基于3D组件的CAE前后处理软件开发 - 文章

基于3D组件的CAE前后处理软件开发

作者：Spatial 吴敏

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1 概述

计算机辅助工程（Computer Aided Engineering）是用计算机辅助求解复杂工程和产品的结构强度、刚度、屈曲稳定性、动力响应、热传导、三维多体接触、弹塑性等问题的一种近似数值分析方法。经历了40多年的发展，CAE技术在航空、航天、核工业、兵器、造船、汽车、机械、电子、土木工程、材料等领域获得了成功的应用，体现出越来越大的价值，CAE软件也逐渐成为产品创新以及重大工程模拟仿真和优化设计的重要手段和工具。

CAE软件一般由前处理、求解计算和后处理三个模块组成，其中，前处理模块主要用于CAE几何模型和物理模型的建立、网格划分以及物理属性和边界条件添加等；求解器的核心是数值求解，类型包括结构分析、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析等；后处理模块主要用来实现分析结果的判读和评定，如将计算结果以彩色云图、矢量图、粒子流迹图、切面等图形方式显示出来，或以文本、图表等形式输出。根据经验，CAE各阶段所用的时间为：40%～45%用于前处理，50%～55%用于后处理，而求解计算只占5%左右。对于CAE的软件开发来说，求解算法固然非常重要，不过要开发一个简单易用和功能强大的前后处理模块也不是一件易事，需要模型建立、导入和处理、网格划分、网格描述和编辑以及图形学等方面的专业知识。目前有不少单位拥有自己的计算程序包，但前后处理能力相对比较弱，无法形成成熟的商品化软件。如果采用被市场证明的成熟的3D组件，则可以大大加快前后处理软件开发的进程，早日开发出能和业界领先的大型商业CAE软件竞争的商品化软件产品。

美国Spatial公司是全球著名的专门提供3D组件和服务的公司，是Dassault Systèmes的子公司之一。Spatial提供的3D组件主要包括：造型组件ACIS、数据接口组件InterOp、可视化组件HOOPS以及网格划分组件VisTools/Mesh等。Spatial 的3D组件在CAE行业有着广泛的应用，如业界著名的ABAQUS、Fluent、ANSOFT、CST、CFDesign、CSI Group和MSC等公司都是Spatial的客户，他们选择3D组件来开发，不仅可以充分利用3D组件提供的的强大的功能，大大降低自行研发底层技术的成本，缩短了开发周期，而且可以把精力放在专业模块开发上，提升了软件附加值。本文主要介绍CAE前后处理软件开发中的一些关键问题，以及如何利用Spatial提供的3D组件来解决这些问题。

2 CAE前处理关键技术

前处理环节是向CAE软件输入所求问题的相关数据，在前处理模块中需要解决的关键技术包括以下几个方面的内容：

2.1 模型建立和管理

通常CAE软件中需要提供直接建模的功能，至少需要具备用于网格划分以及施加属性和边界条件的几何模型描述。对于用户来说开发这样的建模功能或模型内核是非常困难的，即使是CAD软件通常也采用商业内核来实现底层的建模和模型表示。3D ACIS Modeler组件采用开放的和面向对象的C++架构，集成了线框、曲面和实体造型的混合建模功能，支持流形和非流形拓扑，具备非常丰富的造型方法（如拉伸、旋转、扫掠、蒙皮、放样、圆角、等距、拔模、抽壳、加厚、布尔操作等）和几何运算集，另外提供了模型管理的功能，能够实现无限次UNDO/REDO操作，并可以利用属性在模型的任何级别关联用户自定义的数据，完全可以满足创建CAE模型的需要，此外，ACIS的文件格式SAT格式也是一种被广泛采用的标准格式，保证了和其它CAD/CAE软件的兼容性。图1是用ACIS建模的示例。

