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基于MicroStation的CAE数据接口与一体化

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来源:中国BIM网

摘  要:
       MicroStation是一个可互操作、基于参数化设计技术的大型三维CAD软件,能够快速建立三维实体模型。基于CADCAE一体化的要求,以MicroStation与ANSYS集成为例,提出了一种实现MicroStation与ANSYS之间数据接口的方法以及在MicroStation端对分析结果进行后处理和集成展示的解决方案。


作者:刘臻熙1,王国光1,2,蒋海峰1,2
  (1. 中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司;2. 浙江省工程数字化技术研究中心)
 
引 言
 
  目前工程三维设计在水电水利行业已经得到了广泛的应用。各种各样的CAD软件层出不穷,参数化设计已成为CAD软件发展的一大方向。与此同时,CAE技术的飞速发展特别是有限单元法在包括工程岩土计算、三维结构力学分析、静力平衡、温度场分析等领域的广泛应用,是工程数值分析方法研究的重大突破性进展。常用的结构计算和有限元分析软件有ANSYS、Midas、Flac 3D、Abqus等。
 
  随着CAD技术的日趋成熟,设计人员迫切需要一种对所做设计进行精确评价和分析的工具,借助CAE软件来实现工程评价和分析是行之有效的方法。但CAD、CAE是相互独立发展起来的,模型兼容性和数据互通都存在一定的限制。目前CAD/CAE集成的主流方法是首先利用参数化等建模技术在CAD中快速建立三维实体模型,然后通过数据接口导入到CAE系统中进行有限元分析,分析结果即时反馈给工程设计人员,指导、修改、优化设计方案。然而在实际操作中由 CAD 模型导入 CAE 系统中往往会出现信息丢失的情况,直接用标准中间格式转换模型会存在各种各样的问题。因此,根据实际应用情况开发CAD系统与CAE系统的模型数据接口是实现CAD/CAE集成分析技术的关键所在。
 
  MicroStation是一个可互操作、基于参数化设计技术的大型三维CAD软件,极大地方便了模型的设计和修改,显著提高了设计的效率和质量。在CAD端对CAE分析结果的后处理和展示是CADCAE一体化集成展示的重点。
 
  1、 MicroStation与ANSYS数据接口
 
  ANSYS 软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。它广泛应用于土木、机械、机电、航空等领域。在结构分析中, 它能进行静力、模态、动力、几何与材料非线性分析, 可模拟各种连接关系及边界条件, 并且能对结构设计目标进行优化设计。
 
  在应用ANSYS 进行有限元分析中, 有限元建模耗费了工程技术人员大量的时间与精力。虽然ANSYS带有自建模功能, 但是这个建模功能非常有限, 只能处理一些相对简单的模型。因此, MicroStation与ANSYS二者的结合使用, 充分利用MicroStation快速准确建模的特长, 就可以很好地解决ANSYS 建模能力的不足。研究ANSYS与CAD 造型软件的快速方便的接口,能有效提高建模速度,提高模型质量, 简化分析工作, 对工程技术人员来说意义十分重大。
 
  ANSYS 最值得推崇的是其可编程特性, 它配有命令组与APDL 语言, 可便于用户进行二次开发, 从而拥有了与任何高级计算机语言的一个接口,使其与MicroStation之间的数据互通成为可能。MicroStation和ANSYS数据接口所涉及的功能主要包括几何模型、材料定义、网格数据及计算结果在两者之间的转换。
 
  1.1模型数据接口
 
  一个结构分析模型由几何模型数据(几何拓扑与几何参数)、材料截面数据、荷载数据与约束数据(边界条件)构成。几何数据与材料截面数据描述结构的构成及定位定形; 荷载数据与约束数据描述环境对结构的作用。
 
  I、几何模型交互
 
  ANSYS 提供了与大多数CAD 软件进行数据共享和交换的图形接口, ANSYS 自带的图形接口能识别IGES、ParaSolid、CATIA、Pro/E、UG 等标准的文件,通常使用的有IGES和ParaSolid文件。MicroStation同样提供了很多通用标准的图形接口,使用这些接口很简单,只需要在建好模型之后,使用导出命令直接导出即可。对于IGES和ParaSolid文件,MicroStation能够直接导出
 

  从MicroStation导入几何模型到ANSYS中有两个途径:从本地选择导入和从ProjectWise选择导入。本接口使用的图形格式为ParaSolid(x_t)。


图 1 几何模型交互



     在导入模型之后,为了进一步适应仿真计算的要求,避免求解分析过程耗时长、分析结果偏差大等问题,需要在ANSYS的DesignModeler模块中进行几何模型的简化、修改等处理。处理完成的模型应该符合以下要求:(1)去掉分析影响比较小的几何特征,比如小孔、碎面等小特征;(2)对复杂的拓扑形状进行几何切块,目的是在网格划分时形成高质量的六面体网格;(3)检查各部件的命名,不同材料需要用不同的名称进行区分,且部件名称不能含有空格。
 
  II、材料定义
 
  材料定义模板包含材料库定义和部件材料定义两部分。材料库提供了水利工程仿真中常用的材料定义的模板,支持线弹性材料、双线性材料、混凝土材料和岩土材料四种本构类型材料的定义,每种材料都具有相应的材料参数可供设置。
 

  定义并加载材料模板之后,需要对模型的各部件指定相应的材料类型,即从材料库中选择各自对应的材料。完成之后,系统自动转换APDL文件,供下一流程调用。


 图 2 材料库定义


       1.2 分析结果数据接口
 

  在完成几何模型导入、处理及材料定义等流程之后,即开始进行约束边界定义、载荷定义,并对模型进行网格划分操作。网格划分完成之后,执行求解分析计算并查看相关计算结果。以上所有流程均在ANSYS中完成。


