CAE软件与CAD集成协作在水利工程有限元分析中的应用

孙小冉

CAE软件与CAD集成协作在水利工程有限元分析中的应用

孙小冉

在大力推行计算机辅助工程CAE（Computer Aided Engineering）软件的今天，有限元计算分析已经成功解决了很多领域的大型工程计算难题，取得了巨大的社会和经济效益。随着现代技术的飞速发展，水利工程无论在理论方法和结构施工方面都有很大突破，新结构、新材料、新技术的大力研发和应用，使得水利工程结构更趋于大型化。但由于水利工程结构庞大，工况多变，计算模型复杂，再加上水利工程一般工作环境恶劣，荷载多变多元、非线性，单一软件计算繁杂且易出错，常用的有限元软件大多是分析软件，在前处理方面是弱项，耗时长且效果不佳，本文尝试将CAE软件（Hypermesh、MSC.Marc） 和 AutoCAD集成协作，充分挖掘并发挥多软件各自优势，使整个水利工程有限元分析过程清晰高效、便于操作和修改，以期能为水利工程的有限元分析提供更为有效的解决途径。

一、有限元分析的基本原理及各软件特点

有限元法的分析过程通常可以分为前处理、分析求解和后处理三部分。

前处理是用图形软件工具对工程结构进行实体建模，并对几何模型的集合空间进行离散划分网格、给出具体边界条件，最终输出有限元分析求解所需的图形和数据。分析求解是有限元理论方法、计算方法和软件分析方法的结晶，通过输入由前处理提供的图形和数据，根据分析任务，完成相应的有限元求解，并输出求得的数据。后处理是处理分析求解的结果，识别求解器生成的格式化及非格式化成果文件，将结果根据需要输出成各种常见的图形或动画文件，如分布图、等值面（线）、应力梯度矢量等。有限元分析的基本原理见流程图1。

有限元分析方法经过近50年的研究与应用，理论基础已相当完善，并开发了一批通用或专用的有限元软件。如美国的 Marc、Hypermesh、ABQUS、ADINA、ANSYS，德国的 ASKA，英国的PAFEC，法国的SYSTUS等，这些软件具有线性和非线性、静力及动力分析、单一和耦合场的求解能力，以及强大丰富的后处理功能，内嵌多种形式的模型单元库和材料库，且其程序面向用户开放，可根据需要进行二次开发解决水利工程实际问题。本文引入的MSC.Marc软件是国际上第一个通用非线性商用有限元软件，具有高效可靠的处理高度非线性问题能力和基于求解器的极大开放性，被广泛应用于水利工程的过程和性能仿真方面，但是主要用于分析求解，在建立复杂结构的三维实体建模型方面较为薄弱。Hypermesh是美国Altair公司的一款据具有强大有限元网格划分前处理功能的CAE应用软件包，对由通用计算机辅助绘图与设计软件包AutoCAD提供的工程几何模型进行高效的网格划分和单元细节修整完善。能在高度交互及可视化的环境下进行仿真工作，可大大减少CAE工程师消耗在模型建立网格划分和修改上的时间，弱点是单独使用功能不突出，与其他软件集成效果更好。工作基本原理如图2所示。

二、CAE与有关技术的接口实现

多软件集成协作的关键就是实现CAE与CAD的接口和CAE软件之间的接口连接。Hypermesh和MSC.Marc软件外部接口的丰富性、模型数据文件写出和结果文件读取的正确性是确保三种软件综合应用的前提。

Hypermesh与CAD之间一般通过数据传递的方式，两种软件的程序“交流”后生成与Hypermesh程序兼容的数据格式，对于CAD中建立的几何模型通过软件中的“defeature”功能自适应剔除不必要的细节特征，并“抹平”凹坑，完成模型的修复，实现CAD模型向适合有限元分析的模型的转换。Hypermesh和MSC.Marc软件之间通过写出、读入文本格式的数据文件通过参数和载荷信息的设置来传递有限元模型的节点、单元信息等信息。三者之间的集成结构如图3。

图1 有限元分析基本原理图

图2 Hypermesh进行前处理流程图

三、多软件集成协作有限元分析的步骤

Step1：根据水利工程分析任务，用AutoCAD建立模型，输出的模型数据文件必须为.*.dxf#格式，以实现Hypermesh软件的正确读取。

图3 多软件集成协作有限元分析流程图

Step2：打开Hypermesh软件，点击File>Import>Geom，选择.*.dxf#格式导入CAD文件，读取时依据实际需要调整模型比例因子和设置几何单元清理修整时的容差。然后生成控制几何点线剖分平面单元并自动生成三维单元。利用“defeature”等功能进行模型清理修整，剔除不必要的细节特征等。最后认真检查模型及边界条件添加无误后，将写出的模型文件存储为.*.dat#格式，以实现MSC.Marc软件的正确读取。

Step3：在 Marc静态菜单的.Files#中，将.*.dat#文件.read#进来即可，读取后即可在MSC.Marc中进行边界条件定义、材料特性选择、求解及后处理。在MSC.Marc求解的过程中，可以利用共享文件夹、修改注册系统注册表和设定服务器的方法，实现MSC.Marc软件的多台计算机的并行计算，从而更加高效地实现整个有限元模型的仿真分析。

根据上述步骤，通过各软件间的接口连接和程序的二次开发，就实现了从CAD建立平面的模型，到导入Hypermesh进行有限元网格剖分的前处理，最后在MSC.Marc中进行有限元模型计算和后处理的全过程。

四、结语

本文通过对有限元分析原理和各软件特点的介绍，探讨了Hypermesh、MSC.Marc和AutoCAD软件集成协作的可能性，并研究了具体的多软件集成的有限元分析过程。为解决大型水利工程复杂多变的有限元仿真分析，提供了高效可行的科学依据■

（作者单位：安徽省（水利部淮河水利委员会）水利科学研究院 233000）