图1 ACIS建模示例

2.2 模型导入和处理

2.2.1 模型导入

通常CAE软件并不提供复杂的参数化建模功能，CAE分析经常采用的方法是先通过成熟的CAD软件进行模型设计，然后利用CAE的前处理模块中的数据接口将设计模型中的几何、拓扑以及材质等信息导入到CAE软件中，实现设计数据的重用，不过CAE软件开发商如果要自行开发和维护多种CAD数据接口的成本也是很高的。而InterOp组件是一种“即插即用”的数据接口组件，支持多种主流3D格式（如：CATIA V5、CATIA V4、IGES、STEP、VDA-FS、Pro/E, Parasolid、UG、SolidWorks、Inventor和ACIS®等）的准确和透明的转换，转换内容不仅包括实体、曲面和线框等几何和拓扑信息，而且包括层、坐标系、工作平面、颜色、名称以及装配关系等信息。此外，InterOp组件中的每个转换器都经过精细微调，并经常更新，保证了绝大部分主流CAD数据都能很好地导入到CAE软件中，完全可以以较低的成本满足CAE用户对转换精度、成功率和版本更新的要求。目前包括ABAQUS、Fluent、CST、MSC等在内的多家商业CAE用户在使用InterOp组件。图2是导入CATIA V5装配模型示例。

图2 InterOp导入装配模型

2.2.2 模型处理

模型导入面临的一个重大挑战是如何将导入的CAD模型改造成适合网格划分和分析的CAE模型。在很多情况下，导入的模型包含许多设计细节，如细小的孔、圆角以及建模过程中形成的小曲面等，这些细节往往不是基于结构的考虑，保留这些细节，会加大网格划分的难度，增加单元数量，甚至会掩盖问题的主要矛盾，对求解计算和分析结果造成负面影响；再者，导入的模型中的一些几何和拓扑错误也可能会导致网格划分失败或不准确；另外，在导入的过程中有时还会出现缝隙和丢面的现象。为此需要利用CAE造型器提供的功能对导入的设计模型进行相应的处理，ACIS中的处理方法如下：

·模型检查：ACIS中有模型检查的功能，可以有7个级别用于检查模型拓扑和几何的完整性和有效性；

·小面去除：利用用户设定的阈值，ACIS可以自动识别出短边和狭长的曲面片，将这些模型用容差模型来替代会提升网格的质量；

·模型清理：ACIS中提供了自动去除或合并冗余顶点、边和面的方法；

·缝合操作：通常利用IGES格式导入的模型都是孤立的面片模型，面片之间没有拓扑关系，因此需要利用ACIS提供的缝合功能将之缝合成实心体或具有拓扑关系的面片集；

·补面：模型转换过程中某些关键的位置有时会出现面片丢失的情况，这时利用ACIS Advanced Covering模块中提供的高级覆盖的功能可以保证重建的曲面片和周围曲面片之间的连续性。图3是用N边曲面修补孔洞的示例。

图3 N边曲面修补示例

·去除细节特征：ACIS Defeaturing模块可根据用户指定的阈值自动识别和去除小的圆角、倒角和孔洞等特征，从而大大减轻了软件使用者的工作量。图4是圆角自动识别和去除的示例。

图4 圆角自动识别和去除示例

·手动修复（曲面重建）：在有些情况下需要利用造型器中提供的造型和编辑功能，如曲面重建、布尔运算，裁剪等功能对模型进行手工修复，而ACIS造型器中提供的强大的造型和编辑功能完全可以满足用户这方面的需求。

2.3 网格划分

网格划分的质量直接影响到求解速度及求解结果的准确性。Spatial可以向用户提供由美国VKI公司开发的基于对象的VisTools/Mesh高质量网格划分组件，该组件的主要特点包括：

1) 容易和ACIS造型器集成；

2) 全自动的三角形、四边形曲面网格和四面体网格生成；

3) 映射网格、边界层网格和拉伸网格生成，支持三角形、四边形、四面体、锲形、金字塔形和六面体网格；

4) 所有类型网格均支持线性和二次网格生成，可以通过输入二次三角单元自动生成四面体网格，网格划分过程中特别关注二次曲面三角化，以提供无与伦比的健壮性和二次四面体网格的质量；

