CAD_CAE集成技术在水利工程中的应用综述.pdf
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1、Hans Journal of Civil Engineering 土木工程土木工程,2023,12(8),1067-1073 Published Online August 2023 in Hans.https:/www.hanspub.org/journal/hjce https:/doi.org/10.12677/hjce.2023.128122 文章引用文章引用:陈帅,李武斌,李诚.CAD/CAE 集成技术在水利工程中的应用综述J.土木工程,2023,12(8):1067-1073.DOI:10.12677/hjce.2023.128122 CAD/CAE集成技术在水利工程中的应用综述
2、集成技术在水利工程中的应用综述 陈陈 帅帅*,李武斌李武斌,李李 诚诚 西京学院陕西省混凝土结构安全与耐久性重点实验室,陕西 西安 收稿日期:2023年7月16日;录用日期:2023年8月6日;发布日期:2023年8月16日 摘摘 要要 CAD(计算机辅助设计计算机辅助设计)和和CAE(计算机辅助工程计算机辅助工程)是现代工程设计和分析的重要工具。是现代工程设计和分析的重要工具。CAD可以用于设计可以用于设计和绘制工程结构和部件和绘制工程结构和部件,而而CAE可以用于分析和验证这些结构和部件的性能和安全性。可以用于分析和验证这些结构和部件的性能和安全性。CAD/CAE一体化一体化是将这两种工具
3、通过桥梁软件集成到同一个软件平台中,以便工程师可以更有效地进行设计和分析。是将这两种工具通过桥梁软件集成到同一个软件平台中,以便工程师可以更有效地进行设计和分析。CAD/CAE一体化技术在水利工程设计中具有重要的意义,它能够提高水利工程设计的效率和质量,并为一体化技术在水利工程设计中具有重要的意义,它能够提高水利工程设计的效率和质量,并为水利工程领域的发展带来新的机遇。本文介绍了水利工程领域的发展带来新的机遇。本文介绍了CAD/CAE一体化技术在水利工程设计中的应用,探讨其一体化技术在水利工程设计中的应用,探讨其在水利工程设计中的优势,分析了在水利工程设计中的优势,分析了CAD/CAE一体化技
4、术的优势和局限性,以及它如何改善一体化技术的优势和局限性,以及它如何改善水利工程设计,水利工程设计,最后介绍了它在水利工程设计中的发展前景,指出其未来发展趋势,以帮助水利工程技术人员更好地利最后介绍了它在水利工程设计中的发展前景,指出其未来发展趋势,以帮助水利工程技术人员更好地利用此技术。用此技术。关键词关键词 CAD/CAE集成技术,水利工程,设计集成技术,水利工程,设计,应用应用 Overview of the Application of CAD/CAE Integration Technology in Hydraulic Engineering Shuai Chen*,Wubin L
5、i,Cheng Li Shaanxi Key Laboratory of Safety and Durability of Concrete Structures,Xijing University,Xian Shaanxi Received:Jul.16th,2023;accepted:Aug.6th,2023;published:Aug.16th,2023 Abstract CAD(Computer Aided Design)and CAE(Computer Aided Engineering)are important tools for *通讯作者。陈帅 等 DOI:10.12677/
6、hjce.2023.128122 1068 土木工程 modern engineering design and analysis.CAD can be used to design and draw engineering struc-tures and components,while CAE can be used to analyze and verify the performance and safety of these structures and components.CAD/CAE integration is to integrate these two tools in
7、to the same software platform so that engineers can design and analyze more effectively.CAD/CAE inte-gration technology is of great significance in hydraulic engineering design.It can improve the effi-ciency and quality of hydraulic engineering design and bring new opportunities for the develop-ment
