基于FreeCAD的CAE数值仿真平台开发概述

济南友泉软件有限公司

FreeCAD是一套基于OCC、OIV、Qt的开源CAX软件开发框架，采用了文档-视图架构，同时提供了基于Workbench的插件式开发模式，可以非常方便地用于订制CAE软件。

图片[1]-基于FreeCAD的CAE数值仿真平台开发概述-卡核 — FreeCAD主界面-FEM模块

FreeCAD代码架构

FreeCAD核心采用C++编写，使用OpenCASCADE生成几何造型，利用Open Inventor进行图形图像渲染，此外，FreeCAD提供了PyCXX扩展的Python接口。

图片[2]-基于FreeCAD的CAE数值仿真平台开发概述-卡核 — FreeCAD模块架构

2. FreeCAD主要使用功能模块

Base模块

实现类型系统、对象持久化、日志输出、PyCXX扩展Python模块等功能

App模块

实现基于文档对象的数据模型、属性系统、事务操作、文档操作（新建、打开、保存、关闭、增加对象、查找对象、删除对象）等功能。

Gui模块

实现主窗口定义、基于Workbench的开发模式、数据渲染显示等功能。

Part模块

IGES、STEP等主流几何文件导入；基本实体创建；倒角、布尔等操作。

Mesh、MeshPart、SMESH模块

使用Salome SMESH、NetGen等进行网格划分。

FEM模块

设置初边值条件、求解器配置等用于CalculiX 求解，同时提供了简单的结果后处理功能等。

3. FreeCAD的优缺点分析

优势：

全参数化建模
基于Workbench的开发模式，开发效率高，扩展性好
丰富的几何文件接口
集成式的几何约束求解器

不足：

代码量较大，涉及的开发技术较多，文档资料比较少，开发门槛高
渲染路径较长，数据存储冗余大
大规模场景效率比较低

4.CAE仿真平台开发思路

以FEM/CFD模块作为基础，借助于Part、Mesh模块现有的功能，完成程序核心功能的实现；在FemGui、PartGui、MeshGui基础之上，设计统一的Workbench以实现(实体、网格、结果)渲染与界面交互功能。

针对具体的应用需求（主要是几何造型生成），需要在OCC基础之上开发满足需求的功能，并将其嵌入到FreeCAD框架中。

开发思路

几何生成

以Part::Feature及其子类为基础，开发满足需求的核心几何功能（几何造型与约束），同时提供PyCXX编写的Python扩展。依托ViewProviderPart、ViewProviderMesh、ViewProviderPostObject等代码实现对象显示与交互功能。基于FreeCAD的GUI Workbench, 定制软件界面。

几何显示

网格划分

MeshPart模块基于Salome SMesh框架，提供了NetGen等网格生成方法。Mesh模块提供了网格存储的数据结构以及相关操作，MeshGui模块的Workbench中定义了网格划分的界面，其内部则是通过调用MeshPart模块的Python接口来生成网格。

FreeCAD Mesh模块并没有限制网格生成工具的使用，为了完成软件的集成（实际上主要是为了使用FreeCAD较大的几何建模功能），借助于Mesh/MeshGui的数据存储与显示，需要在新的Workbench中嵌入较为成熟的网格生成工具(Gmsh、cfMesh、MeshGems)等。在MeshPart中，修改Mesher::createMesh()函数，通过引入其他网格划分代码来增加新的网格划分功能。

Mesh::MeshObject* Mesher::createMesh() const;

开发要点：FreeCAD网格划分功能较弱，需要利用第三方的网格划分工具生成Mesh模块的数据结构，然后进行网格显示。

求解器

在Fem模块中，提供了SolverObject对象，用于生成不同求解器的配置。指定工作目录之后，会根据支持的求解器的将配置文件写入到工作目录，然后便可以求解计算。

图片[6]-基于FreeCAD的CAE数值仿真平台开发概述-卡核 — Solver

后处理

目前在FreeCAD中(截止到0.19-pre版本)，没有一个单独的一个模块用于后处理数据显示。不过，在Fem模块中实现部分后处理的功能，主要包括云图显示、切割、数据拾取等功能，功能相对比较简单。

笔者在Fem的基础之上，已经开发完成了CFD模块功能，主要用于完成CFD后处理功能。可以进行云图、流线、Glyph、等值线/等值面等功能。后处理功能的开发其实比较简单，大体思路就是借助于VTK完成后处理数据的生成，然后将生成的数据导入到OIV渲染管线。

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THE END

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