三维产品建模、性能分析融合统一的同步设计方法及技术

There is a series of technical bottlenecks still in today's CAD/CAE integrated system such as low computing efficiency, limited solving scale and trivial user operation. In order to break through the design operation technical limitations in CAD/CAE systems, this project will research united representation and united features reuse mechanism for feature information including product geometric, process, performance, etc, and propose the synchronous method for the union of 3D product modeling and analysis. With the purpose of breaking the bottlenecks in solving scale limit and low computing efficiency caused by finite element method based business CAD/CAE systems, a new stable fast solving algorithm for analyzing 3D elastic field problems by hardware accelerating is studied and presented, which is based on fast multipole boundary integral, historical related initial value prediction, GPU parallel computing, etc. The basic theory, core algorithm and key technique are not only benefit to solve the technical bottleneck in CAD/CAE integration, but also provide technical support for development of next generation 3D integrated CAD/CAE software with proprietary intellectual property rights. Meanwhile, they can promote the innovative design ability in our manufacturing products.

针对当前三维CAD/CAE系统集成中存在的计算效率低、求解规模有限、用户交互重复繁琐等理论及技术瓶颈，本项目研究集成化三维CAD/CAE环境下产品几何、制造及性能等方面特征信息融合统一表达方法及特征重用机制，提出三维产品建模、性能分析融合统一的同步设计方法，以期突破现有CAD/CAE系统设计交互技术存在的技术局限；研究并提出一种软硬件加速、稳定可靠的三维弹性势能场分析问题的快速求解新算法，该算法基于新型快速多极边界积分、特征历史关联的初值预估以及GPU并行加速等方法，有望突破现有商业CAD/CAE系统基于有限元方法求解规模受限、计算效率低的技术瓶颈。本项目所研究的基础理论、核心算法及关键技术，不仅有利于解决现有CAD/CAE系统集成的技术瓶颈，而且也为新一代国产具有自主知识产权的集成化三维CAD/CAE设计软件系统研制提供技术支撑，同时也有利于促进和提升我国制造企业产品数字化创新设计能力。

三维CAD产品建模与CAE结构性能分析是新产品开发的重要环节，建模与分析的融合统一技术是实现产品高效设计的关键技术之一，对提高产品设计效率与质量具有重要意义。本项目针对当前三维CAD/CAE系统在建模、分析及系统集成化中存在的理论局限及技术瓶颈开展理论及技术研究，取得如下成果：.研究集成化CAD/CAE系统的内部数学表达形式、数据组织及存储机制、功能组成及系统架构，提出三维产品建模、性能分析有机融合的三维CAD/CAE一体化系统架构；研究三维CAD产品设计特征与CAE结构性能分析特征的内蕴特性，提出三维CAD/CAE特征信息统一表示方法及融合统一的特征重构机制与策略，从而支持产品建模与分析特征数据模型、特征历史的统一管理，有效降低CAD/CAE集成化系统的数据冗余性。.研究三维CAD产品结构设计及CAE性能分析过程中特征信息一致性表达及特征重用问题，将现有CAD特征表示方法拓展到CAD/CAE统一特征表达方法，提出了一种融合全域边界条件与子域边界条件特征的自适应特征编码方法、传播机制、解码策略及相关算法，实现了基于历史的CAD/CAE建模-分析一体化特征重用及过程重构，有效支持三维CAD建模与CAE结构分析特征的迭代重用以及CAD/CAE的同步设计过程，减少用户繁琐的重复交互，从而提高产品设计效率。.针对当前有限元分析方法中模型转换、模型简化、网格剖分过程繁琐，效率低下等技术瓶颈，研究CAD/CAE特征统一边界表示的一体化建模分析方法及快速边界元积分算法，提出了一种基于统一BREP表示与GPU并行加速的快速多极边界元并行算法，该算法不仅减少繁复的人工交互过程，而且有效提高边界元分析算法效率，为实现CAD产品几何建模与CAE结构性能分析的同步设计方法提供计算理论基础及核心支撑算法。.基于上述理论研究基础、核心算法及关键技术，研究开发了支持CAD/CAE建模-分析一体化的同步设计原型系统，该系统对传统特征表示方法、数据结构、核心算法以及特征管理机制进行了有效拓展，实现了建模与分析特征的统一融合与自适应重构，减少建模-分析特征的重复定义，提高产品设计效率。这为新一代国产具有自主知识产权的集成化三维CAD/CAE设计软件系统研制提供技术支撑，同时也有利于促进和提升我国制造企业产品数字化创新设计能力。