8、 of the hydraulic engineering field.This paper introduces the application of CAD/CAE inte-gration technology in hydraulic engineering design,discusses its advantages in hydraulic engi-neering design,analyzes the advantages and limitations of CAD/CAE integration technology,and how to improve hydrauli
9、c engineering design.Finally,its development prospect in hydraulic en-gineering design is introduced,and its future development trend is pointed out to help hydraulic engineering technicians make better use of this technology.Keywords CAD/CAE Integration Technology,Hydraulic Engineering,Design,Appli
10、cation Copyright 2023 by author(s)and Hans Publishers Inc.This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License(CC BY 4.0).http:/creativecommons.org/licenses/by/4.0/1.引言引言 水利工程是指利用水资源,防治水灾、抗旱、节水、供水、水电、航运、治理水土流失等一系列工程,是指对水资源进行综合利用和管理的一门工程学科,其涉及到水库、堤防、渠道、泵站、水坝等多个方面。CAD(计算机
11、辅助设计)和 CAE(计算机辅助工程)是现代工程设计和分析的重要工具 1。CAD可以用于设计和绘制工程结构和部件,而 CAE 可以用于分析和验证这些结构和部件的性能和安全性。CAD/CAE 一体化是将这两种工具通过某种桥梁软件集成到同一个软件平台中,以便工程师可以更有效地进行设计和分析 2。在水利工程设计和分析中,计算机技术的应用已经成为不可或缺的工具。其中,CAD 和 CAE 技术是最为常用的工具之一。CAD 技术可以用于设计和绘制水利工程的各种结构和部件,而 CAE 技术则可以用于分析和验证这些结构和部件的性能和安全性 3 4。随着计算机技术的不断发展,CAD/CAE 一体化技术已成为水利
12、工程设计和分析的主要工具之一。本文旨在通过综述 CAD/CAE 一体化技术在水利工程中的应用,为水利工程设计和可靠性分析方法提供思路,并对 CAD/CAE 一体化技术的发展进行展望。2.CAD/CAE 一体化技术的国内外研究现状一体化技术的国内外研究现状 近年来,随着计算机技术的发展,计算机技术逐渐运用到工业设计与生产的行业中,其中多款主流CAD 和 CAE 软件的发展对现代化工业设计与生产效率的提高起到了重要作用。世界上第一个真正意义上的 CAD 软件是在上世纪 60 年代美国的麻省理工学院(MIT)开发的,名为“Sketchpad”。它是一个创纪元的软件,通过该软件,设计者们可以在电脑上以
13、绘图的方式与计算机进行交互,这是 CAD 发展的开端。到 1970 年后,CAD 之父Patrick J.Hanratty 设计了 ADAM 的 CAD系统。ADAM 系统通用性强大并能够跨平台进行操作,甚至到目前为止 80%以上的 CAD 软件都与 ADAM相关联。后来 CAD 软件逐渐从科技研究转向商业用途,大多数 CAD 软件还是由大型汽车和航空航天制造企业的内部团队开发,并且通常与大学研究团队合作。在此期间,像民用汽车制造商甚至航空航天制Open AccessOpen Access陈帅 等 DOI:10.12677/hjce.2023.128122 1069 土木工程 造商都有大型的内
