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船舶CAE前后处理系统研制

金建海  
【摘要】:CAE软件已成为众多工程领域不可或缺的计算工具,CAE技术在现代工业技术发展和高新技术创新等方面具有重要的地位和作用,良好的CAE前后处理支持是CAE技术走向工程应用的前提和基础。 本文以研发具有自主知识产权的船舶CAE前后处理系统为目标,系统地研究了CAE前后处理系统的设计与实现、关键算法、在船舶领域内的应用。具体内容如下: (1)绪论部分,从CAE前后处理的基本概念和相关背景入手,简述了本文工作的研究背景、研究目的和研究内容。 (2)在CAE前处理方面,首先介绍了CAE前处理软件的设计与实现。按照软件工程的要求,从软件需求、设计和实现几个方面阐述了CAE前处理软件的整个实现过程,重点介绍了CAE前处理软件的总体架构和软件工程模块化设计,以及关键模块的设计方案,包括模型定义、网格划分、材料定义、属性定义、LBC(载荷和边界条件)定义等,并将最终实现的CAE前处理软件,与国际领先的软件MSC.Patran、Femap前处理部分进行比较,说明本软件在功能方面已经满足船舶结构CAE分析的前处理要求,且在某些方面超过Femap等国外知名软件。 然后分别介绍了CAE前处理软件中的两大重难点:CAD/CAE模型转换与有限元网格自动生成。 在CAD/CAE模型转换方面,本文自定义了一套采用离散边界法表示的模型数据结构,通过多种不同的CAD/CAE接口实现模型数据转换功能:通过统一数据接口实现了主流通用CAD文件如IGES, STEP等模型数据的读取和转换;通过研究、解析STL文件和Tribon的XML文件,实现了STL模型和船舶专用CAD模型数据的转换;通过拓扑重建解决了目前CAD/CAE模型数据转换过程中普遍存在的拓扑信息丢失问题。在有限元网格自动生成方面,本文结合自定义模型数据的特点,尤其是船舶模型的特点,采用了波前推进法(AFT)进行改进,实现了组合复杂离散曲面的有限元面网格自动生成算法,并给出几个典型算例予以验证。 (3)在CAE后处理方面,首先给出了CAE后处理软件的总体实现思路。考虑到CAE软件繁多,本文自定义了一套船舶领域内CAE后处理标准文件格式,开发相应转换接口,实现了不同CAE计算结果文件到标准格式文件的转换,并完成结果数据的常用后处理功能。 然后阐述了CAE后处理软件实现过程中的关键算法:大规模模型的快速显示、云图显示、任意截面及其结果云图显示等。其中在普通PC机器上即可实现千万级别节点自由度模型的快速显示也是本文的创新点之一,其显示速度远远超过目前国际上通用的MSC.Patran和Femap等前后处理软件。 (4)在应用方面,基于前文的研究成果,通过模块选择与改进,完成了多个CAE软性集成软件等。 最后对所做工作与主要研究成果进行了简要总结,并提出了进一步的研究方向。


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