基于邊界面法的CAE與CAD一體化研究.pdf

1、CAD與CAE一體化已成為工程及科學(xué)計(jì)算領(lǐng)域中的一大研究熱點(diǎn)。目前商業(yè)CAE分析軟件普遍采用有限單元法，其分析模型是通過網(wǎng)格生成模塊對(duì)CAD模型離散而獲得的。CAD與CAE對(duì)應(yīng)模型表達(dá)方式不同，前者是連續(xù)的參數(shù)模型，后者為近似的離散網(wǎng)格模型。因此，雖然很多CAD軟件中添加了CAE分析功能，但還不能從根本上實(shí)現(xiàn)兩者的無縫集成?；谶吔绶e分方程的邊界面法具有許多優(yōu)點(diǎn)，例如一般只需要離散問題域的表面且可采用不連續(xù)單元。在邊界面法中，對(duì)邊界的數(shù)

2、值積分和場變量的插值都是在幾何模型邊界曲面的二維參數(shù)空間里進(jìn)行的。其幾何數(shù)據(jù)直接由參數(shù)曲面計(jì)算得到，而不是通過分段多項(xiàng)式插值近似，從而能夠避免幾何誤差，有利于實(shí)現(xiàn)CAD\CAE的一體化。本文基于邊界面法，在CAD\CAE一體化的程序設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)和理論方面做出一系列的探索。主要完成了以下研究工作:
　　(1)為實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜三維實(shí)體的表面網(wǎng)格自動(dòng)生成，本文利用C++語言構(gòu)建了一個(gè)實(shí)體表面網(wǎng)格自動(dòng)生成框架。該框架分為公共幾何接口模塊、拓?fù)湫迯?fù)

3、、網(wǎng)格尺寸場、曲線離散、網(wǎng)格數(shù)據(jù)管理和網(wǎng)格生成方法六個(gè)部分。本文設(shè)計(jì)了一個(gè)統(tǒng)一的網(wǎng)格數(shù)據(jù)管理器，以便于程序的調(diào)整、維護(hù)及擴(kuò)充。在該框架中可方便地添加和實(shí)現(xiàn)各種二維網(wǎng)格生成方法，可將所得的網(wǎng)格單元轉(zhuǎn)換為計(jì)算單元，且可導(dǎo)出到其他模塊（比如體網(wǎng)格生成模塊）。
　　(2)為實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜三維實(shí)體的表面三角形網(wǎng)格自動(dòng)生成，本文提出了一種將推進(jìn)波前法與Delaunay方法相結(jié)合的方式來生成網(wǎng)格。該方法利用推進(jìn)波前法生成面內(nèi)點(diǎn)，之后采用Delaun

4、ay內(nèi)核插點(diǎn)算法將該點(diǎn)加入到網(wǎng)格中。本文添加了對(duì)前沿的識(shí)別，將前沿分為活動(dòng)前沿及非活動(dòng)前沿，只對(duì)滿足要求的活動(dòng)前沿插入新點(diǎn)。創(chuàng)建了基于曲面鄰近特征的自適應(yīng)尺寸場，并將其作為背景網(wǎng)格，使得所生成的網(wǎng)格能較好地反映曲面鄰近特征。該方法能夠生成較高質(zhì)量的表面網(wǎng)格，且可以保證網(wǎng)格生成的收斂。同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了柵格法，使得對(duì)于幾類曲面特征的網(wǎng)格生成規(guī)模大大降低。
　　(3)為實(shí)現(xiàn)對(duì)具有焊縫的鋼架結(jié)構(gòu)的曲面網(wǎng)格生成，鑒于邊界面法的特點(diǎn)，本文首先直接

5、基于連續(xù)曲面模型，完成了短邊、窄面和不光滑邊界等3類曲面缺陷幾何特征的拓?fù)湫迯?fù)。拓?fù)湫迯?fù)中涉及的所有操作皆為虛操作，不改變?cè)心Ｐ偷膸缀味x。并且提出了基于柵格法的混合網(wǎng)格生成方式，對(duì)不同的子區(qū)域采用不同的網(wǎng)格生成方法，最后將子區(qū)域上的網(wǎng)格合并得到最終的曲面網(wǎng)格。與傳統(tǒng)的網(wǎng)格生成方式對(duì)比，大大降低了網(wǎng)格規(guī)模。
　　(4)為求解邊界積分方程中的弱奇異及近奇異積分，提出了一種通用的自適應(yīng)單元細(xì)分方法。該算法通過一系列以源點(diǎn)為球心且半徑

6、不斷減小的球與單元相交來細(xì)分單元，能夠?qū)拷袋c(diǎn)的積分片進(jìn)行自動(dòng)加密細(xì)分，并在生成積分片的過程中額外添加點(diǎn)的遷移算法來保證每個(gè)積分片具有較“好”的形狀及大小。該算法適用于任意形狀的單元，而且源點(diǎn)可以在任意位置。使用本文的方法所獲得的計(jì)算精度有顯著的提高。而且，在要求獲得相同數(shù)量級(jí)計(jì)算精度的情況下，該算法需要少得多的高斯積分點(diǎn)，因而大大提高了計(jì)算效率。
　　(5)在多域邊界面法實(shí)現(xiàn)中，提出了一個(gè)域編號(hào)序列優(yōu)化算法來減小總體組裝矩陣的