shí)的荷載組合信息。

在港口碼頭CAE模型中，包含CAE單元模型、CAE荷載模型、構(gòu)件分析結(jié)果等內(nèi)容。

CAE單元模型由結(jié)構(gòu) CAD模型根據(jù) CAE分析規(guī)則自動(dòng)轉(zhuǎn)換而成，轉(zhuǎn)換流程如圖2所示。

CAE荷載模型由荷載CAD模型根據(jù)荷載轉(zhuǎn)換規(guī)則自動(dòng)轉(zhuǎn)換而成，轉(zhuǎn)換流程如圖3所示。

由于構(gòu)件分析結(jié)果須對應(yīng)具體構(gòu)件CAD模型，分析結(jié)果內(nèi)容可由網(wǎng)格數(shù)據(jù)、位移數(shù)據(jù)、應(yīng)力數(shù)據(jù)、彎矩?cái)?shù)據(jù)、軸力數(shù)據(jù)、剪力數(shù)據(jù)等組成，因此，本文定義構(gòu)件結(jié)果模板來描述構(gòu)件分析結(jié)果數(shù)據(jù)信息。

在港口碼頭結(jié)構(gòu)CAD/CAE集成框架中，由于1個(gè)CAD模型可對應(yīng)多個(gè)CAE模型，因此，本文定義整體模型模板來描述CAD模型與CAE模型的一對多的關(guān)聯(lián)關(guān)系。

在港口碼頭結(jié)構(gòu)CAD/CAE集成框架中，除了定義 CAE分析規(guī)則、荷載轉(zhuǎn)換規(guī)則之外，本文還須定義解決定位、創(chuàng)建、編輯等問題的規(guī)則，具體包括解決模塊對象定位問題的定位規(guī)則、解決模塊對象創(chuàng)建、編輯等交互操作問題的造型規(guī)則、解決截面草圖模板對象與機(jī)械草圖模板對象參數(shù)化求解問題的求解規(guī)則、解決定義整體模型模板對象的 CAE分析參數(shù)及邊界條件等問題的模型簡化規(guī)則、解決構(gòu)件模板對象空間碰撞問題的碰撞規(guī)則、解決特征操作問題的特征規(guī)則等。

