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[CATIA插件] CAE软件研发的一些思考--CAE软件架构设计

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CATIA视频教程 发表于 2019-9-16 13:58:53 | 显示全部楼层 |阅读模式
CATIA视频教程
2019-9-16 13:58:53 1083 0 看全部
  这里的CAE是广义的,包含了传统意义上的CAD/CFD/EDA/CAE/CAPP等

  本文的设计主要覆盖软件工程流程中的概要设计和详细设计。因为客观原因,CAE软件与软件标准开发流程有所不同,设计文档更倾向基于可快速实现的原型开发。

  设计中并不强调某一模块的功能,也不追求某一方面的性能效率,而是基于软件工程,着重搭建一个通用性,可靠性,稳定性,扩展性,可测试性,维护性优秀的CAE软件平台。基于此平台,既可以开发大型通用有限元软件,也可以快速开发出行业CAE软件产品。

  第一部分:模块划分
  根据功能分以下几大模块:
  1.输入输出(Input/Output或I/O)
  2.几何
  3.有限元模型
  4.后处理器
  5.求解器
  6.图形
    7.公共模块
  8.高性能计算(HPC)
  9.参数优化设计

  第二部分:详细设计

  1.输入输出模块(Input/Output)

  1.1.文件的读入与写出。文件类型包括:

  1>.软件自定义的工程文件

  2>;.标准的CAD文件(DWG/Step/IGS/SAT/X_T/STL/Model/等)

  3>.标准有限元模型文件(bdf/cdb/inp/k/NEU/ModelFlow/I-deas/Ansa/Mar/Admin等)

  4>.标准的行业CAD文件(制衣CAD格式,PCB板CAD格式等)

  需要说明的是第四种文件,该文件的格式数据通常包含了几何描述信息和属性,几何描述信息是指无几何的拓扑信息(比如一个长方体,几何描述信息是用初始点坐标和长,宽,高四个参数来表示,而没有实际的点线面体拓扑信息),读入该类文件后,需要用CAD内核重新建立模型。

  类图

  1.2.外部接口

  通常CAE软件能够供其他软件调用,或者作为其中一个模块,也能够实现参数化命令行调用。
CAE软件研发的一些思考--CAE软件架构设计67

  2.几何模块(Geometry)

  这里的几何指广义上的CAD,包含了几何的创建,编辑,管理等。一般的商业CAE软件提供了CAD功能,都比较简单。对于复杂的实际工程,很少在CAE软件中建模,而是在专业CAD软件(Catia/UG/ProE/Inventor等)或者行业CAD软件中建立几何模型,然后导入到CAE软件中。所以CAD不是CAE软件的重点,但是好的CAD模块能提高CAE仿真的效率,避免外部CAD数据与CAE接口之间的损耗(最典型的就是CAD数据修补)。CAD建模本身也是一项技术含量很高的工作(参数建模,约束建模),而且Catia/UG/ProE/Inventor这些产品在CAD方面已经做的非常好了。CAD与解方程组数值算法一样,也是基础性学科领域。

  这里不涉及通用的CAD建模,重点在建立CAD模板。所谓的模板是指可反复使用,用户输入参数或者导入模板参数文件,即可建立所需的CAD模型,不需要用户手工去生成。(比如用户定义了一架飞机模型参数,参数可以保存为文件,生成实体几何后,修改机翼长度的参数,可再次生成模型而不用做其他修改)。这也是专业CAD软件的优势所在。

  CAD建模,首先需要内核,目前商业的3D CAD内核有Parasolid和ACIS,Granite,开源的OCC。国内的CAD软件长期没有自主核心技术,在CAD内核方面也鲜有成熟产品。

  3.有限元模型(FE Model)

  3.1.单元
CAE软件研发的一些思考--CAE软件架构设计30

  面向对象方法很适合构造有限元中的单元,ElementType为所有单元的基类。主要方法有:点的集合,材料,分析类型,阶次。根据单元的空间维数将单元划分为0/1/2/3D单元。如需扩充新单元类型,在相应的单元类型上派生即可。

  3.2.CAD和CAD属性(边界条件)

  这里边界条件泛指任何在几何(点,线,面,体)上的属性(位移/荷载/温度/吸收边界/约束。。。)
CAE软件研发的一些思考--CAE软件架构设计67

  CYCAD_Controller负责获得几何数据和附加在几何上的属性(边界条件)。CYCAD_Data存储几何数据,CYCAD_Attribute存储与几何对应的属性。CYCAD_Engine是CAD内核的接口,通过接口也可以调用自己开发CAD内核。基于该结构,实现了CAD与MESH的解耦,对于已经有的CAD/Mesh接口,能实现最小限度的修改。

  3.3.网格划分
CAE软件研发的一些思考--CAE软件架构设计11

  从名称可以看出采用了Factory和Facade模式,CYMesh_Facade负责与外部的接口,主要是设置1.CAD数据,2.CAD属性(材料,荷载,温度,边界等),3.网格划分参数和策略。Controller主要负责Mesh流程,CYMesh_Engine是执行Mesh引擎的接口,可以根据实际需要选用网格引擎,以上选取了Gmsh,NetGen,Distene,VKI等,在此结构上,开发人员可以方便的对网格划分流程和网格引擎进行扩展。

