基于CAD-CAE集成技術(shù)的開放式參數(shù)化結(jié)構(gòu)形狀優(yōu)化設(shè)計平臺.pdf

1、作為計算機輔助工程(Computer Aided Engineering，簡稱CAE)技術(shù)的一個重要內(nèi)容，結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計技術(shù)經(jīng)過幾十年的發(fā)展，在核心算法和數(shù)值理論上均取得了豐碩的研究成果，而在工程實際中，結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)的應(yīng)用仍然存在相當大的差距。結(jié)構(gòu)形狀優(yōu)化設(shè)計技術(shù)在應(yīng)用方面還存在一些問題，導致工程、設(shè)計人員對結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計軟件的認識和了解不足，這些都阻礙了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計技術(shù)在工程實際中的應(yīng)用。 CAD計算機輔助設(shè)計(Computer

2、Aided Design，簡稱CAD)技術(shù)在現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)改造和高新技術(shù)發(fā)展中具有重要的地位和作用。將CAE與CAD緊密集成在一起，協(xié)同工作，已經(jīng)成為支持工程和制造企業(yè)信息化的重要技術(shù)之一，它將促進CAE技術(shù)更廣泛和深入地應(yīng)用于工程實際，并能在提高工程/產(chǎn)品的設(shè)計質(zhì)量、降低研究開發(fā)成本、縮短開發(fā)周期等方面發(fā)揮重要作用，從而成為實現(xiàn)工程/產(chǎn)品創(chuàng)新的支撐技術(shù)。 用計算機對工程結(jié)構(gòu)與產(chǎn)品的物理力學性能進行分析、預測、評價和優(yōu)化，是工業(yè)裝

3、備和產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計的核心技術(shù)，也是國防和軍工裝備研制的戰(zhàn)略技術(shù)。以有限元為代表的數(shù)值計算方法是解決工業(yè)裝備結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計等眾多工程問題中具有廣泛共性的科學計算問題的重要手段。為保證我國自主創(chuàng)新能力、集成創(chuàng)新競爭能力和維護國家安全，必須發(fā)展自主知識產(chǎn)權(quán)的CAE軟件從而避免形成CAE軟件核心技術(shù)受制于人的局面。本文的主要工作就是基于這一背景，將CAE的結(jié)構(gòu)有限元分析、優(yōu)化設(shè)計技術(shù)與專業(yè)的CAD軟件工具集成在一起。從產(chǎn)品設(shè)計的角度來說，一方面借

4、助于專業(yè)的CAD軟件推廣結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計技術(shù)在現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用，解決結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計技術(shù)的理論研究與實際應(yīng)用差距較大的問題。對于多學科結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計來說，不同學科的分析計算對結(jié)構(gòu)的幾何模型和有限元模型都有不同的要求，通過系統(tǒng)集成，借助于專業(yè)的集成建模工具將能夠滿足多學科結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的需求。另一方面，利用結(jié)構(gòu)有限元分析與優(yōu)化設(shè)計技術(shù)為工程和設(shè)計人員提供一個實用的、設(shè)計分析集成的工具，幫助他們在產(chǎn)品的概念設(shè)計階段更好、更全面地了解產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)性能

5、，從而提高設(shè)效率。從結(jié)構(gòu)優(yōu)化的角度來說，參數(shù)化造型技術(shù)能夠提供更直觀、更便捷的幾何模型形狀描述和修改手段。 目前大部分現(xiàn)有CAD/CAE集成研究主要是各系統(tǒng)在外部相互集成，彼此通過系統(tǒng)外的數(shù)據(jù)傳遞進行通訊。這類集成方法較容易實現(xiàn)，但是效率較低。本文工作的主要內(nèi)容是基于造型數(shù)據(jù)庫和高級開發(fā)語言的集成手段，將結(jié)構(gòu)優(yōu)化和分析功能嵌入到CAD系統(tǒng)中，結(jié)合CAD中的參數(shù)化實體造型功能，研究開發(fā)基于參數(shù)化實體造型技術(shù)的開放式結(jié)構(gòu)參數(shù)化形狀優(yōu)

6、化設(shè)計平臺POSHAPE。經(jīng)過不斷的完善，POSHAPE作為一個通用的結(jié)構(gòu)形狀優(yōu)化設(shè)計平臺已經(jīng)可以實現(xiàn)三維實體結(jié)構(gòu)、空間殼體結(jié)構(gòu)以及材料設(shè)計等問題的優(yōu)化設(shè)計。在整個系統(tǒng)中，集成是程序的核心內(nèi)容，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：1)將處理不同物理問題的分析功能與結(jié)構(gòu)形狀優(yōu)化設(shè)計集成到一起，協(xié)助更深入地了解結(jié)構(gòu)形狀與結(jié)構(gòu)各物理響應(yīng)之間的內(nèi)在關(guān)系；2)通過基于邊界描述樹(Boundary Representation Tree，簡稱為B-Rep樹)的

