《基于模板的钢结构CAD/CAE参数化荷载建模技术》-工学论文，科技论文-论文范文参考-科学狗论文网

标题

基于模板的钢结构CAD/CAE参数化荷载建模技术

范文

向燕飞

摘要：在钢结构CAD/CAE系统中，为了进行结构应力分析，需要考虑荷载建模。如何在CAD系统中便捷地建立荷载模型并进行结构分析，是CAD系统须解决的重点问题之一。本文通过研究基于模板的参数化荷载建模技术，定义了多种基本荷载模板对象及组合荷载模板对象，其中，基本荷载模板对象包括集中荷载、线荷载、面荷载、体荷载等。同时，定义了CAD交互模板、绘制模板、CAD->CAE转换模板来参数化生成荷载CAD模型、荷载CAE模型。最后，将基于模板的参数化荷载建模技术应用于钢结构CAD/CAE集成系统中。此系统简化了设计人员的设计过程，大大提高了设计效率。

关键词：钢结构;参数化荷载建模技术;模板

中图分类号：TP391文献标识码：A文章编号：1003-5168（2020）22-0025-04

Abstract： In the CAD / CAE system of steel structure， in order to carry out structural stress analysis， it is necessary to consider load modeling. It is one of the key problems to be solved in CAD system that how to establish load model and analyze structure conveniently in CAD system. In this paper， through the study of parametric load modeling technology based on template， a variety of basic load template objects and combined load template objects were defined. Among them， the basic load template objects include concentrated load， line load， area load， body load and so on. At the same time， CAD interactive template， drawing template and CAD - >CAE conversion template were defined to generate load CAD model and load CAE model parametrically. Finally， the parametric load modeling technology based on template was applied to the CAD/CAE integrated system of steel structure. This system simplifies the design process of designers and greatly improves the design efficiency.

Keywords： steel structure;parametric load modeling technology;formwork

1 研究背景

在钢结构CAD/CAE系统中，为了进行结构分析，需要输入各种工程荷载。工程荷载种类较多，一般包括永久荷载、梁上荷载、柱荷载、楼面荷载、屋面雪荷载、风荷载和地震荷载等。每种荷载形式都有特定的作用方式、作用范围等。如何在CAD模型中建立工程荷载，并自动转化成CAE模型中的分析荷载，是本文研究的重点内容。

在工程CAD領域中，参数化建模方法能快速建立CAD模型，如陈诗超[1]利用APDL参数化建立门式起重机模型，并进行结构分析;易际明等[2]利用Pro/Engineer的三维参数化建模方法建立三维参数化标准件库等。

参数化建模虽然可以方便地建立CAD模型，但对于荷载模型的应用较少，主要是因为荷载模型除了需要表达CAD模型，还需要应用到CAE模型中，即进行CAE荷载转换。考虑到模板具有规范同类事物的特性与行为特点，本文拟通过参数化模板技术建立荷载模型。

模板技术应用较广，如Microsoft公司办公自动化软件（如Word、PowerPoint等）通过模板满足了用户描述文档的不同功能与样式的需求，方便了用户办公流程的各项操作;各种编程语言中，应用模板编程技术方便同类对象的设计;Srivastave等人[3]将模板技术应用到软硬件混合系统的设计框架中，提出了一个分层的体系结构模板，并应用于ROBOT系统的实验中;李士才[4]将模板技术应用在模块化建模中;成基华等人[5]将特征模板应用到道路横断面CAD系统中，提高了道路横断面设计效率;戴肖锋[6]在工厂CAD系统中配管建模引入智能线模板，方便了配管建模设计;田景成[7]将工程模板应用于钢结构节点设计;金文华等[8]将模板技术应用于工程CAD材料统计表自动生成系统中;石慧等[9]将模板技术应用于工程CAD领域的理论体系;刘静华等人[10]将具有工程对象特征的拓扑结构模板应用于工程CAD管网建模系统中。

针对工程荷载建模问题，本文依托参数化模板技术，定义了集中荷载、线荷载、面荷载等基本荷载模板对象及组合荷载模板对象，使用定位规则、CAD模型生成规则建立CAD荷载模型，利用CAD荷载模型、CAE模型生成规则、荷载转换规则自动生成CAE荷载对象，并将此技术应用于钢结构CAD/CAE系统中。此系统大大提高了港口码头的设计效率，简化了设计人员的设计过程。

2 基于模板的参数化荷载建模技术

从钢结构行业特性出发，分析工程荷载类型，定义了基于模板的三维参数化CAD荷载模型、CAE荷载建模，同时建立工程荷载CAD模型、CAE荷载模型自动提取并转换等规则，以此应用于钢结构CAD/CAE集成系统中。

2.1 钢结构CAD/CAE荷载集成框架

在钢结构CAD/CAE荷载集成框架中，主要包含CAD荷载模型、CAE荷载模型、参数化荷载模板库等内容，见图1。

CAD荷载模型中定义了多种工程荷载对象，包括永久荷载、楼面恒载、楼面活载、屋面雪荷载、梁上恒载、梁上活载、柱恒载、柱活载、风荷载及地震力等。同时，定义了工况组合对象，此对象可描述多种荷载对象同时作用的场景，以便结构分析时能考虑最不利情况下的受力状况。

CAE荷载模型中定义了多种用于结构模型的受力分析的CAE荷载对象，包括集中荷载、表面荷载、体荷载、自重等。同时，定义了荷载组合对象，此对象用于描述同时作用的多个CAE荷载对象。

参数化荷载模板库定义了CAD荷载模型、CAE荷载模型的各种特性及建模，同时描述了CAD荷载模型向CAE荷载模型的转换。模板库中包含了集中荷载、线荷载、面荷载、组合荷载等模板对象。

