研究CAE相关有限元分析软件的接口

　　种类繁多的软件在竞争中合作，相信永远不会存在包打天下的软件。在不得不面对的错综复杂的数据接口前，或许人们在期望出现一种真正的“标准”接口，让天下软件俱欢颜。但在这一“法宝”尚未出世以前，谁能在这些复杂的接口中理出头绪，谁也许就能先人一步得到用户的广泛认可与爱戴。

　　以虚拟样机为核心的现代设计技术推动了CAE技术的内涵和外延向更深、更广的方向发展。一方面原有的学科更加工程实用化，学科方向不断拓展，另一方面与相关技术日益结合，朝集成化、一体化的方向发展。

　　与CAD/CAM技术相同，所有CAE工作最初始的起点都是产品的几何实体模型，而几何模型的建立又相当耗时耗力，据国外统计，分析人员常常在此花费75%的时间，因而提高效率、避免重复劳动最基本的出发点便是CAD与CAE之间共享几何模型，即CAD-CAE接口 。

　　在市场需求的推动下，CAE技术有了长足的发展，除最先发展起来的有限元分析外，又诞生出多种不同学科的分析软件，机构运动学动力学分析、可靠性分析成为CAE技术的重要分支，以离散理论为基础的用于某些专业方向的专业软件也日益成为CAE技术的重要组成部分。这些软件之间相互补充、相互配合，大大丰富了CAE的内涵，从而也就提出了相互之间数据传递的需求，即CAE-CAE接口。

　　上述两类接口(CAE-CAE、CAD-CAE)依软件、学科不同成熟程度参差不齐，而且以相当快的速度不断发展，本文以CAE中应用最为广泛的有限元技术为核心，阐述了CAE与相关技术的接口问题。

　　一、CAE与CAD的接口

　　CAD软件中流行的实体模型建立方法有两种：一种是基于特征的方法，该方法被广泛应用于Pro-Engineer和SoildWorks等软件。另一种是基于表面的方法， CATIA与Unigraphics等软件的用户采用较多。不论哪种方法，CAD软件的表面形态表示法大大超过了CAE软件，因此，在CAD实体模型传入CAE软件过程中，必须将CAD模型中其他表示法的表面形态转换到CAE软件的表示法上，接口程序的良莠，取决于这种转换精度的高低。在转换过程中，程序需要解决好两个问题：几何图形(曲线与曲面的空间位置)和拓朴关系(各图形数据的逻辑关系)。通常几何图形的传递容易实现，而图形间的逻辑关系容易出现接受困难而导致传递失败。

　　目前数据传递的方式有两种，一是通过专用数据接口传递;在该方法中，CAE程序可与CAD程序“交流”后生成与CAE程序兼容的数据格式。另一种方式是通过标准图形格式传递;目前流行的图形标准有IGES、SAT和ParaSolid。大多数CAD及CAE程序保留IGES接口，但由于该标准本身的不严格性，导致多数复杂模型的传递以失败告终。SAT与ParaSolid标准较为严格，被多数CAD程序采用。

　　数据传递面临的一个重大挑战是，将导入CAE程序的CAD模型改造成适合有限元分析的模型。很多情况下导入CAE程序的模型可能包含许多设计细节，如细小的孔、狭窄的槽、甚至是建模过程形成的小曲面等。这些细节往往不是基于结构的考虑，保留这些细节，势必徒增大量单元，甚至会掩盖问题的主要矛盾，对分析结果造成混淆视听的负面影响。

　　另外，CAD模型的“完整性”问题是困扰网格剖分的另一障碍。对于同一接口程序，数据传递的品质取决于CAD模型的精度。有些CAD模型对以视觉图形和出图为目的来说精度足够，但对有限元网格剖分来说却不能满足要求。值得庆幸的是，这种问题通常可通过CAD软件的“完整性检查(Integrity-checking)”得以修正。

