基于有限元的農(nóng)機(jī)產(chǎn)品數(shù)字化分析和仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)

龔 強(qiáng)，吳 昊

( 南京交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 a.信息化建設(shè)與管理辦公室；b.電子信息工程學(xué)院，南京 211188)

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基于有限元的農(nóng)機(jī)產(chǎn)品數(shù)字化分析和仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)

龔 強(qiáng)a，吳 昊b

( 南京交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 a.信息化建設(shè)與管理辦公室；b.電子信息工程學(xué)院，南京 211188)

農(nóng)機(jī)產(chǎn)品的部件大部分為復(fù)雜模型，而有限元分析成本較高，單一企業(yè)的有限元分析能力較弱。為了解決這一難題，提出了一種基于云計(jì)算的有限元農(nóng)機(jī)產(chǎn)品數(shù)字化仿真分析系統(tǒng)。云計(jì)算平臺由3層組成，采用參數(shù)化建模方式，本地工程師通過云計(jì)算資源池提供的參數(shù)建模界面可以完成農(nóng)機(jī)產(chǎn)品建模，建好的模型可以直接通過軟件接口導(dǎo)入到云分析層，通過迭代計(jì)算得到云計(jì)算虛擬仿真結(jié)果，再由展示層以云圖或者曲線的形式展現(xiàn)出來。對平臺的性能進(jìn)行了測試，結(jié)果表明：基于云計(jì)算的有限元農(nóng)機(jī)數(shù)字化分析系統(tǒng)能有效地完成參數(shù)化建模、有限元仿真和計(jì)算結(jié)果的處理，可為聯(lián)盟內(nèi)企業(yè)提供共享和協(xié)同計(jì)算服務(wù)。

農(nóng)機(jī)產(chǎn)品；虛擬仿真；參數(shù)化建模；有限元；云計(jì)算

0 引言

云設(shè)計(jì)是一種基于云計(jì)算的面向多用戶、多領(lǐng)域的新型設(shè)計(jì)模式，通過網(wǎng)絡(luò)將資源池中的資源按照用戶需求以Web服務(wù)的方式提供給用戶，成為設(shè)計(jì)制造行業(yè)中研究的一個(gè)新的熱點(diǎn)。云設(shè)計(jì)提高了設(shè)計(jì)水平，縮短了研發(fā)周期，降低了產(chǎn)品設(shè)計(jì)的成本。有限元分析已成為農(nóng)機(jī)產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計(jì)中重要的部分，但有限元分析成本較高，同時(shí)現(xiàn)有遠(yuǎn)程有限元分析研究方法主要面向單一企業(yè)或幾個(gè)企業(yè)，而將其部署到云設(shè)計(jì)平臺中解決了某一行業(yè)內(nèi)中小型企業(yè)甚至大型企業(yè)有限元分析能力不足的問題。

1 基于云計(jì)算的農(nóng)機(jī)數(shù)字化仿真分析系統(tǒng)

在現(xiàn)在產(chǎn)品的數(shù)字化設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，很多軟件已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了無縫拼接，其中包括CAD和CAE之間。有限元仿真軟件ANSYS新版本中的Workbench是一種新的協(xié)同仿真環(huán)境，為產(chǎn)品數(shù)字化云設(shè)計(jì)提供了可行性，如圖1所示。云計(jì)算仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)包括設(shè)計(jì)資源、設(shè)計(jì)云和產(chǎn)品設(shè)計(jì)3大部分，其核心支撐是知識數(shù)據(jù)庫。根據(jù)客戶需求，設(shè)計(jì)云運(yùn)用者可以對設(shè)計(jì)進(jìn)行輸入和輸出，其原理如圖2所示。

在農(nóng)機(jī)數(shù)字化產(chǎn)品的有限元分析時(shí)，其零部件大部分都是復(fù)雜的模型，計(jì)算較慢，云計(jì)算在有限元仿真分析系統(tǒng)的主要作用是對計(jì)算資源的調(diào)度，從而可以提高計(jì)算效率。其設(shè)計(jì)總體的框架如圖3所示。

基于云計(jì)算平臺的有限元虛擬仿真系統(tǒng)及核心包括CAD接口、Workbench SDK和ANSYS程序，實(shí)現(xiàn)的功能包括GUI界面設(shè)計(jì)、窗口管理及圖像處理引擎。其通過程序注冊、接口連接和程序生成器和外部的程序進(jìn)行接口，從而可以實(shí)現(xiàn)云計(jì)算資源的有效調(diào)度。云計(jì)算平臺的運(yùn)行機(jī)制如圖4所示。

