基于AutoCAD的有限元前处理系统设计

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)华中科技大学机械科学与工程学院 作者:陶海燕

  以AutoCAD 为几何平台,并利用其提供的二次开发技术实现了有限元前处理系统的编程。该方法解决了常规的有限元分析系统中的几何建模系统和前处理系统脱节的问题。集成了造型、单元属性设置、网格划分、显示等多种模块。研究了有限元前处理系统的若干关键技术,包括如何控制网格形态、输出求解数据接口、基于ObjectARX 的CAD/CAE 集成设计、复杂三维实体的四面体网格全自动生成算法。建立了一个基于AutoCAD 的有限元前处理系统。

  有限元分析方法是求解微分方程边值和初值问题,建立在待定函数离散化基础上的一种数值方法; 广泛应用于固体力学、流体力学、生物力学、传热学、电磁学及其它数学物理领域。在目前的有限元分析中,分析模型的建立,在有限元分析过程中所占的工作量非常大,成为有限元法实际应用的主要困难之一。有限元前置处理主要包括建立几何模型、网格划分、生成有限元分析模型的属性数据( 载荷、材料、边界条件等) 和有限元计算控制数据等几个方面的内容。在早期的有限元前处理系统中,建立几何模型和有限元模型往往是分离的,没有形成一种集成化的工作环境,这样造成诸多不便。所以本文提出一种能集成以AutoCAD 为几何平台的CAE 前处理系统的方法。

1、开发平台的选择

  目前流行的几何造型平台主要有CATIA、UG、AutoCAD、PROE 等,这些几何平台的应用对象也不一致,CATIA、UG 主要用于大型产品设计具有很高的几何精度同时价格也非常高昂,并且这两款软件普及程度不高因此不选择这两款作为开发平台。Pro-E 具有很方便的造型功能但是此平台的二次开发功能不太容易实现故也不选择此平台。AutoCAD 具有超强的二维画图功能和强大的三维造型功能,普及程度极高,并且拥有非常好的基于C ++ 的二次开发工具( ObjectARX) 。因此本系统选择AutoCAD2004 作为几何平台,ObjectARX 2004 作为二次开发工具,Microsoft Visual studio 2002 作为开发该系统的集成开发平台。ObjectARX 是从AutoCAD R13 开始推出的一个完全面向对象的二次开发环境。ObjectARX 是编写具有AutoCAD 相同地址空间并直接访问AutoCAD 的动态链接库的开发环境。它可以监控和处理AutoCAD 的各种事件,可以完全控制AutoCAD 的行为,可以定义AutoCAD 命令,这些命令可以像AutoCAD 本地命令一样被执行和调用。同时ObjectARX 2004 该环境完全支持MFC,这为实现GUI 式的交互操作奠定了基础。

2、系统的数据结构

  由于本系统是CAD 和CAE 前处理系统的集成,所以要设计一个完整的数据结构来描述本系统的几何信息和有限元信息及其之间的关系。在本系统中必须设计合理的数据结构来完整描述有限元模型和几何信息,一个完整的有限元模型往往由单元、载荷、边界条件、求解器参数等部分构成。单元模型的基础是节点,根据所要解决的问题不同,单元又分一维线单元、二维平面单元( 三角形单元、四边形单元等) 、三维实体单元( 四面体单元和六面体单元等) 、三维面单元( 板翘单元) 和特殊单元( 质量单元等) 。本系统利用AutoCAD 提供的接口类实现有限元模型数据的CAD 化,把单元数据、材料、载荷等数据都通过接口类设计成自定义类,存储对象于AutoCAD 的数据库中。

3、结语

  有限元技术经过长足的发展应用已经变得非常普遍,同时也对有限元技术的支撑技术提出了越来越高的要求。该系统以建立CAD 和CAE 前处理器的集成系统为目标,完整地阐述了建立该种系统的方法和关键技术。为后续的参数化动态有限元建模打下了坚实基础。

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