CAD/CAE与PDM无缝集成技术研究

异构CAD/CAE与PDM无缝集成技术研究

1概述
    1972年10月，国际信息处理联合会(International Federation for InformationProcessing，IFIP)在“关于CAD原理的工作会议”上给出了CAD的定义:CAD是一门技术，人与计算机技术结合为一个问题的求解组，紧密的配合，发挥各自的优势，从而使工作优于其中任一方，为多学科方法的综合性协作应用提供可能。所以，CAD是工程技术人员以计算机为工具，对产品和工程进行设计、绘图、分析和编写技术文档等设计活动的总称。
 
    在产品设计的同时计算机能够帮助设计人员进行相关的计算、数据分析、信息存储以及辅助制图等工作。利用计算机对不同的设计方案进行大量的计算、分析和比较工作来决定其最优的方案。不同格式的各种设计信息，都存放在计算机的数据库中便于相关人员进行快速的查询使用操作。同时设计人员能够根据计算机产生的结构快速生产图形信息对其进行必要的判断和修改并进行图形信息的一些编辑等操作。实践表明CAD技术能够减轻设计人员的劳动强度、缩短设计周期以及提高设计质量。
 
    计算机辅助工程(Computer Aided Engineering，CAE)是利用计算机辅助求解结构强度、屈曲稳定性、结构刚度、环境载荷、传导、动力响应、三维多体接触以及弹塑性等力学性能计算和优化设计的一种近似数值分析的方法。CAE从20世纪60年代初期开始在工程上应用到现在无论是理论上还是算法上都经历了从蓬勃发展到口趋成熟的过程，随着计算机技术的普及和不断提高，CAE技术已经成为产品结构分析中必不可少的数值计算工具。
 
    CAE技术涉及众多学科，针对不同的学科产生了大量不同的仿真分析数学模型工具。如有限元分析(Finite Element Analysis，FEA)、多体动力学、计算流体力学(Computational Fluid Dynamics，CFD、计算结构力学(Computational Structure Mechanics，CSM)、有限差分法(Finite Difference Method，FDM)、有限体积法(Finite Volume Method，FVM)、边界元法(Boundary Element Method，BEM)、无网格法(Mesh Free Method，MFM)等等。这些工具由于是针对不同领域开发的，具有各自使用的领域和优势。比如FEA适合于解决强度、刚度、疲劳等系列问题，CFD适合解决流体的流动以及热处理等问题。
 
    CAE技术的应用，一方面使许多过去无法分析的复杂问题通过计算机数值模拟技术得到解决；另一方面使大量复杂的工程分析问题得以简单化，从而节省了大量的时间，避免了低水平的重复工作，工程分析更快更准确。“分析面广、分析程度深、分析对象复杂”是现代CAE应用的发展方向。现代产品设计力求高效率、高质量、低成本，这对CAE分析工具也提出了更高的要求，即要有足够的技术手段来尽可能真实地模拟产品的工作行为(即性能)。“真实模拟”涉及到许多高难度问题:高度非线性、多物理场藕合以及产品系统级复杂装配体模型等等。
 
2 CAD、CAE、PDM之间有何关系
    CAD技术是CAE和PDM的前期基础。在CAE中无论是简单零件还是复杂的整体模型的有限元分析都需要先在CAD系统中为其进行模型设计以及零部件装配。而PDM系统则更需要在CAD中进行其产品装配以及所有零件的明细(材料、件数、重量等)管理。在CAD中任一零件的属性都将在CAE和PDM中有所反应。
 
    CAD和CAE之间没有同统一的产品数据模型，信息的共享和传递是单向或者是单一的，给并行协同设计的实施带来了困难。通过引进PDM技术可以很好的解决这个难题。PDM系统可以把与产品整个生命周期有关信息进行统一管理，支持分布、异构环境下不同软硬件平台、不同网络和不同数据库。通过PDM进行信息交换，CAD、CAE才能实现无缝集成。Windchill中各种不同的CAD功能使企业能在单一的环境中甚至在单一的产品结构中从不同的ECAD/MCAD软件包获取复杂的设计信息，并控制和共享这些信息。
 
