面向对象的有限元分析过程自动化系统框架设计

第35卷，2014年10月，《固体力学杂志》 ChineseJOUURNALOFOLSOLIDMECHANANICSVol. 35S. ObjectOctober 2014面向对象的有限元分析过程自动化系统的设计张浩1刘立生1，2刘其文1 *（1武汉理工大学工程结构与力学系武汉4370）（2材料国家重点实验室武汉理工大学，重组与制备，武汉4300070）摘要过程自动化技术已成为当前CAE研究的热点，因为它可以使设计人员摆脱繁重的单调建模工作，提真效率和准确性. 传统过程自动化系统的设计无法避免框架化编程的弊端，在系统功能扩展和代码维护与重用方面存在很大缺陷. 本文在有限元软件的通用二次开发技术的基础上，采用面向对象的编程技术，提出了基于面向对象技术的过程自动化系统的基本框架，阐述了设计思路和意图，并给出了实例验证. 该框架的可行性表明了该框架的优势. 关键词面向对象，CAE，过程自动化，框架设计0引言随着经济发展水平的不断提高和各行各业的发展水平，效率已成为企业竞争力的核心. 在这方面，传统的CAE分析模型因效率低下和人员培训困难而变得越来越难以满足企业的需求. 同时，随着CAE技术在产品开发中的应用，各行各业总结了一套更为成熟的仿真方案. 在开发过程中，大多数模拟开发人员仅需要根据现有的模拟方案进行模拟工作. 但是，这项工作充满了重复而单调的工作[1]. 在这种情况下，引入了过程自动化的概念，并结合现有的经验和仿真程序，通过计算机处理机械化的工作，管理设计过程，使设计人员摆脱了繁琐而单调的建模工作，并且仿真效率和准确性得到提高[2-4]. 因此，过程自动化技术已成为当前CAE研究的研究热点. 通常，由于过程顺序清晰，过程自动化系统易于构建基于过程的软件框架. 然而，尽管这种基于过程的结构化设计方法易于编写，但是其程序扩展能力有限，并且代码重用率较低. 最重要的是，同一框架不能轻易应用于多个项目[5，6]. 面向对象的编程由于具有封装，继承和多态性的优点，使得编程的概念清晰，易于调试，并且具有较高的代码重用率. 它是现代编程的主要方法之一. 使用面向对象的编程技术，可以避免结构化编程的许多缺点，并实现易于阅读，易于扩展和易于重用的CAE分析过程自动化系统的框架. 在此基础上某些过程化程序设计语言也可实现面向对象系统，结合其他研究人员在面向对象有限元编程方面的工作，根据通用的商业有限元软件框架，在框架设计中使用高效的工具UML [7]，提出了一种面向对象的方法. 软件设计技术有限元分析过程自动化系统的通用软件框架. 1用于有限元分析的过程自动化系统的抽象模型要设计用于有限元分析的过程自动化系统框架，我们首先需要建立其抽象模型. 对于典型的有限元分析过程自动化系统，通常包括定向求解器，所使用的预处理和后处理软件以及有限元分析过程. 其中，有限元分析过程由多个不同的分析环节组成. 一般而言，有限元分析流程通常包括几何建模，网格划分，参数设置和求解. 根据各部分的分离性和独立性，根据分层体系结构的特点，对以上各部分进行抽象，并通过UML建立有限元分析过程自动化系统的静态模型. 该模型如图1所示. （1）UserInterface: 系统的用户界面模块，用户通过该模块使用整个有限元分析过程自动化系统； （2）项目: 有限元分析类，从逻辑上讲是整个分析项目的抽象，它封装了整个有限的Meta-item基本信息，提供基本的有限元分析动作，控制系统与有限元平台之间的数据交换以及求解器（3）对象: 有限元分析的抽象对象，包括分析对象的相关有限元分析信息； （4）求解器: 求解器； *通讯作者. 电话: 13971538111，电子邮件: gy10）hh @ yahoo. com. cn. 图1.有限元分析过程自动化系统的静态模型图. 图1 FEA prosessatomization的统计信息（5）FEAP平台: 主要是指有限元的预处理和后处理软件，提供了有限元分析的平台，以及有限元的详细设计需要为特定的有限元分析平台执行元素分析过程自动化系统. （6）输出: 处理有限元分析过程自动化系统数据与有限元平台和求解器之间的数据传输问题. 从建立的静态模型可以看出，由于一般是基于有限元分析问题选择有限元分析平台和求解器，因此有限元分析过程自动化系统软件框架的关键设计部分是有限元分析. 以及有限元分析对象的两个部分. 由于许多有限元平台可以自行管理求解器的使用，因此它们仅需要将预处理信息提供给有限元分析平台，因此输出模块可以根据情况选择是否加入系统，并且将在这里不是主要的研究对象. 2.有限元分析对象的框架设计基于使用通用有限元软件的经验. 