CAE軟件研發的一些思考(3)--CAE軟件架構設計

2016-09-03 by:CAE仿真在線來源:互聯網

這里的CAE是廣義的,包含了傳統意義上的 CAD/CFD/EDA/CAE/CAPP等

本文的設計主要覆蓋軟件工程流程中的概要設計和詳細設計。因為客觀原因,CAE軟件與軟件標準開發流程有所不同,設計文檔更傾向基于可快速實現的原型開發。

設計中并不強調某一模塊的功能,也不追求某一方面的性能效率,而是基于軟件工程,著重搭建一個通用性,可靠性,穩定性,擴展性,可測試性,維護性優秀的CAE軟件平臺。基于此平臺,既可以開發大型通用有限元軟件,也可以快速開發出行業CAE軟件產品。

第一部分:模塊劃分

根據功能分以下幾大模塊:

1. 輸入輸出(Input/Output或 I/O)

2. 幾何

3. 有限元模型

4. 后處理器

5. 求解器

6. 圖形

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7. 公共模塊

8. 高性能計算(HPC)

9. 參數優化設計

用例圖(略)

第二部分:詳細設計

1. 輸入輸出模塊(Input/Output)

1.1.文件的讀入與寫出。文件類型包括:

1>. 軟件自定義的工程文件

2>. 標準的CAD文件(DWG/Step/IGS/SAT/X_T/STL/Model/等)

3>. 標準有限元模型文件(bdf/cdb/inp/k/NEU/ModelFlow/I-deas/Ansa/Mar/Admin等)

4>. 標準的行業CAD文件 (制衣CAD格式,PCB板CAD格式等)

需要說明的是第四種文件,該文件的格式數據通常包含了幾何描述信息和屬性,幾何描述信息是指無幾何的拓撲信息(比如一個長方體,幾何描述信息是用初始點坐標和長,寬,高四個參數來表示,而沒有實際的點線面體拓撲信息),讀入該類文件后,需要用CAD內核重新建立模型。

類圖

1.2. 外部接口

通常CAE軟件能夠供其他軟件調用,或者作為其中一個模塊,也能夠實現參數化命令行調用。

2. 幾何模塊(Geometry)

這里的幾何指廣義上的CAD,包含了幾何的創建,編輯,管理等。一般的商業CAE軟件提供了CAD功能,都比較簡單。對于復雜的實際工程,很少在CAE軟件中建模,而是在專業CAD軟件(Catia/UG/ProE/Inventor等)或者行業CAD軟件中建立幾何模型,然后導入到CAE軟件中。所以CAD不是CAE軟件的重點,但是好的CAD模塊能提高CAE仿真的效率,避免外部CAD數據與CAE接口之間的損耗(最典型的就是CAD數據修補)。CAD建模本身也是一項技術含量很高的工作(參數建模,約束建模),而且Catia/UG/ProE/Inventor這些產品在CAD方面已經做的非常好了。CAD與解方程組數值算法一樣,也是基礎性學科領域。

這里不涉及通用的CAD建模,重點在建立CAD模板。所謂的模板是指可反復使用,用戶輸入參數或者導入模板參數文件,即可建立所需的CAD模型,不需要用戶手工去生成。(比如用戶定義了一架飛機模型參數,參數可以保存為文件,生成實體幾何后,修改機翼長度的參數,可再次生成模型而不用做其他修改)。這也是專業CAD軟件的優勢所在。

CAD建模,首先需要內核,目前商業的3D CAD內核有Parasolid和ACIS,Granite,開源的OCC。國內的CAD軟件長期沒有自主核心技術,在CAD內核方面也鮮有成熟產品。

3. 有限元模型(FE Model)

3.1. 單元

面向對象方法很適合構造有限元中的單元,ElementType為所有單元的基類。主要方法有:點的集合,材料,分析類型,階次。根據單元的空間維數將單元劃分為 0/1/2/3D單元。如需擴充新單元類型,在相應的單元類型上派生即可。