5) 在所有网格划分模块中，如有必要，可以用曲面几何输入作为几何曲面的三角化面片输入。用户可以附加任何数量的几何和面片之间的关联，提供了用户定制的几何联结性；

6) 曲面网格中可以嵌入任何的点和直线，体网格中可以嵌入点、直线和三角形；

7) 可以用全局尺寸、最小单元尺寸、基于曲率的尺寸和增长率参数等的任意组合来控制网格尺寸。在空间的任何位置可以添加特定的尺寸控制。尺寸控制也可以由用户定义的空间坐标函数来控制；

8) 独到的特征去除和修复功能。网格划分过程中可以忽略小孔，在很多情况下，自交的曲面也可以进行修复或进行适当的划分。

2.4 材料属性设置、载荷和边界条件施加

用户不仅需要对模型设置材料属性，而且有时还需要对特定的面或区域附加特定的属性或自定义数据，在建模的过程中，如布尔运算，还需要实现属性的自动传递。ACIS的属性机制支持为任何体、面、边等对象附加多个属性，而且属性相关联的对象在发生分裂、合并、变换的过程中也会通知属性进行相应的操作，用户在自定义属性中可以很方便地根据需要控制属性的传递。为了提高效率，用户需要结合几何模型和网格模型进行载荷和边界条件的添加，为此需要在系统内部维护模型和网格模型之间的对应关系，使得在几何模型上施加的载荷和边界条件可以很方便地传递到对应的网格上。

3 CAE后处理关键技术

CAE后处理通常指的是通过彩色云图、等值面图、变形图、粒子轨迹图、矢量图、文本、图表和动画等手段查询和输出计算结果。在开发这些功能时涉及到图形学方面的技术：

3.1 大模型网格的可视化

对于规模较小的网格，直接采用OpenGL作为图形显示平台就可以得到不错的显示，但对于复杂的网格，如百万计以上数目的单元，如果不经过优化，就无法保证图形性能。下面介绍两种大模型网格可视化的技术：一种是对于体网格的可视化，通常情况下，最终用户看到的仅仅是网格表面的信息，因此用户可以单独对表面进行显示，而当用户需要采用切面方式观察模型内部的分析结果时，可以实时计算并显示切面的面网格，不过该方法需要记录每个单元的哪些表面是有限元模型的外表面；另一种是采用图形内核中的大模型显示技术，如HOOPS中集成了包括LOD和多种Culling在内的大模型显示技术，可以大大提升大模型网格可视化的性能。

3.2 实时切面显示

开发人员需要根据划分好的网格信息，以及切面所在的位置实时计算出该平面和相交的各个单元的交点和交线，然后创建被该切面切开部分的三角网格。该问题的难点在于如何计算不同类型网格和平面的截面交线，以及如何显示切面上的彩色云图。

3.3 颜色插值

由于HOOPS内部的Shell、Mesh和PolyCylinder等图元的顶点可以用来存储顶点绘制属性信息，因此如果用户将分析结果存储在这些图元的顶点就可以非常容易实现网格和轨迹线的颜色插值，图5是Fluent软件中提供的颜色插值的示例。

图5 颜色插值

3.4 矢量图

用户需要根据附在每个顶点上的矢量信息，用箭头绘制模型内部各个顶点的矢量分布情况，此时可以采用HOOPS内部的绘制设置，对于远处的比较小的箭头不绘制，而等放大到局部的时候再进行绘制，从而可以有效减少需要实时绘制的箭头的数量，也可以大大提升显示的效率。

3.5 动画

有时用户需要查看模型动态变化的效果，如变形和模型随时间或温度变化的情况。HOOPS提供了非常完善和方便易用的动画引擎，可以实现包括带颜色插值的动画效果。

3.6 VISTA支持

由于微软发布的VISTA操作系统对Direct3D有很好的支持，而不少基于OpenGL的图形系统在VISTA上的表现却差强人意，为此用户的产品需要同时支持OpenGL和Direct3D，而HOOPS的底层架构对OpenGL和Direct3D都提供了很好的支持，用户只需要一个开关就可以随时切换用OpenGL来渲染或用Direct3D来渲染，从而可以在不同的机器上达到最佳性能。

