湖南大学张见明教授：完全无缝的国产CAE/CAD一体化工业软件开发

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导读：由湖南大学机械与运载工程学院张见明教授团队开发一款从原始CAD模型到CAE分析再到后处理全过程全自动的计算力学软件——5aCAE软件，实现对任意几何形状、任意材料构成、任意部件连接关系的复杂工程结构真正的CAD/CAE一体化。该软件的用户不需要懂得计算力学专门知识，不需要进行结构简化、无需顾及网格划分和单元选择，只需根据实际情况定义材料、荷载和边界约束即可。施加约束和载荷也是在CAD的环境中完成，且都是具体直观地施加在几何体上。

2024年1月4日20时（周四），仿真秀2024设计仿真新年报告会首场技术讲座将邀请湖南大学张见明教授带来《完全无缝的CAE/CAD一体化工业软件开发》，重点讲述CAE/CAD一体化现状与展望、边界积分方程优势和应用，课题组在CAE/CAD一体化研究的四个创新性突破和全自动的高精度5aCAE软件实际工程算例演示——从原始CAD模型到CAE分析再到后处理全过程讲解。

欢迎国产工业软件从业者和计算几何、网格划分、CAD/CAE、计算机图形学领域的专家学者、工程师、高校教师学生莅临直播间交流和互动。

一、CAE/CAD一体化的网格全自动划分

CAE/CAD一体化是各大CAE软件商竞争的焦点之一，网格全自动划分是CAE/CAD一体化过程中一个难以逾越的鸿沟，也是国内自主CAE软件研发的一个短板。其中带有 “噪音”（如极短边和极窄面）的CAD模型的几何修复又是一个甚至比网格划分更困难且更难以自动化的课题。

为此，湖南大学张见明教授团队提出了“完整实体CAE分析”的概念。完整实体分析具有以下特点：

1、直接在CAD模型上进行CAE分析，避免对结构作几何上的简化。任何结构（包括细长和薄型结构），从整体到局部细节，如机械结构中的倒角、焊缝、退刀槽和小圆孔等，都按照实际形状尺寸作为三维实体处理。

2、当几何模型包含重叠、细缝、极短边等“噪音”时，无需几何修复亦可直接生成网格，人工输入参数数量达到最小。

3、避免将结构抽象为一维几何体（梁，杆等）、二维几何体（板，壳等），分析模型只有三维实体。

4、计算精度高，能准确求解应力集中问题（如结构中的小倒角，细小特征等）。

5、方便自然地求解涉及无限域的问题（如噪声、地震，电磁波等）。

6、自然而科学地（不需要引入人工假设）求解奇异性问题（如强度因子、裂纹扩展等）。

二、CAE/CAD一体化的算法创新

经过十多年的努力，湖南大学张见明教授团队在以下几个方面获得突破性创新成果：

1、边界面法。将边界积分方程（BIE）和计算机图形学结合起来，利用BIE与Brep天然无缝连接的优势，直接在结构的三维实体模型上进行应力分析，将CAE和CAD自然地连结在一起，是一种真正的等几何分析方法。

2、双层插值法。将单元插值与无网格法结合起来，统一了连续和不连续单元，同时还给边界积分方程的边界变量一个完备描述。双层插值法既可以插值非连续函数，也可以用不连续网格插值连续函数，放松了单元节点之间的连接关系，使得变网格计算简单易行，因而适宜非线性问题。

3、自适应几何交叉近似算法和增强型快速多极子算法。将边界元积分方程的计算复杂度降低到线性或几乎线性量级。实现了分级矩阵的所有代数运算以及它们的Out Of Core算法（包括直接求逆和LU分解），突破了其大规模计算瓶颈，使得边界积分方程在大规模问题上的应用不再是难题。

4、单元球面细分法。实现了对任意基本解类型、任意单元形状、任意源点位置的奇异、超奇异以及近奇异积分的任意精度计算，使得边界积分方程中的奇异积分计算不再是难题。

5、复杂结构自动网格划分。实现了几种主要的传统网格划分方法，如推进波前法、Delaunay三角化、映射法、扫掠法、铺砖法、模板法，以及这些方法的混合方法等。在此基础上，实现了二叉树非连续网格生成算法。该方法对几何模型的形状和CAD建模质量的要求极低，能对任意复杂结构（甚至是“脏”的几何模型）进行自动网格剖分，彻底将CAE从网格划分的牢笼中解放出来。

三、5aCAE软件成果

搭建成了一个完全融于CAD环境中的CAE分析软件框架。该软件框架全部用C++编写，目前已有126个项目，近3000个源文件，设计5000个类，共约120万句。该软件框架是一个天衣无缝的CAD/CAE一体化计算力学软件平台，包含完备的从CAD模型到网格划分到CAE分析再到后处理全过程全自动的基础部件。所有算法和过程做到科学而自然，避免人工假设和规定。目前可以求解任意复杂结构的稳态及瞬态热传导、弹性应力、裂纹及其扩展、稳态声场等问题。关于接触问题、弹塑性问题、弹性动力问题也都有了初步实现。计划在十年内实现几何非线性问题、电磁场及电磁波问题、以及多物理场耦合问题的求解，实现基于CPU/GPU的并行计算。未来结合大数据、云计算等，形成一套与现有国际商业CAE软件相抗衡的工程分析软件。

四、典型算例

1、稳态热传导分析

1) 二维多孔板

2) 冷却水管

3) 纤维增强复合材料

4) 带细长管的结构（如发动机的冷却水管）

5) 任意裁剪几何体

6) 散热片的自动分析

7) 发动机曲轴温度分析

8) 水杯温度分析

2、瞬态热传导分析

1) 大坝自然冷却过程

2) 垒筑温度分析

3) 大坝浇铸过程

3、弹性静力学分析

1) 轴卡应力分析

2) 厚壁圆筒应力分析

3) 薄壁圆筒应力分析

4) 薄壁圆筒带底座应力分析（非连续网格）

5) 薄板分析（非连续网格）

6) 三通管应力分析（带细小特征的结构）

7) 角钢应力分析（带细小特征的结构）

8) 发动机喷油嘴紧帽应力分析

9) 薄板点焊结构应力分析

4、断裂疲劳分析

1) 单边疲劳裂纹扩展

2) 三维贯穿裂纹

5、接触分析

6、结构振动与声场分析

1) 结构振动与声场分析

2) 高速公路声屏障计算

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五、CAE/CAD一体化线上报告会

为了帮助读者朋友更好理解和应用这款从原始CAD模型到CAE分析再到后处理全过程全自动的国产计算力学软件——5aCAE软件，实现对任意几何形状、任意材料构成、任意部件连接关系的复杂工程结构真正的CAD/CAE一体化。

2024年1月4日20时（周四），仿真秀2024设计仿真新年报告会首场技术讲座将邀请湖南大学张见明教授带来《完全无缝的CAE/CAD一体化工业软件开发》技术报告，从原始CAD模型到CAE分析再到后处理全过程讲解5aCAE软件实际工程算例演示。欢迎国产工业软件从业者、专家学者、工程师、高校教师学生莅临直播间交流和互动。以下是直播安排

2024新年报告会（一）：完全无缝的CAE/CAD一体化工业软件开发-仿真秀直播