　　改造模型推荐的解决办法是，回到CAD程序中按照分析的要求修改模型。一方面检查模型的完整性，另一方面剔除对分析无用的细节特征。但很多情况下，这种“回归”很难实现，模型的改造只有依靠CAE软件自身。

　　CAE中最直接的办法是软件具有DEFEATURE功能，即剔除细部特征，该功能可以 “抹平”微小凸起、“填平”细小凹坑、将小曲面“融入”大曲面等。有些专用接口在模型传递过程中甚至允许自动完成这种工作，并且通过网格剖分器检验模型的“完整性”，如发现“完整性”不满足要求，接口程序可自动进行“完整性”修复。

　　当几何模型距CAE分析的要求相差太大时，还可利用CAE程序的造型功能修正几何模型。“布尔运算”是“切除”多余细节和修理“非完整”特征的有效工具。

　　二、CAE软件之间的接口

　　除不同类型的CAE软件间以合作分析为目的的数据接口外，历史的原因及不同软件分析结果互相验证的需求产生了有限元分析软件之间的数据接口。

　　1. 有限元软件的接口

　　历史上许多有限元软件只提供求解器，有限元模型的生成必须依靠其他软件。由于前后处理与求解在不同的软件中完成，相应的接口因此产生。另外为方便用户进行不同软件分析结果间的相互验证，以尽量排除各种原因的分析错误与误差，大多数有限元软件之间都有数据接口。

　　不同软件的数据格式不同，因此有限元软件之间大多采用写出、读入文本格式的数据文件进行传递，传递的内容也多以有限元模型的节点、单元信息为主，有些软件间还能传递载荷信息及简单的分析设置。由于是不同软件之间的传递，传递的有限元模型不可能完全支持作为求解器软件的所有求解功能，求解生成的结果也不可能完全传回作为后处理之用的软件。这种方式虽然存在许多弊病，但却可通过人工修改文本格式的数据文件增强对求解的支持，只是需要用户对数据文件格式有足够的了解。

　　2. 功能互补软件间的数据接口

　　CAE软件种类众多，各自有独特的优势与应用领域，没有也不可能有一家软件可以解决所有的工程问题，因此仍需要与其他分析软件的合作，ANSYS与ADAMS软件的接口便是其中的一例。

　　ADAMS软件是著名的机械系统动力学仿真分析软件，分析对象主要是多刚体。但与ANSYS软件结合使用可以考虑零部件的弹性特性。反之，ADAMS的分析结果可为ANSYS分析提供人工难以确定的边界条件。

　　ANSYS进行模态分析的同时，可生成ADAMS使用的柔性体模态中性文件(即.mnf文件)。然后利用ADAMS中的ADAMS/Flex模块将此文件调入ADAMS以生成模型中的柔性体，利用模态叠加法计算其在动力学仿真过程中的变形及连接节点上的受力情况。这样在机械系统的动力学模型中就可以考虑零部件的弹性特性，提高系统仿真的精度。

　　反之，ADAMS进行动力学分析时可生成ANSYS软件使用的载荷文件(即.lod文件)，利用此文件可向ANSYS软件输出动力学仿真后的载荷谱和位移谱信息。ANSYS可直接调用此文件生成有限元分析中力的边界条件，以进行应力、应变以及疲劳寿命的评估分析和研究，这样可得到基于精确动力学仿真结果的应力应变分析结果，提高计算精度。

　　与此类似的其他结合还有许多，如ANSYS软件与振动噪声分析专业软件SYSNOISE合作进行噪声与结构响应的耦合分析、与FE-SAFE结合进行高级疲劳分析、与LINFLOW结合进行气弹动力分析、与MEMSCAP结合进行高级MEMS分析等等，这里不再赘述。

　　三、结束语

　　种类繁多的软件在竞争中合作，相信永远不会存在包打天下的软件。在不得不面对的错综复杂的数据接口前，或许人们在期望出现一种真正的“标准”接口，让天下软件俱欢颜。但在这一“法宝”尚未出世以前，谁能在这些复杂的接口中理出头绪，谁也许就能先人一步得到用户的广泛认可与爱戴。