为了进行分析，它通常包括几何建模，网格划分，材料选择，单元类型选择，边界条件和载荷应用以及求解参数的设置. 等基本步骤. 结合有限元算法和有限元软件设计的研究成果，在整个有限元分析过程中，存在节点，单元，网格，模型，约束，载荷，材料，坐标系等基本概念和基本元素[3]. . 只有正确处理这些步骤和概念之间的关系并正确抽象，才能建立合适的面向对象的软件框架. 在上面建立的有限元分析过程自动化系统的抽象模型中，分析过程类需要对分析对象进行操作. 通过抽象，在分析实际工程问题时，工程师所面对的对象可以统一为一个逻辑零件类. 我们认为，最简单的分析对象是单个零件，而复杂的机械结构是通过一定的连接由零件组成的. 同时，工程师倾向于将复杂的结构视为多个部分的组合. 可以看出，逻辑部分的抽象具有现实的基础和使用价值. 在这里，我们将所有分析对象抽象的基类称为PART. 因此，分析对象的框架设计主要是PART的框架设计. 可以通过派生PART类来实现特定的对象. 在有限元分析中，对于任何零件，它都应包含最基本的有限元网格信息. 最基本的有限元网格信息应该是网格（MESH），元素（ELEM），节点（NODE），载荷（LOAD），约束（DOF），材料（MAT），为此需要建立相应的类，并且在PART类中，保留相应的属性以保存这些相关信息. 此外，考虑到有限元分析过程通常包括几何模型的建立，因此，零件的PART属性也应具有相应的属性以保存几何信息（GEOM），以便于管理和调用. 根据前面所述，设计一个PART状的框架. 框架结构如图2所示. 这样的零件抽象类PART可以带来以下好处: 首先，有限元信息作为零件的属性符合人们的普遍思维方式，便于开发人员开发，理解. ，并管理这样的系统结构. 其次，零件的有限元信息通过属性存储在PART类中. 一旦提供了接口和一些基本方法，开发人员只需关心算法的实现，而无需花费时间在有限元信息的处理上，从而减少了系统扩展的难度，从而降低了系统开发的成本. 最后，这种处理方法可以很容易地适应当前商业通用有限元软件的数据存储模式. 例如，对于载荷和约束，尽管通用有限元软件没有清楚地表明其与有限元模型的关系，但是这种关系可以视为零件的固有属性某些过程化程序设计语言也可实现面向对象系统，因此可以放置在零件类的属性成员中. 另一个例子是著名的LS-DYNA，其PART卡包含材料，有限元模型和元素类型的定义. 使用此PART类，可以轻松将其转换为相应的格式. 另一个例子是ANSI·06 1·固体力学杂志，2014年第35卷图2 PART类的框架设计图2StructuralPARTCassYS，虽然在表面上没有ANSYS中的零件概念，但在使用中，有限元网格是整体，材质，元素类型，实常数等都以对象为对象进行设置. 但是，如果我们改变思维方式，将具有相同材料，元素类型和实常数的网格零件视为相同的PART，则这种类似于PART的框架仍然可以应用于ANSYS有限元分析过程的开发. 自动化系统. . 3.有限元分析过程的抽象PROJECT框架的开发完成分析对象的框架设计后，就需要面对框架设计和分析过程的开发. 根据静态模型，分析过程主要实现PART的操作，同时完成有限元分析过程各环节的动作. 在此，考虑到分析过程链接可以在逻辑上包含在项目中，因此该链接的操作作为PROJECT类的成员函数实现. 这样，系统的源代码清晰易读. 同时，在有限元分析过程中，存在许多全局属性设置，例如解参数. 这些参数不是零件的固有属性，而是作为全局解决方案控件存在的，因此不能将它们放在PART类中. 在这方面，还必须在PROJECT类中提供相应的属性成员. 对于有限元分析过程，最基本的对象是项目，其中包含前面提到的所有概念. 对于项目而言，有限元分析过程的每个链接都是项目的一部分，其目的是针对项目中各部分的操作. 同时，解决方案参数设置可以视为项目的成员，也可以视为项目的属性成员. 此外，在许多商用通用有限元软件中，需要分别定义属性（例如材料），编号，然后分配给该单元. 因此，在有限元分析过程的自动结构设计中，也可以对该方法进行建模. 材料集在PROJECT类中定义，而材料编号在PART类中设置. 这有利于有限元分析过程自动化系统与有限元平台作业之间更轻松的协作. 总之，可以构造一个从有限元分析项目中抽象出来的PROJET类. 此类主要实现三个方面: 有限元分析过程自动化系统的过程控制，PART及其派生类的管理和使用，以及全局属性的管理. 根据上述内容，在本文提出的框架中，PART类及其派生类最终将充当PROJET类的成员. PROJET类的成员函数通过调用PART类及其派生类提供的接口来实现其操作. 全局属性作为成员属性存储在PROJECT类中. 这样建立的PROJET类的结构如图3所示. 