  3.4.网格属性

  网格划分完成后,通常做法是把网格数据保存为规定的文件格式以供求解器调用。也有直接在内存中供求解器调用的,虽然提高了效率,但是不利于调试。对于自主开发的求解器,可以把网格导出为Ansys/Nastran等求解器的格式,以方便做Benchmark。

  网格的数据包含了如下信息:

  1.节点信息:索引和坐标(Vertex)

  2.边信息:索引和点索引(Edge)

  3.面片信息:索引和边索引(Face)

  4.单元信息:索引和节点索引(Element)

  通常以上信息只需得到点和单元的信息,其它都可以求出。

  5.属性标签:加在几何上的属性会分配在相应的网格单元或者节点上。(边界条件/荷载/材料等)

  网格活动图:
CAE软件研发的一些思考--CAE软件架构设计63

  说明:

  1.Mesh Data为网格数据

  2.Validate Mesh quality验证网格的质量,网格质量指单元的形状的好坏,有通用的公式计算(比如最大角度,长宽比,Aspect ratio/Skew等)。网格质量的好坏直接影响到求解精度

  3.Output to Mesh file导出为网格文件

  4.Run Solver调用求解器

  5.Need refine:根据求解器反馈的结果和预定义的收敛准则,判断是否需要加密网格

  6.Refine Mesh:加密网格

  4.后处理

  后处理是对仿真结果的处理,包括可视化,归纳分析,导出报告,与实验数据对比等。技术上来讲没有太多瓶颈,主要是数据的组织,再就是大数据显示的效率。

  3.1.可视化主要包括等值线,云图,XYplot,动画等,

  3.2.归纳分析,是指对仿真的原始数据进行加工,得到所需要的参数,比如VonMises应力,S参数等。

  3.3.与实验数据对比,这个也是以后CAE仿真的一个发展方向:即如何将仿真得出的数据与实验数据,保证仿真数据具有实际参考价值。

  后处理主要用到图形显示模块。

  目前市场上比较通用的商业后处理器:Ensight,HyperView,Femap。

  5.求解器

  求解器核心是求解偏微分方程(PDE),有限差分/有限元/有限体积等数值方法二三十年前就已经很成熟,功能上没有太多难点。开发求解器主要在稳定性,扩展性,效率以及定制化等方面还有很多改进余地。开发求解器面临的主要问题是非技术问题,就跟键盘布局一样,大家用习惯了,再出来新的除非特别优秀或者有足够多的亮点,否则用户很难认可。拿求解器Radioss来说,Altair声称兼容Nastran,但是行业认可度并不高。另一个例子是Comsol,Comsol在求解器,前后处理上并无太多亮点,但打出了多物理场的旗号,并且在多物理场建模方面也确实提供了一些便利。
CAE软件研发的一些思考--CAE软件架构设计67

  求解器涉及的领域有结构,电磁,热,声,光,流体等领域,可参考附件。

  6.图形

  该模块包括以下几部分:

  1.几何模型,有限元模型,结果的可视化

  2.几何有限元模型的图形化编辑

  3 GUI设计

  1.几何模型,有限元模型,结果的可视化

  可视化开发工具首选OpengGL,使用OpenGL需要较深的图形学功底。目前绝大部分可视化工具都是基于OpengL。也有些公司在OpengGL之上做了封装,提供了更高层次的调用接口。

  开源可视化工具VTK,ParaView。

  也有提供商业可视化工具的(VKI/HOOPS/Gravies/),价格不便宜。

  2.几何/有限元模型的图形化编辑

  涉及到编辑几何,编辑网格。允许用户通过鼠标,输入等方式编辑几何和网格,支持更复杂的功能(比如装配体的网格组合)

  CAE软件通常采用卡片式编辑,即在一个ListView中按Index显示所有内容,提供编辑,删除,添加等,在新的窗口中实现功能。

  3.GUI

  图形化用户接口开发工具有MFC,QT,WPF等。最近十年QT的发展已有超过MFC的势头。作为GUI开发工具,QT具有使用简单,不依赖平台,开发资源丰富等特点,可作为开发的首选。

  因为GUI涉及到软件的每个部分,同样,为了建立兼容的CAE开发平台,在开发之初最好能确定GUI工具,以后就不再改动。

  7.公共模块

  公共模块没有太多核心技术,实现也没有难点,但在CAE开发中相当重要,尤其到开发的中后期,公共模块的重要性更加突出。一个好的公共模块能大大提高开发测试效率。
CAE软件研发的一些思考--CAE软件架构设计16

  公共库主要包括字符操作,数值计算,基本数据结构,错误返回代码定义,图形算法,常用算法,矩阵类等。

  CYMatrix_Operator是定义的一个中间矩阵类,主要是统一矩阵操作的接口。考虑到求解器用的矩阵库各不相同,通过此接口可以统一,但性能上会有所降低。

  8.HPC(High performance computation)

  参考FEM之求解器加速(1)---HPC简介

  9.参数优化设计

  参考FEM之优化算法(1)

  总结:

  1.本文只是一个初步的架构设计,其中有很多细节很难用文档来描述。

  写文本的目的只想说明,不管是开发大型通用CAE软件,还是行业的CAE软件,在技术上都是可行的。
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