3.2. CAD和CAD屬性(邊界條件)

這里邊界條件泛指任何在幾何(點,線,面,體)上的屬性(位移/荷載/溫度/吸收邊界/約束。。。)

CYCAD_Controller 負責獲得幾何數據和附加在幾何上的屬性(邊界條件)。CYCAD_Data存儲幾何數據,CYCAD_Attribute存儲與幾何對應的屬性。CYCAD_Engine是CAD內核的接口,通過接口也可以調用自己開發CAD內核。基于該結構,實現了CAD與MESH的解耦,對于已經有的CAD/Mesh接口,能實現最小限度的修改。

3.3. 網格劃分

從名稱可以看出采用了Factory和Facade模式,CYMesh_Facade負責與外部的接口,主要是設置1. CAD數據,2. CAD屬性(材料,荷載,溫度,邊界等),3.網格劃分參數和策略。Controller主要負責Mesh流程,CYMesh_Engine 是執行Mesh引擎的接口,可以根據實際需要選用網格引擎,以上選取了Gmsh,NetGen,Distene,VKI等,在此結構上,開發人員可以方便的對網格劃分流程和網格引擎進行擴展。

3.4.網格屬性

網格劃分完成后,通常做法是把網格數據保存為規定的文件格式以供求解器調用。也有直接在內存中供求解器調用的,雖然提高了效率,但是不利于調試。對于自主開發的求解器,可以把網格導出為Ansys/Nastran等求解器的格式,以方便做Benchmark。

網格的數據包含了如下信息:

1. 節點信息: 索引和坐標(Vertex)

2. 邊信息:索引和點索引(Edge)

3. 面片信息:索引和邊索引(Face)

4. 單元信息:索引和節點索引(Element)

通常以上信息只需得到點和單元的信息,其它都可以求出。

5. 屬性標簽:加在幾何上的屬性會分配在相應的網格單元或者節點上。(邊界條件/荷載/材料等)

網格活動圖:

說明:

1. Mesh Data為網格數據

2. Validate Mesh quality 驗證網格的質量,網格質量指單元的形狀的好壞,有通用的公式計算(比如最大角度,長寬比,Aspect ratio/Skew 等)。網格質量的好壞直接影響到求解精度

3. Output to Mesh file導出為網格文件

4. Run Solver 調用求解器

5. Need refine:根據求解器反饋的結果和預定義的收斂準則,判斷是否需要加密網格

6. Refine Mesh: 加密網格

4. 后處理

后處理是對仿真結果的處理,包括可視化,歸納分析,導出報告,與實驗數據對比等。技術上來講沒有太多瓶頸,主要是數據的組織,再就是大數據顯示的效率。

3.1. 可視化主要包括等值線,云圖,XYplot,動畫等,

3.2. 歸納分析,是指對仿真的原始數據進行加工,得到所需要的參數,比如VonMises應力,S參數等。

3.3. 與實驗數據對比,這個也是以后CAE仿真的一個發展方向:即如何將仿真得出的數據與實驗數據,保證仿真數據具有實際參考價值。

后處理主要用到圖形顯示模塊。

目前市場上比較通用的商業后處理器:Ensight,HyperView,Femap。

5. 求解器

求解器核心是求解偏微分方程(PDE),有限差分/有限元/有限體積等數值方法二三十年前就已經很成熟,功能上沒有太多難點。開發求解器主要在穩定性,擴展性,效率以及定制化等方面還有很多改進余地。開發求解器面臨的主要問題是非技術問題,就跟鍵盤布局一樣,大家用習慣了,再出來新的除非特別優秀或者有足夠多的亮點,否則用戶很難認可。拿求解器Radioss來說,Altair聲稱兼容Nastran,但是行業認可度并不高。另一個例子是Comsol,Comsol在求解器,前后處理上并無太多亮點,但打出了多物理場的旗號,并且在多物理場建模方面也確實提供了一些便利。