14、部 CAD 软件开发团队,并致力于专用 CAD 程序的开发。CAD 软件不仅可以替代传统的手工绘图,还可以减少绘图错误,提高设计效率,缩短设计周期。CAE(计算机辅助工程)作为有限元分析的重要分支,是一种近似数值分析方法,其本质是对复杂的连续整体进行离散化分析,通过简化求得近似解。CAE 软件仿真过程包括前处理、求解、后处理、优化和报告。首个有限元分析软件是美国计算机科学协会,为帮助美国航天局解决设计过程中遇到复杂结构力学仿真分析而设计的 NASTRAN 软件。随后,ANSYS、ABAQUS 等有限元分析软件得到了发展。随着计算机技术的发展,CAE 技术越发成熟,不仅局限于军事航空领域,而且商
15、业用途也越来越广泛。现在 CAE 技术已经成为工程项目和产品设计开发的不可或缺的一部分。由于 CAD 和 CAE 的工作重点不同,因此,最初 CAD 与 CAE 系统往往各自独立,但在实际工作中由于两种软件的操作人员无法进行有效沟通,项目开展过程中经常出现分析错误、重复建模等问题。在此背景下,CAD/CAE 一体化技术应运而生。美国的飞行器设计方首先提出了 CAD/CAE 集成。事实上,CAD/CAE 集成确实能有效消除设计、分析建模工作的孤立现状,并实现设计、分析数据信息的共享,达到提高工程效率的目的 5。在 CAD 精准建模的基础上,CAE 技术的应用使许多过去受条件限制无法分析的复杂问题
16、,可通过计算机数值计算得到满意的结果;另一方面,计算机辅助分析使繁杂的工程分析问题简单化,使复杂的过程层次化,节省了大量时间 6。在产品的设计、分析等方面发挥了重要作用,同时 CAE/CAE 这一技术在国内外得到了迅猛发展,进而又推动了许多相关基础学科和应用科学的发展。尽管 CAD 和 CAE 系统在产品开发过程中都发挥重要作用,但它们之间存在相互独立的特点导致了所谓的“自动化孤岛”现象,在产品开发过程中造成了信息交换不畅的问题,严重影响了整体设计效率,尤其是在需要频繁修改设计时 7。大连理工大学刘月 8选用 CATIA 作为 CAD 软件及,选用 ANSYS 软件作为 CAE 软件,在 CA
17、TIA软件上创建重力坝参数化模型后通过 CATIA-ANSYS 接口导入 ANSYS 进行稳定性分析,根据模拟的结果对设计方案进行调整,开发出一套基于 BIM 技术的 CAD/CAE 一体化的重力坝参数化设计方法。乔世范等 9利用 Catia 强大的三维地质体建模功能进行三维地质建模,再利用其有限元模块对地质体进行网格划分;基于对两类软件中单元、节点数据关系的差异分析,应用 Visual-Basic 语言编写 Catia-Flac3d 接口程序,实现了将 CATIA 环境下建模生成的单元、节点信息导入 Flac3D。降低了 Flac3D 前处理建模的难度,实现复杂了工程的 Flac3D 三维模
18、型快速和准确构建,弥补了 CATIA 在有限元计算方面的不足,一定程度上实现了 CAD/CAE 技术的集成。彭成佳等 10以抛物线拱坝为对象,首先对 CATIA 进行了相关二次开发,借助 VB 和 CATIA Automation 对象访问等方法实现了基于拱梁分载法的拱坝体形调整和参数化三维建模,并对三维设计与有限元计算的无缝结合进行了初探。华北理工大学的张瑞 11 1)通过 IFC标准格式的中间文件进行模型转化,先将 BIM 模型以 IFC 格式输出,再将 IFC 模型导入到结构分析软件生成有限元分析模型;2)直接提取 BIM 模型的几何信息和物理信息,将提取的信息整理成有限元建模的语言格式
19、,进而生成有限元模型,两种方法将拱坝 BIM 模型与有限元分析软件 ANSYS 相结合进行拱坝的静力学分析来确定拱坝静荷载作用下是否安全,实现了水工建筑物设计阶段的设计优化。任浩楠,王晓东 12选择 CATIA 作为 CAD 系统进行建模,选择 ANSYS 作为 CAE 系统进行可靠性分析,用CAPRICAE Gateway 接口软件来解决 CATIA 和 ANSYS 之间数据双向传递问题,实现了在 CATIA 和ANSYS Workbench 之间搭建水工结构 CAD/CAE 一体化系统的方法。王文进 13等利用 VB 语言的函数实现与 CATIA 二次开发接口的对接、自制可使 CATIA
20、自动建模和出图的程序,把 CATIA 自动剖分的网格单元节点信息转化为 ANSYS 可读格式文件,基于 APDL 语言,建立起 CATIA 与 ANSYS 之间的数据转换,并运用该技术对重力坝实例进行了设计与分析,应用本程序所得结果与理论值一致,从而实现了CAD/CAE 的集成。针对目前存在的 CAD/CAE 数据转换精度损失和重复建模的问题,利用 ANSYS 陈帅 等 DOI:10.12677/hjce.2023.128122 1070 土木工程 Workbench 平台开发面向真空发生器的全流程 CAD/CAE 系统,建立结构设计和仿真分析相关联的参数化模型,降低了模型的精度损失,避免了三
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