4 CAE前后处理系统AGMPrepost简介

通过使用Spatial提供的3D组件可以提高产品竞争力和加速产品上市，但是3D组件毕竟不是最终产品，开发人员还需要将这些3D组件组合起来，并在这些3D组件的基础上进行专门功能的开发。而对于使用这些3D组件的开发人员来说，如果对3D组件了解不是很透彻，那么试图搭建一个稳定、可靠和易于扩展的底层架构还是比较困难的。为满足部分用户快速开发CAE前后处理软件的需要，Spatial专业技术人员为这些用户开发了商业源代码级别的3D应用程序框架－AGM（图6是AGM基本架构），AGM提供了对底层Spatial 3D组件的封装，而AGMPrepost则是利用AGM框架开发的CAE前后处理原型系统。该系统包括如下模块：

图6 AGM基本架构

4.1 基本模块

1) 实现了ACIS对象和HOOPS几何图元之间的映射；
2) CATIA风格的人机界面，包括视图操作、透明树以及对象的检取和动态高亮等；
3) 显示对象的创建和管理，包括坐标系、栅格、工作平面等；
4) 利用Streaming技术实现了用户数据的读写。

4.2 前处理模块

1) 实现了基于草绘的建模，该2D草绘模块的实现采用了一种新的草图绘制和更新机制，用户可以创建和动态编辑2D草图，并能够自动处理多草图轮廓的情况。在草图创建的过程中具有支持栅格捕捉、拖拽修改、坐标和参数输入修改、动态橡皮筋等特点，使用非常方便。另外，在该模块中也提供了拉伸、旋转、圆角、布尔运算等实体造型功能，且拉伸和旋转特征的创建和编辑都是和2D草图轮廓完全关联的；

2) 实现了IGES、CATIA V5等文件的直接读入功能，包含装配结构的读取和模型修复的示范代码；

3) 集成了和第三方网格划分器的接口，建立了几何模型和网格节点之间的对应关系，实现了三角形、四边形、四面体、锲形、金字塔形以及六面体网格的线性和非线性描述，另外对于非线性网格采用了LOD算法，明显提升了大网格显示的性能，图7为具有105万个四面体单元的网格划分和显示；

图7 四面体网格划分和显示

4) 实现了模型材料属性的设置，以及在模型和网格上添加多种载荷、约束等边界条件的功能。

4.3 后处理模块

1) 实现了利用切面动态观察网格内部的分析结果；
2) 实现了层次和渐变两种色差图的分析结果查看，支持颜色的数目和取值范围的修改，从而显示出最终用户所关心的取值范围内的云图分布情况；
3) 支持根据给定的比例因子查看模型的变形情况，图8为位移的变形图（比例因子为100）和渐变色差图显示；

图8 变形和渐变色差图

4) 支持根据给定的值查看模型的等值面，图9为等值面图示例；

图9 等值面图

5) 支持模型内部节点分析结果的矢量图输出，图10为模型内部节点位移的矢量图。

图10 节点位移矢量图

5 结束语

实践表明，Spatial的合作伙伴通过利用Spatial的3D组件开发新的应用程序或将之集成到已有的软件产品中，不仅可以得到令人满意的3D功能，而且可以更好地管理开发成本、优化资源和缩短产品上市时间，使用户可以将更多的精力放到提高产品的核心竞争力上来。另外，Spatial的专业的技术支持和咨询服务，也是客户成功的重要因素之一。目前已经有16家公司授权了AGM的源代码，并且其中8家开发的软件产品已经得到商业化或被企业使用，而最快的案例是4个月就推出了产品。从这些AGM用户反馈的情况来看，AGM大大提高了他们的开发效率，而且也有效提升了软件产品的竞争力。

文章内容仅供参考 (投稿) (7/10/2008)


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