应用工程数据库开发 E CAD/CAE 集成系统
详细介绍了工程数据库的设计、体系结构、工作原理及访问实现, 并给出了工程应用实例。应用工程数据库原理在 CAD 系统中创建的参数化实体模型, 可导入CAE 系统中,从而实现 CAD/ CAE 系统的集成, 可极大提高 CAE 的建模效率。应用工程数据库技术对提高 CAD/ CAE 效率及并行工程有重大意义。
引
言
CAD 技术主要用来加快设计速度, 缩短设计周期, 改进产品的造型和工程绘图质量, 减轻设计人员负担, 为数字加工奠定基础。CAE 主要是指用计算机分析工程或产品性能与安全可靠性, 模拟其未来的工作状态和运行行为, 及早发现设计缺陷, 对产品进行优化设计, 并证实未来工程、产品功能和性能的可用性与可靠性。其核心理论是基于现代计算力学的有限单元分析技术。
CAD 软件在创建零部件实体模型方面具有强大的功能, 凭借 CAD 软件的开放性结构, 通过工程数据库进行参数化实体建模, 可以方便快捷地创建系列化的模型, 用户可以通过修改几何参数方便地修改实体模型。CAE 软件大都提供了建模功能,但其建模效率远远低于 CAD。在 CAE 优化设计中需要对分析模型不断地进行优化、修改、分析、再优化、修改, 及对系列化零部件的分析, 其建模工作量之大简直不可想象。
因此, 实现 CAD 软件与 CAE 软件之间基于统一工程数据库的几何模型的共享, 使 CAD 软件取代 CAE 软件的建模模块, 是解决 CAE 建模困难、提高分析效率的理想方法。因此研究开发基于统一工程数据库的 CAD/ CAE 集成系统具有重大意义。
工程数据库的设计
工程数据库是用于存储工程数据的仓库, 利用工程数据库管理系统, 在程序中能方便地进行数据交换, 工程设计时可以方便地管理和存取工程设计信息, 并对它们进行有效的查询、插入、删除和更新。在 CAD/ CAE 系统中使用数据库来管理工程数据, 便形成以工程数据库为核心的系统体系结构,它是通过所有应用程序对 1 个公用的数据库存取数据而得到的 1 个集成系统。
使用数据库管理系统主要有两个优点: 一是数据的组织、存储和管理与应用程序严格分开, 不受应用程序的影响; 二是便于扩展现有的应用系统和开发新的应用系统。
几何参数数据库是零部件 CAD 系统绘图的基础和数据来源, 在进行实体建模以前, 首先要创建和设置数据库。
Access 是 Microsoft 公司推出的功能强大的面向对象的智能关系型数据库, 其操作界面友好, 数据处理和查询速度快, 且具有 access 数据库驱动程序, 能通过 ODBC API 为应用程序服务。Access 数据库的数据类型包括数值型、字符型、字符串型、日期型、图表和图形等不同类型的数据, 能满足零部件几何参数库中的数据类型要求。因此笔者采用 Access 数据库创建了零部件数据源 hedata.mdb , 内容包括需进行有限元分析的各种标准零部件的几何结构参数。图 1 为笔者建立的 hedata.mdb 数据库中某部件的几何结构数据。
Access 数据库提供 ODBC 数据互连接口, 在创建数据库 hedata1mdb 后, 在控制面板中设置数据源管理器, 使得 Windows 操作系统的数据库管理系统DBMS 与 Access 数据库驱动程序相连接, 从而为实现三维造型系统通过 ODBC 数据库接口访问数据库 hedata1mdb 作准备。
ODBC 数据库访问的实现
开放式数据库互连 ODBC (Open Database Connectivity) 是微软公司提出的一个标准应用编程接口 API , 对数据库底层做了封装, 为客户端应用程序与服务器端各种数据库的连接提供了双向通用接口。应用程序用 SQL 数据库查询语言通过 ODBC 及为 ODBC 所设计的驱动程序, 将客户端应用程序发生的 SQL 语句“翻译”成各种数据库自身的数据库操作, 同样各种数据库也可以沿原路将执行结果返回给应用程序, 从而完成对数据库的任务请求。
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ODBC 及其体系结构
ODBC 是关于开放数据库互联的标准, 是一种可以用于不同 DBMS 中存取数据的标准接口。它要求各应用程序通过标准的 SQL 语言访问数据库。ODBC 要求 SQL 应用程序必须通过 ODBC 驱动管理器使用特定的 ODBC 驱动程序访问相应的数据库。ODBC 驱动程序是一个可以被应用程序调用的动态链接库 DLL (Dynamic Link Library) , 用户应用程序可以存取具有 ODBC 驱动程序支持的任何数据源。