    AutOCAD是美国Autodesk公司开发的计算机辅助设计软件，主要用于二维绘图和基本的三维设计。AutoCAD的用户界面界面非常友好，能够通过交互式的菜单或者命令行等方式进行各种绘图工作，即使非计算机专业的设计人员也能很快学会使用并掌握其应用和开发技术，工作效率很高。AutoCAD适用范围较广，在各种操作系统支持的微型计算机和工作站上都可以得到运行。在船舶设计过程中二维图纸设计过程中普遍采用Autocad软件，本文研究AutoCAD与PDM平台进行无缝连接。
 
    SolidWorks是在Windows环境下取代大型CAD系统的典型代表，主要是基于三维实体建模的CAD软件，能够与CAE、CAM、PDM等软件做无缝集成。同时它的API接口能力很强，易于进行二次开发。所以本文选用SolidWorks作为三维CAD软件与PDM进行无缝集成连接。
 
    NASTRAN是一具有高度可靠性的结构有限元分析软件。应用范围很广，主要包括国防、汽车、造船、机械制造、兵器、铁道、电子、石化、能源材料工程、科研教育等，在船舶领域使用广泛。本文选用NASTRAN软件为例与PDM进行无缝集成连接。
 
3 CAD/CAE异构模型与PDM集成
    整合CAD/CAE设计工具实现船舶设计产品模型结构管理。把船舶三维设计软件模型的工作内容融入到产品项目管理过程中，并通过可视化工具Productview将三维模型的结构关联到产品产品结构目录中，建立可视化的基于Windchill的船舶三维模型电子化审签流程并进行其客户化的定制，具体具体集成过程如图5.19所示。

(1)二维Autocad与PDM的集成
    通过Windchill中间件Workgroup Manager for AutoCAD实现AutoCAD与PDM系统之间的数据自动传递，完成检入、检出、查阅、修改以及版本控制等各种功能。
    将Windchill的协作和控制功能与AutoCAD设计工具联合起来能够利用在产品开发过程中创建的数据对于企业来说是一个战略性优势。在跨多个组织的产品开发过程中完全合并AutoCAD数据。
    ●通过从单一受控的位置管理多个CAD系统中的数据，消除数据重复或数据不完整等相关错误
    ●集中管理业务过程，例如变更控制
    ●通过重复使用设计数据并减少设计步骤提高作业效率。
    集成特点:
    ●设计者在本地采用AutoCAD进行设计完成后，按文档检入方式将AutoCAD图检入到Windchill系统中。
    ●检入到Windchill系统的AutoCAD图档，可以进行相应的创建、修改以及版本、权限管理等相关活动。
    ●通过AutoCAD Workgroup Manager，可以实现Windchill系统中的文档属性和AutoCAD标题栏的字段映射。
    ●检入到Windchill系统中的二维CAD图纸可以通过可视化工具ProductView对图纸进行浏览、批注、平移、测量、标注等一系列操作，无须依赖于AutoCAD软件系统也不会对原图进行更改。
    检入到Windchill系统中的二维CAD图纸，可以按照业务活动规则，触发相应的工作流程，进行相应的电子化签审工作。
(2)与三维CAD软件进行集成研究
    通过Windchill中间件Workgroup Manager for Solidworks实现Solidworks与PDM系统之间的数据自动传递，完成检入、检出、查阅、修改以及版本控制等各种功能。
    通过将Solidworks与Windchill进行集成可以发挥以下优势:
    ●在跨多个组织的产品开发过程中完全合并SolidWorks数据；
    ●通过在单一受控的位置中管理多个CAD系统的数据，消除使用重复或不完整数据所产生的错误；
    ●集中管理业务过程，例如变更控制；
    ●为所有相关的小组提供在单一位置保存的准确、最新的产品内容；
    ●通过重复使用设计数据和减少设计步骤提高效率；
    ●在SolidWorks中嵌入Windchill操作，使设计师能够集中精力设计产品而不是管理数据。
    利用Solidworks和Windchill搭建基于逆向的异地并行协同设计平台。通过Workgroup Manager for solidworks中间件，设计人员能够在solidworks工作环境下直接与Windchill系统进行数据交换。
 