圖1 有限元協(xié)同仿真環(huán)境

圖2 云數(shù)字化仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

圖3 基于云計(jì)算平臺的有限元計(jì)算框架

圖4 農(nóng)機(jī)數(shù)字化設(shè)計(jì)平臺運(yùn)行機(jī)制

圖4中，有限元服務(wù)主要分3層來完成，包括構(gòu)建層、分析層和展示層。其具體功能如下：

1)構(gòu)建層。構(gòu)建層主要是構(gòu)建三維幾何模型，建模有兩種：一是直接三維建模，二是參數(shù)化建模。云計(jì)算平臺采用參數(shù)化建模方式，本地工程師通過云計(jì)算資源池提供的參數(shù)建模界面，輸入相應(yīng)的參數(shù)，便可以完成建模。

2)分析層。將構(gòu)建層得到的結(jié)合模型導(dǎo)入到CAE軟件中，對其進(jìn)行數(shù)字化仿真分析，通過資源庫的封裝，實(shí)現(xiàn)農(nóng)機(jī)產(chǎn)品數(shù)字化仿真的自動(dòng)化分析，從而輸出分析結(jié)果。

3)可視化展示層。可視化展示層主要包括結(jié)果數(shù)據(jù)的分類、查詢和分析處理，有限元模型的可視化展示，云圖、等值線的繪制，以及結(jié)果模型的交互操作等。

2 有限元計(jì)算資源共享和調(diào)度優(yōu)化

云計(jì)算平臺對于有限元分析的作用主要體現(xiàn)在資源的共享和協(xié)同計(jì)算能力上，因此資源的調(diào)度問題非常重要，資源的調(diào)度可以根據(jù)任務(wù)的分配來計(jì)算，同車輛物流的調(diào)度優(yōu)化類似。計(jì)算機(jī)從一個(gè)用戶終端出發(fā)，完成一次計(jì)算任務(wù)，當(dāng)計(jì)算的任務(wù)量較小時(shí)，可以安排一個(gè)計(jì)算機(jī)終端同時(shí)完成幾項(xiàng)任務(wù)，使車輛路線既能夠完成既定任務(wù)，又能使路程最短，最節(jié)省時(shí)間。假設(shè)計(jì)算機(jī)終端為D，計(jì)算機(jī)的資源最大處理能力為q，有n個(gè)計(jì)算任務(wù)，任務(wù)i的計(jì)算處理量為

gi

(1)

假設(shè)完成任務(wù)需要的時(shí)間為Ti，任務(wù)需要在時(shí)間范圍為[ai,bi]內(nèi)開始，ai表示計(jì)算任務(wù)最早開始時(shí)間，bi表示任務(wù)允許的最遲時(shí)間；已知任務(wù)i和任務(wù)j的距離為dij，可以利用時(shí)間窗來優(yōu)化任務(wù)的最短路線，從而得到最佳狀態(tài)時(shí)使用的計(jì)算資源。假定si是任務(wù)i的開始時(shí)刻，ei表示任務(wù)的結(jié)束時(shí)刻，完成任務(wù)的時(shí)間用時(shí)為

Ti=ei-si

(2)

根據(jù)有限元計(jì)算任務(wù)的優(yōu)化調(diào)度原則，可以構(gòu)造有限元計(jì)算的數(shù)學(xué)模型。假定變量模型為

(3)

由此可以得到優(yōu)化調(diào)度的模型，其表達(dá)式為

(4)

其中，tij表示計(jì)算機(jī)完成有限元計(jì)算任務(wù)i后到達(dá)j所用的時(shí)間。式(4)中，第7個(gè)式子表示把支路的約束消去之后，可以有效地避免同計(jì)算機(jī)終端分離的線路；第9個(gè)式子表示計(jì)算機(jī)鄰接任務(wù)的條件；第10個(gè)式子表示時(shí)間窗約束。該模型可以利用分配問題和時(shí)間窗來解決，分配問題的模型為

(5)

其中，zk是滿足yki=1的顧客集合，即計(jì)算機(jī)k能服務(wù)的顧客集合?？蛻粜枨蟮淖顑?yōu)長度f(zk)可以由下式確定，即

(6)

(7)

根據(jù)各任務(wù)的計(jì)算量約束和計(jì)算資源，確定完成任務(wù)所需要的計(jì)算機(jī)資源數(shù)目nn，然后根據(jù)客戶i=1,2,…,n分別分配給計(jì)算機(jī)資源，從而有效地提高計(jì)算機(jī)有限元的計(jì)算效率。

3 基于云計(jì)算的有限元數(shù)字化仿真平臺測試

農(nóng)機(jī)產(chǎn)品的零部件結(jié)構(gòu)都比較復(fù)雜，如果采用單一建模的方法，不僅會耗費(fèi)大量的時(shí)間，而且建模效率低下，繪圖的精度也較低。對于非標(biāo)準(zhǔn)件和曲面的建模比較繁瑣，本次研究的農(nóng)機(jī)樣機(jī)整體效果如圖5所示。

