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这里的CAE是广义的,包含了传统意义上的CAD/CFD/EDA/CAE/CAPP等
本文的设计主要覆盖软件工程流程中的概要设计和详细设计。因为客观原因,
CAE软件与软件标准开发流程有所不同,设计文档更倾向基于可快速实现的原
型开发。
设计中并不强调某一模块的功能,也不追求某一方面的性能效率,而是基于软
件工程,着重搭建一个通用性,可靠性,稳定性,扩展性,可测试性,维护性
优秀的CAE软件平台。基于此平台,既可以开发大型通用有限元软件,也可以
快速开发出行业CAE软件产品。
第一部分:模块划分
根据功能分以下几大模块:
1.输入输出(Input/Output或I/O)
2.几何
3.有限元模型
4.后处理器
5.求解器
6.图形
7.公共模块
8.高性能计算(HPC)
9.参数优化设计
用例图(略)
第二部分:详细设计
1.输入输出模块(Input/Output)
1.1.文件的读入与写出。文件类型包括:
1.软件自定义的工程文件
2.标准的CAD文件(DWG/Step/IGS/SAT/X_T/STL/Model/等)
3.标准有限元模型文件(bdf/cdb/inp/k/NEU/ModelFlow/I-
deas/Ansa/Mar/Admin等)
4.标准的行业CAD文件(制衣CAD格式,PCB板CAD格式等)
需要说明的是第四种文件,该文件的格式数据通常包含了几何描述信息和属
性,几何描述信息是指无几何的拓扑信息(比如一个长方体,几何描述信息是
用初始点坐标和长,宽,高四个参数来表示,而没有实际的点线面体拓扑信
息),读入该类文件后,需要用CAD内核重新建立模型。
类图
1.2.外部接口
通常CAE软件能够供其他软件调用,或者作为其中一个模块,也能够实现参数
化命令行调用。
2.几何模块(Geometry)
这里的几何指广义上的CAD,包含了几何的创建,编辑,管理等。一般的商业
CAE软件提供了CAD功能,都比较简单。对于复杂的实际工程,很少在CAE软
件中建模,而是在专业CAD软件(Catia/UG/ProE/Inventor等)或者行业CAD软
件中建立几何模型,然后导入到CAE软件中。所以CAD不是CAE软件的重点,
但是好的CAD模块能提高CAE仿真的效率,避免外部CAD数据与CAE接口之
间的损耗(最典型的就是CAD数据修补)。CAD建模本身也是一项技术含量很
高的工作(参数建模,约束建模),而且Catia/UG/ProE/Inventor这些产品在
CAD方面已经做的非常好了。CAD与解方程组数值算法一样,也是基础性学科
领域。
这里不涉及通用的CAD建模,重点在建立CAD模板。所谓的模板是指可反复使
用,用户输入参数或者导入模板参数文件,即可建立所需的CAD模型,不需要
用户手工去生成。(比如用户定义了一架飞机模型参数,参数可以保存为文
件,生成实体几何后,修改机翼长度的参数,可再次生成模型而不用做其他修
改)。这也是专业CAD软件的优势所在。
CAD建模,首先需要内核,目前商业的3DCAD内核有Parasolid和ACIS,
Granite,开源的OCC。国内的CAD软件长期没有自主核心技术,在CAD内核方
面也鲜有成熟产品。
3.有限元模型(FEModel)
3.1.单元
面向对象方法很适合构造有限元中的单元,ElementType为所有单元的基类。主
要方法有:点的集合,材料,分析类型,阶次。根据单元的空间维数将单元划
分为0/1/2/3D单元。如需扩充新单元类型,在相应的单元类型上派生即可。
3.2.CAD和CAD属性(边界条件)
这里边界条件泛指任何在几何(点,线,面,体)上的属性(位移/荷载/温度/
吸收边界/约束等)
CYCAD_Controller负责获得几何数据和附加在几何上的属性(边界条件)。
CYCAD_Data存储几何数据,CYCAD_Attribute存储与几何对应的属性。
CYCAD_Engine是CAD内核的接口,通过接口也可以调用自己开发CAD内核。
基于该结构,实现了CAD与MESH的解耦,对于已经有的CAD/Mesh接口,能
实现最小限度的修改。
3.3.网格划分
从名称可以看出采用了Factory和Facade模式,CYMesh_Facade负责与外部的
接口,主要是设置1.CAD数据,2.CAD属性(材料,荷载,温度,边
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