利用参数化模板技术建立的结构CAD/CAE荷载集成框架主要应用在两个流程中：一是CAD荷载模型的创建流程;二是CAE荷载模型的创建流程。

在创建CAD荷载模型过程中，利用用户交互操作，匹配对应的荷载模板对象，利用荷载模板中的定位规则、CAD模型生成规则生成CAD荷载模型，此流程如图2所示。

在创建CAE荷载模型过程中，利用CAD荷载模型中的信息，匹配对应的荷载模板对象，利用荷载模板中的CAE模型生成规则、荷载转换规则生成CAE荷载模型，此流程如图3所示。

在三维结构CAD/CAE荷载集成框架中，1个CAD荷载对象可对应生成多个CAE荷载对象，因此，CAD荷载模型与CAE荷载模型存在一对多的关联关系。

2.2 参数化荷载模板库

参数化荷载模板库定义了工程荷载的定位规则、参数化CAD建模规则、CAE建模规则、荷载转换规则等，包含了集中荷载、线荷载、面荷载、体荷载、组合荷载、惯性荷载、工况组合等模板对象（见图4）。

①集中荷载模板：描述了作用于模型节点上的荷载对象，包括力和力矩两类。

②线荷载模板：描述了作用于模型线性构件上的荷载对象，包括均布荷载和线性变化荷载等两类。

③面荷载模板：描述了作用于模型某个面上的分布荷载，包括面上压力等。

④体荷载模板：描述了作用于模型体上的荷载，包括温度场等荷载。

⑤组合荷载模板：描述了作用于模型上的复杂荷载对象;通过组合荷载模板，可将复杂荷载对象解析为集中荷载、线荷载、面荷载、体荷载等对象。

⑥惯性荷载模板：描述了由于物体惯性引起的荷载对象，包括重力加速度等对象。

⑦工况组合模板：描述了工况组合对象，包括分项系数、组合系数、效应系数、荷载列表等。

2.3 参数化荷载模板层次关系

钢结构荷载模板层次关系如图5所示。

①组合荷载模板负责实现CAD荷载模型，由一个或多个集中荷载模板、线荷载模板、面荷载模板、体荷载模板及惯性荷载模板组成。

②集中荷载模板、线荷载模板、面荷载模板、体荷载模板及惯性荷载模板继承于基本荷载模板。

③基本荷载模板负责荷载对象，由工况组合模板、CAD交互模板、绘制模板、CAD->CAE转换模板及CAE内力模板组成。

④工况组合模板描述了工况组合对象，并负责生成各种验算工况对象。

⑤CAD交互模板根据参数化CAD模型生成规则创建CAD对象。

⑥CAD->CAE模板：描述了CAD荷载对象在CAE分析模型中生成，根据规则可创建用于结构受力分析的荷载对象。

⑦CAE内力模板：描述了结构受力分析后的计算结果。

3 钢结构参数化荷载建模子系统

研究者将参数化荷载建模技术应用于钢结构CAD/CAE系统，建立了常用荷载模型对象，包括永久荷载、恒截、活载、屋面雪荷载、风荷载、地震荷载等，其中恒载和活载都包括楼面荷载、梁上荷载、柱荷载及自定义荷载等对象，如图6所示。

荷载建模过程通过空间拾取作用点及依附构件，同时设置工程荷载信息等内容建立荷载模型。

在进行结构分析时，本文系统自动提取CAD工程模型、CAD荷載模型等信息，匹配参数化模板自动生成CAE分析模型、CAE荷载模型等内容，进行有限元分析并图形化展示分析结果，见图7。

4 结语

本文研究了基于模板的参数化荷载建模技术，定义了集中荷载、线荷载、面荷载、体荷载、组合荷载、惯性荷载、工况组合等多种模板对象，定义了CAD交互模板、绘制模板、CAD->CAE转换模板来参数化生成荷载CAD模型、荷载CAE模型。最后，将此技术应用于钢结构CAD/CAE集成系统中，大大提高了钢结构的设计效率，简化了设计人员的设计过程，同时也减少了人工操作时易犯的设计错误。

参考文献：

[1]陈诗超.门式起重机结构有限元参数化建模方法及软件开发[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2014.

[2]易际明，宁立伟，杨靖.三维参数化图库设计及其在数控工具系统中的应用[J].工具技术，2004（6）：32-34.

[3] Srivastava M B ， Brodersen R W . Rapid-prototyping of hardware and software in a unified framework[C]// 1991 IEEE International Conference on Computer-Aided Design Digest of Technical Papers. IEEE， 1991.

[4]李士才.基于模板的模块化模型研究及实现[D].北京：北京航空航天大学，1999.

[5]成基华，范玉青，逄淑荣，等.基于特征模板的道路横断面CAD系统的研究与开发[J].工程设计CAD与智能建筑，1999（4）：26-28.

[6]戴肖锋.基于扩展图与多态模型的工程CAD建模技术研究[D].北京：中国科学院计算技术研究所，2000.

[7]田景成.工程CAD中模板技术的研究和应用[D].北京：中国科学院计算技术研究所，2000.

[8]金文华，黄峥，吕志宏，等.工程CAD材料统计表自动生成系统中的层次模板技术[J].计算机辅助设计与图形学学报，2001（2）：128-132.

[9]石慧，刘晓平.模板技术在CAD领域内应用框架探讨[J].科技导报，2008（10）：87-92.

[10]刘静华，王雷.基于模板数据库的工程CAD拓扑建模方法[J].北京航空航天大学学报，2009（2）：193-196.

随便看

科学优质学术资源、百科知识分享平台，免费提供知识科普、生活经验分享、中外学术论文、各类范文、学术文献、教学资料、学术期刊、会议、报纸、杂志、工具书等各类资源检索、在线阅读和软件app下载服务。