為了提高播種機(jī)產(chǎn)品的數(shù)字化設(shè)計(jì)速度，采用SolidWorks進(jìn)行建模，并利用參數(shù)化建模方法對軟件進(jìn)行二次開發(fā)，其開發(fā)工具為Visual Basic編程語言。首先對渦輪進(jìn)行了建模，設(shè)計(jì)的參數(shù)化輸入界面如圖6所示。

圖5 播種機(jī)樣機(jī)整體效果圖

圖6 蝸輪參數(shù)化建模界面

利用Visual Basic編程語言對變量進(jìn)行編程，計(jì)算結(jié)構(gòu)的尺寸，通過輸入?yún)?shù)，可以得到三維模型。以渦輪的建模為例，通過輸入?yún)?shù)，得到了如圖7所示的渦輪模型。

圖7 渦輪三維模型

利用該方法還可以建立更多更為復(fù)雜的模型，模型建立好后需要利用有限元方法進(jìn)行復(fù)雜模型的網(wǎng)格劃分，如圖8所示。

進(jìn)行云計(jì)算時(shí)，工程師只需要將參數(shù)化建?？蛻舳松蟼鞯皆瀑Y源數(shù)據(jù)庫，便可實(shí)現(xiàn)資源的共享。對于較為復(fù)雜的網(wǎng)格，普通計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)不了。如果要實(shí)現(xiàn)普通計(jì)算機(jī)對超復(fù)雜網(wǎng)格進(jìn)行劃分，則需要借助云計(jì)算的并行計(jì)算方法。本文使用云計(jì)算平臺對網(wǎng)格進(jìn)行劃分，并通過計(jì)算得到了如圖9所示的仿真結(jié)果。

圖9 有限元分析結(jié)果

利用云計(jì)算平臺不僅實(shí)現(xiàn)了計(jì)算資源的優(yōu)化配置和合理的調(diào)度，而且還有效完成了復(fù)雜網(wǎng)格劃分和有限元仿真計(jì)算，從而驗(yàn)證了其在農(nóng)機(jī)產(chǎn)品數(shù)字化虛擬設(shè)計(jì)中的可行性。

4 結(jié)論

依據(jù)云計(jì)算的基本原理，結(jié)合CAD、CAE建模軟件和ANSYS有限元分析軟件，采用云計(jì)算資源調(diào)度優(yōu)化方法，設(shè)計(jì)了一種新的基于云計(jì)算的有限元仿真分析系統(tǒng)，并完成了平臺的測試。結(jié)果表明：分析系統(tǒng)將幾何模型作為有限元分析的參數(shù)輸入接口，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計(jì)與產(chǎn)品有限元性能分析一致性，克服了參數(shù)化APDL命令流文件有限元操作的不足。對平臺進(jìn)一步測試發(fā)現(xiàn)：云計(jì)算平臺可以對農(nóng)機(jī)的復(fù)雜部件進(jìn)行建模和網(wǎng)格劃分，并能夠完成有限元協(xié)同計(jì)算，實(shí)現(xiàn)了農(nóng)機(jī)數(shù)值化產(chǎn)品的云計(jì)算處理，大大提高了設(shè)計(jì)效率，縮短了設(shè)計(jì)周期，降低了設(shè)計(jì)成本。

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Digital Analysis and Simulation System Design of Agricultural Machinery Products Based on Finite Element Method

Gong Qianga,Wu Haob

(a.Office of Information Construction and Management; b.Department of Information Engineering, Nanjing Institute of Transportation Professional and Technology, Nanjing 211188, China)

Agricultural products, components for most of the complex model, and finite element analysis of high cost, single enterprise finite element analysis ability is weak. In order to solve this problem, it proposed a cloud based on agricultural products of finite element numerical simulation analysis system. Cloud computing platform consists of three layers, using parametric modeling, local engineers through the cloud computing resource pool of available parameter modeling of the interface,which can complete the agricultural product modeling. The built model can be directly through the software interface to import to the cloud layer analysis, through iterative calculation to cloud computing virtual simulation results, the presentation layer in form of images or curve show. To test the performance of the platform, the test results show that based on cloud computing finite element of agricultural digital analysis system can effectively complete parametric modeling, finite element simulation and calculation results, which can provide the support for the sharing and cooperative computing services for enterprises in the alliance.

agricultural machinery products; virtual simulation; parametric modeling; finite element; cloud computing

2016-07-06

江蘇省教育規(guī)劃項(xiàng)目(D/2013/03/147)；江蘇省教育廳項(xiàng)目(2013JSJG361)

龔 強(qiáng)(1983-)，男，南京人，實(shí)驗(yàn)師，碩士，(E-mail)glwuxn@sina.com。

S126;TP311.52

A

1003-188X(2017)10-0208-05