基于CAD-CAE集成技術的開放式參數(shù)化結構形狀優(yōu)化設計平臺.pdf

1、作為計算機輔助工程(Computer Aided Engineering，簡稱CAE)技術的一個重要內容，結構優(yōu)化設計技術經過幾十年的發(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，結構優(yōu)化技術的應用仍然存在相當大的差距。結構形狀優(yōu)化設計技術在應用方面還存在一些問題，導致工程、設計人員對結構優(yōu)化設計軟件的認識和了解不足，這些都阻礙了結構優(yōu)化設計技術在工程實際中的應用。 CAD計算機輔助設計(Computer

2、Aided Design，簡稱CAD)技術在現(xiàn)代工業(yè)技術改造和高新技術發(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，已經成為支持工程和制造企業(yè)信息化的重要技術之一，它將促進CAE技術更廣泛和深入地應用于工程實際，并能在提高工程/產品的設計質量、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/產品創(chuàng)新的支撐技術。 用計算機對工程結構與產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、備和產品創(chuàng)新設計的核心技術，也是國防和軍工裝備研制的戰(zhàn)略技術。以有限元為代表的數(shù)值計算方法是解決工業(yè)裝備結構分析與設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)展自主知識產權的CAE軟件從而避免形成CAE軟件核心技術受制于人的局面。本文的主要工作就是基于這一背景，將CAE的結構有限元分析、優(yōu)化設計技術與專業(yè)的CAD軟件工具集成在一起。從產品設計的角度來說，一方面借

4、助于專業(yè)的CAD軟件推廣結構優(yōu)化設計技術在現(xiàn)代化工業(yè)生產中的應用，解決結構優(yōu)化設計技術的理論研究與實際應用差距較大的問題。對于多學科結構優(yōu)化設計來說，不同學科的分析計算對結構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構優(yōu)化設計的需求。另一方面，利用結構有限元分析與優(yōu)化設計技術為工程和設計人員提供一個實用的、設計分析集成的工具，幫助他們在產品的概念設計階段更好、更全面地了解產品的結構性能

5、，從而提高設效率。從結構優(yōu)化的角度來說，參數(shù)化造型技術能夠提供更直觀、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，將結構優(yōu)化和分析功能嵌入到CAD系統(tǒng)中，結合CAD中的參數(shù)化實體造型功能，研究開發(fā)基于參數(shù)化實體造型技術的開放式結構參數(shù)化形狀優(yōu)

6、化設計平臺POSHAPE。經過不斷的完善，POSHAPE作為一個通用的結構形狀優(yōu)化設計平臺已經可以實現(xiàn)三維實體結構、空間殼體結構以及材料設計等問題的優(yōu)化設計。在整個系統(tǒng)中，集成是程序的核心內容，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構形狀優(yōu)化設計集成到一起，協(xié)助更深入地了解結構形狀與結構各物理響應之間的內在關系；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，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，提出了空間殼體結構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)了殼體結構有限元模型的參數(shù)化建模方法；4)將參數(shù)化結構形狀優(yōu)化設計方法用于復合材料設計，提出了一種基于單胞形狀優(yōu)化設計的復合材料設計方法。 本文各章節(jié)內容安排如下：

8、 第一章，圍繞結構優(yōu)化設計，首先講述結構優(yōu)化研究的主要內容和它們之間的相互關系，其中著重介紹結構形狀優(yōu)化設計的特點和發(fā)展歷史。其次，分析結構形狀優(yōu)化設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)化結構形狀優(yōu)化設計平臺POSHAPE。接下來，介紹復合材料設計的研究現(xiàn)狀。參數(shù)化技術是實現(xiàn)結構參數(shù)化優(yōu)化設計的關鍵，在這里將對該技術進行簡要介紹。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集成技術的研究現(xiàn)狀進行詳細論述。參數(shù)化特征造型技術是實現(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集成的關鍵內容，其次將列出現(xiàn)有的不同技術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)結構優(yōu)化優(yōu)化的關鍵技術，包括網格剖分算法、靈敏度分析、優(yōu)化算法。 第三章，主要介紹

10、參數(shù)化結構形狀優(yōu)化設計平臺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)結構和集成平臺的數(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，還給出了結構參數(shù)化形狀優(yōu)化設計平臺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)化結構形狀優(yōu)化設計。本章介紹三維實體結構參數(shù)化形狀優(yōu)化設計的實現(xiàn)

11、方法。通過若干工程實例驗證本文方法的實效。 第五章，對于空間殼體結構的參數(shù)化和形狀優(yōu)化設計，傳統(tǒng)的方法大都是基于自由曲面建模技術。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，除了實體和殼體結構形狀優(yōu)化設計，POSHAPE還可以用于復合材料設計。對于周期性復合材料單胞結構，通過參數(shù)化形狀優(yōu)化設計手段可

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計過程。針對兩相的蜂窩型骨架單胞結構和空心結構，給出了數(shù)值算例。 第七章，對前文工作進行總結和展望。作為通用的參數(shù)化結構形狀優(yōu)化設計平臺，POSHAPE不僅可以進行三維實體結構、殼體結構和復合材料單胞結構形狀的優(yōu)化設計，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，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