    在Windchill PDMLink中，Windchill CAD文档和WTPart紧密地链接在一起，此链接由Workgroup Manager for solidworks将solidworks的模型检入Windchill时创建。同时，通过图5.20可以知道，在Windchill PDMLink中，solidworks中创建的模型结构驱动Windchill CAD文档结构，而后者驱动WTPart结构，这能够有效地保证solidworks模型结构与Windchill PDMLink中产品结构的一致性。

    在此集成平台中，solidworks作为前端的设计工具，而Windchill PDMLink作为solidworks的协同工作平台。此平台对于设计人员来说是透明的，他们不需要知道windchill PDMLink系统部署的物理位置，而只需按照任务要求将本人设计完成的模型上传至windchill PDMLink即可。
 
    通过Windchill系统和三维设计软件的集成接口进行集成。集成应用模式如下:
    ①船舶设计人员在本地电脑上用三维设计软件Solidworks进行模型的设计工作，设计完成后即可以通过Solidworks中的windchill菜单栏检入到windchill系统中。
    ②在Windchill系统中根据船舶结构各个部分的关系建立其相应的结构树模型。
    ③在Windchill系统中，以产品结构为核心进行相关的产品数据管理工作，包括模型、图纸、文档的属性信息、版本控制规则、工作流程管理、执行状态管理。同时能够将修改后的模型重新导入到Windchill系统中完成其相关结构树的更新以及其版本升级管理。
    ④在Windchill系统中可以对各模型进行可视化管理，利用ProductView进行虚拟装配、综合布置分析、碰撞分析和干涉检查等动作。
 
      (3)与三维CAE软件进行集成研究
    CAD与CAE之间的转换方式主要有两种:一种是通过标准图形如IGES、SAT格式进行传递，另外一种是通过专门的数据传递接口形式，这两种方式都可以使两者具有很好的系统集成性，CAD模型经过转换能够在CAE软件系统中进行分析计算，其数据传输如图5.21所示。

    三维CAD软件和CAE模块可以相互独立使用也可以集成在一起使用。独立使用的时候，运用三维CAD软件单独建立实体模型或用参数建模，然后进行二维工程图纸的生成、模拟装配或进行一些静态的干涉检查等工作，赋予零部件一些特有的物理属性。用户在利用CAD进行建模的时候能够真实的反映实际产品的构造或结构功能特点，是CAD/CAE系统集成实现的基础。
 
    对于CAE模块来说，工作人员可以依据CAE结构模块的功能进行产品的三维模型的建立，对模型进行一些前处理加载以及后处理最终得出分析的结果。CAE也可以进行参数化建模，这样建立的模型的通用性很强，能适用多种产品的通用有限元分析、多物理藕合以及机械运动的控制，结构优化、系统仿真、数学计算等等。
 
    二者集成使用的话，先是在三维CAD软件中建立产品的三维模型，并做些能够做的分析工作，再将该模型的数据直接或者是经过数据转换导入到CAE模块中，对模型处理后再进行后续的分析、计算等工作。然后通过分析得到的结果返回来对三维模型进行修改和完善，循环迭代运算几次后得到最终想要的设计结果。集成使用的流程图如图5.22所示，其中图的左边为三维CAD模块及其相关的各种功能，右边为CAE模块及其相应的功能模块，左右两边可以单独使用也可以集成后对三维模型进行建模、分析和计算。

    通过上述流程实现CAD& CAE软件之间信息交换，通过对CAE分析数据的研究，提取其中有用的部分制作成文档、图片以及其他格式文档等文件形式建立分析规范文件对分析结果进行封装管理，通过文档流程管理形式在PDM中实现集成管理。

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