易扩展仿真软件框架的设计、实现与应用

    0 前言

    数值模拟与仿真在工程设计与科学研究中发挥着越来越重要的作用。2006年美国国家科学基金会蓝带委员会发表研究报告《基于仿真的工程科学》，认为仿真技术是推动工程科学发展的革命性力量。不同于CAD技术，利用仿真技术解决工程问题既需要理解底层的基础理论，还需要熟悉复杂的软件操作和参数选择，对用户的高要求无疑阻碍了数值模拟与仿真技术的应用，这种情况在我国尤甚。为降低数值模拟技术的应用难度，人们开发了面向行业的专用仿真软件，如模流分析软件，压铸工艺分析软件，钣金成型分析软件，旋转机械设计分析软件以及复合材料设计软件等。这些智能的仿真软件融合了行业知识和最佳的建模方案，大大提高了建模的效率和分析的可靠性。

    近些年来，许多行业对智能化的仿真软件提出了更多的需求和要求。智能化的仿真软件能对繁琐、易出错的建模工作进行自动化的处理。由于几何建模、网格划分和计算求解之间的相关性，开发智能化、自动化的仿真软件必须要能统一地管理复杂的模型数据，这就导致开发工作难度很大。然而，虽然应用领域各不相同，但这些面向行业的智能仿真软件对底层功能(如几何建模、网格划分、结果显示等)的要求却基本相似。因此，一套具备完善的底层功能的通用仿真软件框架将会为开发智能化的行业仿真软件提供巨大的便利。

    受工业需求的驱动，本工作设计并实现了一个更简洁但也更灵活的通用仿真软件框架。采用面向对象对象技术和C++语言完成了该框架软件的开发。基于此软件框架，可以在较短的时间内完成行业仿真软件的开发和部署。最后以两个典型的应用，即回转支承承载能力分析软件和高压输电杆塔的建模和分析软件为例，展示该框架软件的实际应用。

    1 通用仿真软件框架的设计

    该软件框架包含多个功能模块（图1)，其中数据管理模块为核心模块。

    和常规的软件不同，数值模拟和仿真软通常要管理非常复杂的数据，比如几何模型数据、网格数据、标量或矢量场数据以及定义材料属性、边界条件和其他信息的各类参数。数据管理模块以统一的方式处理这些数据的数据，所有的数据均定义为对象。

    图1 易扩展仿真软件框架的结构

    几何模块提供创建、编辑和查询几何模型的基本功能，并提供了以标准文件格式（如IGES，STEP等格式)导入、导出几何模型的功能。该模块还提供诸如辨认和选择特定几何体(如螺栓孔）、对薄壳结构生成中性面、根据参考点选择最近的几何体等智能化的功能。另外，几何模块定义了一些标准部件(如螺栓、法兰等)的参数化模型（图2)。