7、實體幾何模型描述方法，將有限元分析模型與幾何模型的建模過程集成在一起，實現(xiàn)了模型之間的一體化，借助于CAD系統(tǒng)的參數(shù)化實體造型技術(shù)，提出參數(shù)化的有限元建模方法；3)基于B-Rep樹和參數(shù)化技術(shù)，提出了空間殼體結(jié)構(gòu)的幾何曲面模型和三維實體幾何模型之間的建模集成，籍此實現(xiàn)了殼體結(jié)構(gòu)有限元模型的參數(shù)化建模方法；4)將參數(shù)化結(jié)構(gòu)形狀優(yōu)化設(shè)計方法用于復合材料設(shè)計，提出了一種基于單胞形狀優(yōu)化設(shè)計的復合材料設(shè)計方法。 本文各章節(jié)內(nèi)容安排如下：

8、 第一章，圍繞結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，首先講述結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究的主要內(nèi)容和它們之間的相互關(guān)系，其中著重介紹結(jié)構(gòu)形狀優(yōu)化設(shè)計的特點和發(fā)展歷史。其次，分析結(jié)構(gòu)形狀優(yōu)化設(shè)計存在的問題和導致問題的主要原因，本文的研究工作正是基于這些問題，開發(fā)了參數(shù)化結(jié)構(gòu)形狀優(yōu)化設(shè)計平臺POSHAPE。接下來，介紹復合材料設(shè)計的研究現(xiàn)狀。參數(shù)化技術(shù)是實現(xiàn)結(jié)構(gòu)參數(shù)化優(yōu)化設(shè)計的關(guān)鍵，在這里將對該技術(shù)進行簡要介紹。最后，對本文工作的研究意義和框架進行概述。 第二章，

9、本文方法是基于CAD/CAE集成開發(fā)實現(xiàn)的，在第二部分將主要對CAD/CAE集成技術(shù)的研究現(xiàn)狀進行詳細論述。參數(shù)化特征造型技術(shù)是實現(xiàn)參數(shù)化有限元方法的基本條件，首先對其進行介紹。CAD與CAE系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳遞方式和集成框架分別是實現(xiàn)CAD/CAE集成的關(guān)鍵內(nèi)容，其次將列出現(xiàn)有的不同技術(shù)手段并對它們分別進行討論和對比。最后介紹CAD/CAE集成實現(xiàn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化優(yōu)化的關(guān)鍵技術(shù)，包括網(wǎng)格剖分算法、靈敏度分析、優(yōu)化算法。 第三章，主要介紹

10、參數(shù)化結(jié)構(gòu)形狀優(yōu)化設(shè)計平臺POSHAPE，重點放在整個平臺的集成開發(fā)過程；由幾何造型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和集成平臺的數(shù)據(jù)庫出發(fā)，介紹參數(shù)化有限元模型與幾何模型之間的建模集成。此外，還給出了結(jié)構(gòu)參數(shù)化形狀優(yōu)化設(shè)計平臺POSHAPE的系統(tǒng)集成框架以及在此平臺上建立的通用優(yōu)化模型。對于該系統(tǒng)中存在的問題也將一并說明。 第四章，POSHAPE可以對工程中常見的、復雜三維機械零件進行參數(shù)化結(jié)構(gòu)形狀優(yōu)化設(shè)計。本章介紹三維實體結(jié)構(gòu)參數(shù)化形狀優(yōu)化設(shè)計的實現(xiàn)

11、方法。通過若干工程實例驗證本文方法的實效。 第五章，對于空間殼體結(jié)構(gòu)的參數(shù)化和形狀優(yōu)化設(shè)計，傳統(tǒng)的方法大都是基于自由曲面建模技術(shù)。對比傳統(tǒng)方法，詳細介紹本文提出的基于參數(shù)化實體造型技術(shù)的參數(shù)化曲面建模方法，以及此類參數(shù)化形狀優(yōu)化設(shè)計的實現(xiàn)方法。通過若干算例，驗證本文方法的可行性、有效性。 第六章，除了實體和殼體結(jié)構(gòu)形狀優(yōu)化設(shè)計，POSHAPE還可以用于復合材料設(shè)計。對于周期性復合材料單胞結(jié)構(gòu)，通過參數(shù)化形狀優(yōu)化設(shè)計手段可

12、以獲取具有指定材料屬性的復合材料。這里將介紹通過形狀優(yōu)化方法實現(xiàn)指定材料屬性的復合材料設(shè)計過程。針對兩相的蜂窩型骨架單胞結(jié)構(gòu)和空心結(jié)構(gòu)，給出了數(shù)值算例。 第七章，對前文工作進行總結(jié)和展望。作為通用的參數(shù)化結(jié)構(gòu)形狀優(yōu)化設(shè)計平臺，POSHAPE不僅可以進行三維實體結(jié)構(gòu)、殼體結(jié)構(gòu)和復合材料單胞結(jié)構(gòu)形狀的優(yōu)化設(shè)計，系統(tǒng)還有良好的可擴展性。在這部分將對系統(tǒng)現(xiàn)有的功能進行總結(jié)，并對以后的發(fā)展方向和可行進行論述。 附錄A中列出了參數(shù)化