基于AutoCAD有限元数值结果图形显示软件开发

时间:2010-10-15 10:36:34 来源:未知

计算机辅助设计(CAD)是计算机应用中一个非常重要的部分.微机CAD工作已在各个领域得到广泛的开展和应用。计算机辅助设计是把有限元结构分析、几何造型、优化设计和计算机绘图等各种功能结合起来，利用交互式计算机系统来从事工程设计或产品设计，与人工设计方法相比，它更快、更好、更准确.近年来CAD在国内外有很大发展，并逐渐为各个工程技术部门所接受并收到了良好的效果.综上所述，对于一个有限元结构分析程序来说，不能没有图形功能，其前后处理的能力如何，在很大程度上反映了有限元程序的水平.只有那些使用方便，前后处理能力强，图形功能好的有限元程序才会得到广泛的推广应用.

　　AutoCAD软件自带的DXF文件，即图形交换文件，是连接文字与图形的接口，通过它可将以数字形式显示的结果转变成图像的形式显示.所谓“图形交换文件”是ASCII码文体文件，后缀为.dxf，且文件格式有一定的规定.

　　1 FORTRAN与DXF的连接

　　DXF文件内部存储的全部信息是以ASCII码文体形式存储的，是可以编辑的.DXF文件有其固定格式，因此，只要计算结果按照它的格式写入文件内，即可生成计算结果的图形显示.这样用高级语言编写的程序利用AutoCAD这个工具，就把以数字形式显示的结果以图形的方式显示了出来.一个完整的DXF文件由8部分组成，每个部分称为一个段，即标题段(HEADER)、类段(CLASSES)、表段(TABLES)、块段(BLOCK)、实体段(ENTITIES)、对象段(OBJECTS)、THUMBNAILIMAGE段和结束段(EOF).编写通过DXF文件与AutoCAD的通信程序似乎比实际情况要困难，将信息写入DXF文件时，必须保持图形的一致性，这样AutoCAD才能找到可接受的文件.与编写读取DXF文件的程序相比，编写创建DXF文件的程序更困难一些，DXF文件之所以能够被用来编辑的原因之一就是该文件的有些内容可以省略，甚至一些段也可以略去，省略的项按缺省值处理.

　　1)如果不设置标题变量，就可以省略整个标题段，从而大大减轻工作量.

　　2)如果不需要创建条目，就可以省略TABLES段中的任何表，如果不需要TABLES段中的任何内容，则可以省略整个TABLES段.由于表段中的任何一张表都可以省略，因此整个表段都可以省略.如果在LTYPE表中定义了线型，则此表必须显示在LAYER表之前.

　　3)在没有使用块的时候，块段也可以省去.如果图形中未使用任何块定义，则可以省略BLOCKS段.如果BLOCKS段存在，则该段必须出现在ENTITIES段之前.

　　4)实体段是不可以省略的，本文载录了所有的图形信息.在表段中没有层表或根本没有表段的情况下，仍可以在实体段中定义层名，但无法改变各图层的线型和颜色，采用默认的白色直线线型.在ENTITIES段中，即使尚未在LAYER表中定义图层名，也可以对这些图层名进行参照.系统自动使用颜色7和CONTINUOUS线型创建此类图层，文件结尾处必须存在EOF项目.

　　2后处理图像生成

　　在了解了DXF文件的基本组成，掌握了它的基本格式后，再将它与高级语言联系起来就方便了.基本思路是将AutoCAD中的各个实体，例如直线、圆、文字、弧等编成独立的子程序，然后在执行过程中不断地调用这些子程序，直到所有的图元都生成完.

　　2.1变形前网格图的生成

　　变形前的网格图用来检查所要计算的模型是否与实际物体一致以及网格的划分是否合理.在这张图中首先应生成物体的轮廓线，然后是网格线(也可交替同时进行，因为现在使用打印机出图，可见即可打)，接下来是单元号和接点号，最后是在适当的位置上加上文字说明.当然在生成图形后，可以对这张图的位置、线型、图层、文字、字高等进行修改和添加，直到满意为止.

　　2.2变形图的生成

　　变形图体现了物体在受力后的变形形态，在这张图中可以划出物体变形前的形态，也可以直接划出物体变形后的位置.理论上通过计算可以得到网格图上各个节点的位移值，将各节点在X、Y方向上的位移值分别加到该点的横纵坐标上，此时由这些新坐标所确定的物体各个点的位置连线就构成了物体变形后的形态.在实际工程中，物体的位移相对于物体的实际尺寸是很小的，这样生成的变形图和变形前相比并不明显.为了使变形变得明显，通常将物体所有节点的位移放大一个统一的倍数(称为放大系数)，把放大后的位移值再加到原节点的坐标上，这样变形前后的物体形态就会变得更明显.不过，它并没有体现物体的实际变形状态，而是把实际的变形提高了放大系数倍.

　　2.3等应力线图的生成

　　等应力线顾名思义就是应力相等的点所连成的线.等应力线与地图上的等高线有着相似的含义，因此两者在绘制上可以相互借鉴.在等应力图中，可以看出等应力的分布，和应力集中区所在的位置.应力分布图是有限元后处理程序中的核心内容，不仅因为应力是重要的有限元结果，而且它的生成也是编程的难点和重点.原因如下：

　　1)等应力的搜索策略不同，搜索到的等应力点的顺序、位置不同;

　　2)在搜索过程中如何避免等应力线的交叉，这是等应力线图中的核心问题;

　　3)搜索策略的好坏直接影响着应力图分布的情况，同时影响着程序运行的速度.

　　本程序采用的搜索策略为把原来一个8节点的四边形转化成6个三角形，如图1所示.把一个在8节点四边形内搜索等应力值的问题转化为在6个三角形内搜索等应力值的问题，这样做的好处是：①搜索简单，在三角形内进行搜索，出路是唯一的，涉及不到选择搜索路径的问题，使得搜索思路清晰、算法简单;②不论是从外边界开始搜索还是从单元内边开始搜索，永远不会交叉，避免交叉是等应力线搜索中的一大难点;③等应力线的条数绝对是最全面的;④彻底消除了早期有限元后处理中存在的悬浮等应力线问题.

　　图1单元转化图

　　等应力线的绘制是从边界上的单元结点开始的，等应力线起始点的选择须满足

　　式中： ——两个相邻的结构边界上的节点;

　　 ——两个节点的应力值;

　　 ——介于和之间的一个应力值;

　　 ——应力值为的两个节点之间的一个点.

　　等应力线从起始点开始往里面划，程序将自动寻找应力值为的结构内部的点，直到到达另一侧边界点，或者是形成闭合曲线.

　　3 结果

　　以钻井工程中常见的井孑L弹塑性有限元数值分析为例，生成了计算模型的网格图、计算结果的变形图和4张等应力图.其中图2是模型的网格图;图3是有限元数值分析结果的位移场分布图形，显示为变形后的网格，位移放大50倍，叠加到初始网格上生成的变形网格(虚线)与初始网格(实线)的比较;图4是有限元结果的正应力