 图 3  CAE分析流程


        分析结果数据主要包括:(1)文本格式的计算网格数据,用于支持MicroStation的三维有限元网格展示;(2)文本格式的网格节点分析结果数据,用于在MiroStation的专题彩色云图等展示。
 

  网格数据文件(.cdb)包括有限元网格的节点数据、单元拓扑数据;分析结果文件(.xml)包括网格节点的分析结果,主要有x/y/z三向的正应力、正应变及位移、xy/xz/yz三向剪应力剪应变、1/2/3三个主应力和总位移。


图 4  分析结果文件


       文件生成完毕后,自动调用打包程序进行打包并上传至ProjectWise。至此完成MicroStation与ANSYS的接口数据互通过程。
 
  2  MicroStation的CAE集成展示
 
  通过MicroStation与CAE软件的数据接口开发,能够从CAE软件中提取分网、计算分析结果等数据,并为在MicroStation中集成显示CAE分析数据提供技术支撑。以MicroStation集成显示ANSYS分析数据为例,解决方案从数据导入、数据存储、有限元表达、分析结果云图显示等方面展开。

 2.1 有限元扩展
 

  在MicroStation中,有限元对象并没有特定的元素类型。Mesh元素类型只能够表达有限元网格面片或二维单元构成的有限元对象,但无法表达有限元网格的三维立体单元(四面体、六面体等) 。MicroStation的106元素是自定义元素类型,通过它可以扩展定义任何复杂元素类型。基于该类型创建的有限元特定类型能够解决有限元网格表达的问题。


图 5  有限元对象类型

        MicroStation/ANSYS接口最终输出文件包括网格模型文件(。cdb)和分析结果文件(。xml),cdb文件是有限元网格模型文件,文件中有网格的节点、单元拓扑、单元类型等数据信息,xml文件是结果文件,主要包括分析结果类型和分析结果数据。MicroStation不能直接导入它们,必须将它们转换成标准的sqlite数据(。edb)。在Sqlite edb文件中建立七张表,分别是节点数据表(NODES)、单元拓扑表(ELEMENTS)、单元类型表(ELETYPE)、网格面片表(FACETS)、表面面片表(EXTERIOR)、结果类型表(RSTTYPE)和分析结果表(RESULTS)。通过这些数据表,MicroStation能够结合106元素无缝地表达有限元对象并存储各类数据。



图 6  sqlite 数据表


     MicroStation的有限元对象可以以网格节点和网格单元两种不同的方式显示。节点绘图以点集的绘制表达网格节点;单元绘图通过提取表面面片绘制的方式表达网格单元,对内部的单元和面片不绘制,大大提升了有限元图形显示效率。


 图 7  有限元对象显示

 2.2 分析结果云图展示
 
  MicroStation有限元分析结果展示主要是以渐变图、条状图、等值线图等手段展示模型的CAE分析结果。
 
  MicroStation的专题显示功能(Thematic Display)能对模型的高程、坡度坡向、日照阴影等属性生成彩色云图,这些属性都与模型的几何特征有关。然而CAE分析的结果往往以特征值的方式存储在网格节点或面片上,与模型的几何特征无关。MicroStation的CAE分析结果展示技术是以基本专题显示为基础,通过开发拓展专题显示的领域,使其支持基于有限元网格节点特征值的云图展示。
 

  分析结果展示内容主要有x/y/z三向的正应力、正应变及位移、xy/xz/yz三向剪应力剪应变、1/2/3三个主应力和总位移,显示样式包括光滑显示、精确条带显示、等值线显示、快速云图显示、等值线+快速云图等。下图展示了岔管模型的CAE分析结果在MicroStation中的多种方式展示。



 图 8  MicroStation的CAE分析结果云图展示

     除此之外,基于MicroStation剖切工具扩展的有限元动态剖切面工具能够对CAE分析结果动态剖切查看,通过具体剖切算法还原剖面上的模型内部分析结果。随着剖切位置的动态变化,相应的网格内部信息也会实时计算并显示。切面可以沿着XY平面、YZ平面、XZ平面三个方向。




图 9 动态剖切面查看内部数据

 MicroStation集成展示CAE分析模型能够使CAD的几何模型与CAE分析模型在同平台中一体化展示,下图案例为某大坝分析模型与地质三维模型的一体化展示。


图 10  CADCAE一体化集成展示

 3、 结 语
 
  软件开发走系统集成的路线, 可取得开发周期短、效率高、博采众长的效果。选择国际上较为成熟的通用软件, 将其本地化、专业化, 并在常用软件间建立接口, 是解决工程软件发展需要的一条捷径。目前MicroStation与ANSYS的接口技术已趋于成熟,对于ANSYS的分析模型能够方便地与MicroStation进行数据互通、集成展示。除此之外,Itasca公司的Flac3D、Abqus等主流CAE软件在工程分析特别是岩土分析中应用也很广泛,这类软件的接口问题是基于MicroStation的CADCAE一体化下一步需要解决的重点。
 
  参考文献
 
  [1] 王金锋,陈健,王国光。 水电水利工程三维数字化设计平台建设与应用。2013中国电力信息化推进大会论文集。
 
  [2]MicroStation Visualization V8i(SELECTseries 4 Early Access Program)。 New since version 08.11.09.237:45~56.
 
  [3] Bentley MicroStation Display Style Handler API.
 
  [4] 米建龙,王昱皓等。 Microstation和ANSYS数据接口软件项目总结报告。安世亚太股份有限公司。

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