CAE软件的概要设计和详细设计.pdf

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