基于A(yíng)utoCAD的有限元前處理系統設計

2014-11-29 陶海燕 華中科技大學(xué)機械科學(xué)與工程學(xué)院

　　以AutoCAD 為幾何平臺，并利用其提供的二次開(kāi)發(fā)技術(shù)實(shí)現了有限元前處理系統的編程。該方法解決了常規的有限元分析系統中的幾何建模系統和前處理系統脫節的問(wèn)題。集成了造型、單元屬性設置、網(wǎng)格劃分、顯示等多種模塊。研究了有限元前處理系統的若干關(guān)鍵技術(shù)，包括如何控制網(wǎng)格形態(tài)、輸出求解數據接口、基于ObjectARX 的CAD/CAE 集成設計、復雜三維實(shí)體的四面體網(wǎng)格全自動(dòng)生成算法。建立了一個(gè)基于A(yíng)utoCAD 的有限元前處理系統。

　　有限元分析方法是求解微分方程邊值和初值問(wèn)題，建立在待定函數離散化基礎上的一種數值方法; 廣泛應用于固體力學(xué)、流體力學(xué)、生物力學(xué)、傳熱學(xué)、電磁學(xué)及其它數學(xué)物理領(lǐng)域。在目前的有限元分析中，分析模型的建立，在有限元分析過(guò)程中所占的工作量非常大，成為有限元法實(shí)際應用的主要困難之一。有限元前置處理主要包括建立幾何模型、網(wǎng)格劃分、生成有限元分析模型的屬性數據( 載荷、材料、邊界條件等) 和有限元計算控制數據等幾個(gè)方面的內容。在早期的有限元前處理系統中，建立幾何模型和有限元模型往往是分離的，沒(méi)有形成一種集成化的工作環(huán)境，這樣造成諸多不便。所以本文提出一種能集成以AutoCAD 為幾何平臺的CAE 前處理系統的方法。

1、開(kāi)發(fā)平臺的選擇

　　目前流行的幾何造型平臺主要有CATIA、UG、AutoCAD、PROE 等，這些幾何平臺的應用對象也不一致，CATIA、UG 主要用于大型產(chǎn)品設計具有很高的幾何精度同時(shí)價(jià)格也非常高昂，并且這兩款軟件普及程度不高因此不選擇這兩款作為開(kāi)發(fā)平臺。Pro-E 具有很方便的造型功能但是此平臺的二次開(kāi)發(fā)功能不太容易實(shí)現故也不選擇此平臺。AutoCAD 具有超強的二維畫(huà)圖功能和強大的三維造型功能，普及程度極高，并且擁有非常好的基于C ++ 的二次開(kāi)發(fā)工具( ObjectARX) 。因此本系統選擇AutoCAD2004 作為幾何平臺，ObjectARX 2004 作為二次開(kāi)發(fā)工具，Microsoft Visual studio 2002 作為開(kāi)發(fā)該系統的集成開(kāi)發(fā)平臺。ObjectARX 是從AutoCAD R13 開(kāi)始推出的一個(gè)完全面向對象的二次開(kāi)發(fā)環(huán)境。ObjectARX 是編寫(xiě)具有AutoCAD 相同地址空間并直接訪(fǎng)問(wèn)AutoCAD 的動(dòng)態(tài)鏈接庫的開(kāi)發(fā)環(huán)境。它可以監控和處理AutoCAD 的各種事件，可以完全控制AutoCAD 的行為，可以定義AutoCAD 命令，這些命令可以像AutoCAD 本地命令一樣被執行和調用。同時(shí)ObjectARX 2004 該環(huán)境完全支持MFC，這為實(shí)現GUI 式的交互操作奠定了基礎。

2、系統的數據結構

　　由于本系統是CAD 和CAE 前處理系統的集成，所以要設計一個(gè)完整的數據結構來(lái)描述本系統的幾何信息和有限元信息及其之間的關(guān)系。在本系統中必須設計合理的數據結構來(lái)完整描述有限元模型和幾何信息，一個(gè)完整的有限元模型往往由單元、載荷、邊界條件、求解器參數等部分構成。單元模型的基礎是節點(diǎn)，根據所要解決的問(wèn)題不同，單元又分一維線(xiàn)單元、二維平面單元( 三角形單元、四邊形單元等) 、三維實(shí)體單元( 四面體單元和六面體單元等) 、三維面單元( 板翹單元) 和特殊單元( 質(zhì)量單元等) 。本系統利用AutoCAD 提供的接口類(lèi)實(shí)現有限元模型數據的CAD 化，把單元數據、材料、載荷等數據都通過(guò)接口類(lèi)設計成自定義類(lèi)，存儲對象于A(yíng)utoCAD 的數據庫中。

3、結語(yǔ)

　　有限元技術(shù)經(jīng)過(guò)長(cháng)足的發(fā)展應用已經(jīng)變得非常普遍，同時(shí)也對有限元技術(shù)的支撐技術(shù)提出了越來(lái)越高的要求。該系統以建立CAD 和CAE 前處理器的集成系統為目標，完整地闡述了建立該種系統的方法和關(guān)鍵技術(shù)。為后續的參數化動(dòng)態(tài)有限元建模打下了堅實(shí)基礎。