在 VC + + 环境下, ODBC 使用动态链接库 DLL 实现应用程序与数据库的互联。ODBC 结构是层次化的, 由应用程序、驱动程序管理器、数据库驱动程序和数据源等部件组成。应用程序通过 ODBC API 与 ODBC 驱动程序管理器进行交互。ODBC 驱动程序管理器是一个共享的程序库管理器,称为 ODBC32.DLL,它把应用程序的调用分配给 1 个或多个数据库驱动器。ODBC32.DLL 可装载或卸载驱动器、检查状态、管理多个应用程序和数据源之间的联系, 如图 2 所示。
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ODBC 的工作原理
ODBC 是基于 DLL 方式的, ODBC32.DLL 统一管理所有的特定数据库的驱动器。ODBC 的实现采用动态链接库(DLL)技术,在系统运行时被动态装入和连接。ODBC32.DLL 通过 ODBC32.INI 文件中的数据源了解到对某个数据库应当采用具体
的驱动程序。数据源是 ODBC32.INI 文件内基本的信息单位, 每个数据源对应一个数据库驱动器。ODBC32.INI 文件中存放着各个数据源及信息。每个数据源包括数据源名称、数据源描述、数据库管理系统的类型、数据库文件存放的路径、该数据库管理系统的驱动程序、数据库文件的后缀模式。
ODBC 提供整套应用程序设计接口(API) ,包括 1 个功能强大的函数调用库, 1 组错误代码和在 DBMS 上访问数据库的 1 个标准 SQL 语法。通过对 ODBC API 函数库的调用, 用户可以设计应用程序与数据库的接口, 直接建立针对不同 DBMS 之间的连接, 由此, 可以将 SQL 语句传递到 DBMS 中, 并返回最终结果集。
ODBC 通过一系列的句柄实现对数据库的管理和控制。环境句柄为 ODBC 应用程序设置初始化环境, 连接句柄用来建立 ODBC 驱动器到数据源的组合关系, 语句句柄是 ODBC API 的真正任务承担者, 用来处理 SQL 语句及目录函数。ODBC 应用程序运行的基本步骤为: ①分配 ODBC 环境;②分配 1 个连接句柄; ③与 1 个数据资源相连; ④执行 SQL 语句; ⑤取回查询结果; ⑥取消与数据资源的连接; ⑦释放 ODBC 环境。具体流程如图 3 所示。
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三维造型应用程序对数据库访问的实现
根据 ODBC 工作原理和句柄的申请释放过程,运用 VC + + 编程技术和ODBC API 开发了零部件实体造型系统对 hedata1mdb 数据库的访问接口,为零部件实体造型系统参数化建模奠定数据基础。
在 ARX 环境下, 用户调用数据库接口访问 hedata.mdb , 实现三维实体造型: 读取数据库、显示读取数据库和设置运行数据。读取数据库即从数据库hedata.mdb 中读取数据, 将数据存放缓冲区内; 显示读取数据库即将读取的数据库的几何参数传送至前台, 供用户调用; 设置运行数据即将用户选择的几何数据传送至后台, 参加实际建模过程。
当用户调用实体造型程序时,ODBC 数据库访问接口通过 DBMS 数据库管理系统访问 hedata.mdb 数据库中的数据, 调用成功后, 在 AutoCAD 的提示框中将显示“ODBC 初始化成功!”, 并将其数据显示在下拉列表框中, 供用户调用。
CAD/ CAE 数据传输接口技术
CAD 模型数据传入 CAE 软件的方式有两种:一是通过专用数据接口传递, 在该方法中, CAE 程序可与 CAD 程序“交流”后生成与 CAE 程序兼容的数据格式; 另一种是通过标准图形格式传递,目前流行的图形标准由 IGES、SAT 和ParaSoild 等。
笔者采用 ANSYS 作为 CAE 分析软件, AutoCAD 作为 CAD 软件。两软件都有相同的 SAT 格式数据传输接口, 利用 AutoCAD 二次开发技术创建零部件实体模型, 通过 SAT 文件接口, 该模型可被 ANSYS 软件所享用, 为 AutoCAD 与ANSYS 软件的集成奠定基础, 如图 4 所示。
结
束
语
几何参数以数据库的形式存放, 具有较高的数据独立性, 应用程序和数据结构间的依赖程度小,用户在数据库中修改参数, 而不必修改应用程序,三维造型应用程序通过数据库访问接口实现了对数据库的通信。在三维造型系统中运用 ODBC 数据库访问技术, 实现了三维造型系统对零部件的系列化几何参数的提取,为零部件的系列化三维造型奠定了数据基础。通过 CAD 与 CAE 系统的数据
传输接口技术, 在 CAD 创建的系列化实体模型可方便地导入 CAE 软件中, 方便地实现了 CAD/ CAE 的集成, 大大提高了 CAE 的效率。