图3 PROJECT类的框架设计图3PROJECTClass的结构根据有限元分析过程，PROJECT的成员函数应包括几何建模过程（自动建模Geom（）） ，重塑ReGeom（），导入模型ImporteGeom（），网格划分过程（自动划分）Mesh（），Remesh（）重新划分，MeshOption（），用于设置网格参数，设置约束和荷载流（设置约束DOF（ ），设置负载·1 6 1·相册张浩等: 面向对象的有限元分析过程自动化系统的框架设计（）（），导出和解决方案过程（export（export）（），解决方案设置Opti（ ），solution（）（））. 这些成员函数通常通过调用PART类的相关函数来实现其功能，例如，可以使用以下形式: PROJECT :: Mesh（）{part. Mesh（）{part这可以是链表的形式完成所有零件的有限元网格的一次性划分. 此外，由于这些成员函数是独立的，因此需要使用单独的成员函数将它们组织成有限元分析过程. 在这里，成员函数名为proces（），用于启动分析过程. 修改和扩展以此方式建立的有限元分析过程自动化系统的软件框架非常方便. 因为基本的PART类已经包含有限元分析的基本元素并提供了基本的数据通信接口，所以开发人员只需要编写在其基础上实现复杂功能的成员函数，而无需重新处理数据帧. 同时，当PART类不足以满足零件分析的需要时，可以通过继承在功能和框架的基础上进行扩展. 即使对于某些分析问题，由于被分析的部件是固定的，因此可以预见的是，PART类可以从相同的部件继承，从而可以简单地编写相应部件的抽象类. 在此框架中，编写和重写PART类可以在不重写PROJET类的情况下扩展系统功能，从而大大降低了扩展系统功能的复杂性. 对于整个分析过程，可以结合分析经验和相对成熟的仿真方案合理地编译PROJECT类的成员函数，并编译对应于该问题的有限元分析过程自动化系统. 此时，PART类用作黑匣子. 过程自动化系统与有限元软件之间的通信由PRO-JECT类管理，该类可以完全分离PART类，因此通过用有限元软件或求解器重写通信的接口功能，可以实现有限元分析可以快速，轻松地实现过程自动化系统的移植. 同时，由于PROJECT不需要处理数据帧和其他问题，因此开发人员可以通过核心代码快速编写与该问题相对应的有限元分析过程自动化系统. 图4简单等速驱动轴有限元分析过程自动化系统的框架设计. 图4 SIMPLE FRAMEWORKOF CVJFEEEPROSSAOUTOMATYSTYSTEM·2 6 1·固体力学杂志2014卷. 35 4 4笼式恒速驱动轴有限元分析过程自动化系统为了表达面向对象的有限元过程自动化系统的框架，与此相结合，构造了高速驱动轴的有限元分析问题. 框架. 考虑到系统编写的简便性，选择具有高效且易于使用的用户界面的开源有限元预处理软件Salome作为预处理软件，并使用AN-SY作为求解器来构建系统. 对于完整的有限元分析过程，我们可以将其视为一个项目. 如前所述，由于有限元分析过程自动化系统通常是针对特定问题开发的，因此，该特定问题具有一定的分析经验和相对成熟的仿真程序，因此，项目中的一些细节可以确定. 对于球笼恒速驱动轴的有限元分析，它仅包含四个部分: 钟形外壳，球笼，钢球和星形套. 对于球笼式万向节，可以确定这四个部分的形状特征. 不同类型的球笼式万向节之间的区别主要在于尺寸和比例. 这样，其有限元建模可以通过参数化轻松实现自动建模. 由于不同零件的建模步骤不同，并且确定零件的数量和类型，因此通过PART类派生这四个零件，并编写了对应的零件抽象类OUTER，CAGE，BALL和INNER. 此外，几何和网格Salome的某些部分提供了一个类，并且具有所有常用功能，因此您可以在此处直接借用. 总之，对于PRO-JECT和其他类型的处理，绘制了球笼式恒速驱动轴的有限元分析过程自动化系统的设计图. 见图4.5. 有限元分析过程自动化系统的一般框架. 对于此有限元分析过程自动化系统的框架: （1）作为有限元分析过程自动化系统的基本框架，在实际使用中，有必要针对被分析的问题构造相应的派生类. （2）该框架主要针对理想的，有限的可预测人工干预过程. 对于需要大量人工干预的任务，例如导入模型后的几何清理，复杂的网格划分，此框架无法很好地与之结合. （3）该框架在面向对象的程序设计中充分利用了封装和继承的特性，可以实现代码的重用以及系统功能的扩展和维护. 参考文献[1]霍福祥，董家林，吴斌. 过程自动化提高了发动机仿真建模的效率[C]. 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