基于AutoCAD的有限元前處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　以AutoCAD 為幾何平臺(tái)，并利用其提供的二次開(kāi)發(fā)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了有限元前處理系統(tǒng)的編程。該方法解決了常規(guī)的有限元分析系統(tǒng)中的幾何建模系統(tǒng)和前處理系統(tǒng)脫節(jié)的問(wèn)題。集成了造型、單元屬性設(shè)置、網(wǎng)格劃分、顯示等多種模塊。研究了有限元前處理系統(tǒng)的若干關(guān)鍵技術(shù)，包括如何控制網(wǎng)格形態(tài)、輸出求解數(shù)據(jù)接口、基于ObjectARX 的CAD/CAE 集成設(shè)計(jì)、復(fù)雜三維實(shí)體的四面體網(wǎng)格全自動(dòng)生成算法。建立了一個(gè)基于AutoCAD 的有限元前處理系統(tǒng)。

　　有限元分析方法是求解微分方程邊值和初值問(wèn)題，建立在待定函數(shù)離散化基礎(chǔ)上的一種數(shù)值方法; 廣泛應(yīng)用于固體力學(xué)、流體力學(xué)、生物力學(xué)、傳熱學(xué)、電磁學(xué)及其它數(shù)學(xué)物理領(lǐng)域。在目前的有限元分析中，分析模型的建立，在有限元分析過(guò)程中所占的工作量非常大，成為有限元法實(shí)際應(yīng)用的主要困難之一。有限元前置處理主要包括建立幾何模型、網(wǎng)格劃分、生成有限元分析模型的屬性數(shù)據(jù)( 載荷、材料、邊界條件等) 和有限元計(jì)算控制數(shù)據(jù)等幾個(gè)方面的內(nèi)容。在早期的有限元前處理系統(tǒng)中，建立幾何模型和有限元模型往往是分離的，沒(méi)有形成一種集成化的工作環(huán)境，這樣造成諸多不便。所以本文提出一種能集成以AutoCAD 為幾何平臺(tái)的CAE 前處理系統(tǒng)的方法。

1、開(kāi)發(fā)平臺(tái)的選擇

　　目前流行的幾何造型平臺(tái)主要有CATIA、UG、AutoCAD、PROE 等，這些幾何平臺(tái)的應(yīng)用對(duì)象也不一致，CATIA、UG 主要用于大型產(chǎn)品設(shè)計(jì)具有很高的幾何精度同時(shí)價(jià)格也非常高昂，并且這兩款軟件普及程度不高因此不選擇這兩款作為開(kāi)發(fā)平臺(tái)。Pro-E 具有很方便的造型功能但是此平臺(tái)的二次開(kāi)發(fā)功能不太容易實(shí)現(xiàn)故也不選擇此平臺(tái)。AutoCAD 具有超強(qiáng)的二維畫(huà)圖功能和強(qiáng)大的三維造型功能，普及程度極高，并且擁有非常好的基于C ++ 的二次開(kāi)發(fā)工具( ObjectARX) 。因此本系統(tǒng)選擇AutoCAD2004 作為幾何平臺(tái)，ObjectARX 2004 作為二次開(kāi)發(fā)工具，Microsoft Visual studio 2002 作為開(kāi)發(fā)該系統(tǒng)的集成開(kāi)發(fā)平臺(tái)。ObjectARX 是從AutoCAD R13 開(kāi)始推出的一個(gè)完全面向?qū)ο蟮亩�次開(kāi)發(fā)環(huán)境。ObjectARX 是編寫(xiě)具有AutoCAD 相同地址空間并直接訪問(wèn)AutoCAD 的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)的開(kāi)發(fā)環(huán)境。它可以監(jiān)控和處理AutoCAD 的各種事件，可以完全控制AutoCAD 的行為，可以定義AutoCAD 命令，這些命令可以像AutoCAD 本地命令一樣被執(zhí)行和調(diào)用。同時(shí)ObjectARX 2004 該環(huán)境完全支持MFC，這為實(shí)現(xiàn)GUI 式的交互操作奠定了基礎(chǔ)。

2、系統(tǒng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

　　由于本系統(tǒng)是CAD 和CAE 前處理系統(tǒng)的集成，所以要設(shè)計(jì)一個(gè)完整的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來(lái)描述本系統(tǒng)的幾何信息和有限元信息及其之間的關(guān)系。在本系統(tǒng)中必須設(shè)計(jì)合理的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來(lái)完整描述有限元模型和幾何信息，一個(gè)完整的有限元模型往往由單元、載荷、邊界條件、求解器參數(shù)等部分構(gòu)成。單元模型的基礎(chǔ)是節(jié)點(diǎn)，根據(jù)所要解決的問(wèn)題不同，單元又分一維線單元、二維平面單元( 三角形單元、四邊形單元等) 、三維實(shí)體單元( 四面體單元和六面體單元等) 、三維面單元( 板翹單元) 和特殊單元( 質(zhì)量單元等) 。本系統(tǒng)利用AutoCAD 提供的接口類(lèi)實(shí)現(xiàn)有限元模型數(shù)據(jù)的CAD 化，把單元數(shù)據(jù)、材料、載荷等數(shù)據(jù)都通過(guò)接口類(lèi)設(shè)計(jì)成自定義類(lèi)，存儲(chǔ)對(duì)象于AutoCAD 的數(shù)據(jù)庫(kù)中。

3、結(jié)語(yǔ)

　　有限元技術(shù)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)足的發(fā)展應(yīng)用已經(jīng)變得非常普遍，同時(shí)也對(duì)有限元技術(shù)的支撐技術(shù)提出了越來(lái)越高的要求。該系統(tǒng)以建立CAD 和CAE 前處理器的集成系統(tǒng)為目標(biāo)，完整地闡述了建立該種系統(tǒng)的方法和關(guān)鍵技術(shù)。為后續(xù)的參數(shù)化動(dòng)態(tài)有限元建模打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。