圖2 CAE單元模型創(chuàng)建流程圖

圖3 CAE荷載模型創(chuàng)建流程圖

1.3 模板對象

模板對象，如圖4所示。

圖4 模板對象

1） 幾何圖元模板：定義直線、矩形、圓等幾何圖元的建模、交互等操作。

2） 機(jī)械圖元模板：定義單雙輪輪胎、支腿、車鉤等機(jī)械圖元的建模、交互等操作。

3） 截面草圖模板：定義草圖截面的建模、定位及求解等操作。

4） 機(jī)械草圖模板：定義草圖機(jī)械的建模、定位及求解等操作。

5） 荷載模板：定義工程荷載的建模、定位、交互及荷載轉(zhuǎn)換等操作。

6） 工況組合模板：定義港口碼頭三維結(jié)構(gòu)CAE分析時(shí)工況組合定義、管理等操作。

7） 三維實(shí)體模板：定義實(shí)體模型的建模、定位、交互及特征等操作。

8） 特征模板：定義特征建模、定位及交互等操作。

9） 構(gòu)件模板：定義構(gòu)件建模、定位、交互及管理構(gòu)件分析結(jié)果等操作。

10） 構(gòu)件結(jié)果模板：定義查詢及管理構(gòu)件分析結(jié)果等操作。

11） 整體模型模板：定義管理模型、自動(dòng)生成CAE模型、及管理分析結(jié)果等操作。

1.4 模板規(guī)則

針對模板對象的解釋與操作問題，本文定義了多種模板規(guī)則，包括定位規(guī)則、造型規(guī)則、求解規(guī)則、CAE分析規(guī)則、模型簡化規(guī)則、荷載轉(zhuǎn)換規(guī)則、碰撞規(guī)則及特征規(guī)則等，其中：定位規(guī)則解決模板對象的定位問題；造型規(guī)則解決模板對象的創(chuàng)建、編輯等交互操作問題；求解規(guī)則解決截面草圖模板對象與機(jī)械草圖模板對象參數(shù)化求解問題；CAE分析規(guī)則解決構(gòu)件CAD模型向 CAE單元模型的轉(zhuǎn)換問題；模型簡化規(guī)則解決整體模型模板對象的 CAE分析參數(shù)及邊界條件等內(nèi)容的定義問題；荷載轉(zhuǎn)換規(guī)則解決荷載CAD模型向CAE荷載模型的轉(zhuǎn)換問題；碰撞規(guī)則解決構(gòu)件模板對象空間碰撞問題；特征規(guī)則解決構(gòu)件模板對象特征操作問題。

2 港口碼頭三維結(jié)構(gòu) CAD/CAE集成系統(tǒng)

上述的集成系統(tǒng)框架，如圖5所示。

圖5 基于模板的CAD/CAE集成系統(tǒng)框架

1） 二維草圖模塊解決截面草圖模板對象、機(jī)械草圖模板對象的生成問題。

2） CAD建模模塊解決港口碼頭結(jié)構(gòu)構(gòu)件CAD建模中的創(chuàng)建、交互等問題。

3） 荷載建模模塊解決港口碼頭工程荷載的創(chuàng)建、交互等問題。

4） CAE建模模塊解決結(jié)構(gòu)CAE分析模型的分類計(jì)算及自動(dòng)生成等問題。

5） CAE結(jié)果分析模塊解決CAE分析結(jié)果與CAD模型的關(guān)聯(lián)關(guān)系建立問題。

3 結(jié) 論

本文研究了基于模板的港口碼頭三維結(jié)構(gòu)CAD/CAE集成技術(shù)，定義了截面草圖、三維實(shí)體、構(gòu)件等多種CAD建模模板，定義了機(jī)械草圖、荷載等多種荷載建模模板，定義了 CAE分析規(guī)則實(shí)現(xiàn)CAD幾何模型自動(dòng)生成CAE單元模型的功能，定義了荷載轉(zhuǎn)換規(guī)則實(shí)現(xiàn)工程荷載CAD模型自動(dòng)創(chuàng)建CAE荷載模型的功能，定義了整體模型模板建立CAE分析結(jié)果與CAD模型的多對一關(guān)系，以此實(shí)現(xiàn)了港口碼頭三維結(jié)構(gòu)CAD/CAE集成系統(tǒng)，大大提高了港口碼頭的設(shè)計(jì)效率，降低了設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)難度，減少了設(shè)計(jì)錯(cuò)誤。

[1]Tiago M B, Scheer S. CAD and CAE integration through scientific visualization techniques for illumination design [J]. Tsinghua Science &Technology, 2008, 13(S1): 26-33.

[2]Huang Youmin, Lan H Y. CAD/CAE/CAM integration for increasing the accuracy of mask rapid prototyping system [J]. Computers in Industry, 2005, 56(5):442-456.

[3]Lee S H. A CAD-CAE integration approach using feature-based multi-resolution and multi- abstraction modeling techniques [J]. Computer-Aided Design,2005, 37(9): 941-955.

[4]Ledermann C, Hanske C, Wenzel J, Ermanni P, Kelm R. Associative parametric CAE methods in the aircraft pre-design [J]. Aerospace Science and Technology,2005, 9(7): 641-651.

[5]田靜云, 田衛(wèi)軍, 李 郁. 基于 PRO/E齒輪的參數(shù)化設(shè)計(jì)及有限元分析[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造, 2008, 11:35-37.

[6]馬國棟, 劉 剛. 基于VC與APDL一體化的空間整體結(jié)構(gòu)參數(shù)化建模與計(jì)算[J]. 武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)(交通科學(xué)與工程版), 2004, 28(3): 447-449.

[7]孫立鐫, 王愛華. 基于特征的CAD/CAE集成中并行建模技術(shù)研究[J]. 計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究, 2009, 26(3):917-919.