基于有限元的農機產品數字化分析和仿真系統設計

龔 強，吳 昊

( 南京交通職業技術學院 a.信息化建設與管理辦公室；b.電子信息工程學院，南京 211188)

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基于有限元的農機產品數字化分析和仿真系統設計

龔 強a，吳 昊b

( 南京交通職業技術學院 a.信息化建設與管理辦公室；b.電子信息工程學院，南京 211188)

農機產品的部件大部分為復雜模型，而有限元分析成本較高，單一企業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算的有限元農機產品數字化仿真分析系統。云計算平臺由3層組成，采用參數化建模方式，本地工程師通過云計算資源池提供的參數建模界面可以完成農機產品建模，建好的模型可以直接通過軟件接口導入到云分析層，通過迭代計算得到云計算虛擬仿真結果，再由展示層以云圖或者曲線的形式展現出來。對平臺的性能進行了測試，結果表明：基于云計算的有限元農機數字化分析系統能有效地完成參數化建模、有限元仿真和計算結果的處理，可為聯盟內企業提供共享和協同計算服務。

農機產品；虛擬仿真；參數化建模；有限元；云計算

0 引言

云設計是一種基于云計算的面向多用戶、多領域的新型設計模式，通過網絡將資源池中的資源按照用戶需求以Web服務的方式提供給用戶，成為設計制造行業中研究的一個新的熱點。云設計提高了設計水平，縮短了研發周期，降低了產品設計的成本。有限元分析已成為農機產品數字化設計中重要的部分，但有限元分析成本較高，同時現有遠程有限元分析研究方法主要面向單一企業或幾個企業，而將其部署到云設計平臺中解決了某一行業內中小型企業甚至大型企業有限元分析能力不足的問題。

1 基于云計算的農機數字化仿真分析系統

在現在產品的數字化設計系統中，很多軟件已經實現了無縫拼接，其中包括CAD和CAE之間。有限元仿真軟件ANSYS新版本中的Workbench是一種新的協同仿真環境，為產品數字化云設計提供了可行性，如圖1所示。云計算仿真系統的設計包括設計資源、設計云和產品設計3大部分，其核心支撐是知識數據庫。根據客戶需求，設計云運用者可以對設計進行輸入和輸出，其原理如圖2所示。

在農機數字化產品的有限元分析時，其零部件大部分都是復雜的模型，計算較慢，云計算在有限元仿真分析系統的主要作用是對計算資源的調度，從而可以提高計算效率。其設計總體的框架如圖3所示。

基于云計算平臺的有限元虛擬仿真系統及核心包括CAD接口、Workbench SDK和ANSYS程序，實現的功能包括GUI界面設計、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行接口，從而可以實現云計算資源的有效調度。云計算平臺的運行機制如圖4所示。

圖1 有限元協同仿真環境

圖2 云數字化仿真系統設計原理

圖3 基于云計算平臺的有限元計算框架

圖4 農機數字化設計平臺運行機制

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

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

2)分析層。將構建層得到的結合模型導入到CAE軟件中，對其進行數字化仿真分析，通過資源庫的封裝，實現農機產品數字化仿真的自動化分析，從而輸出分析結果。

3)可視化展示層。可視化展示層主要包括結果數據的分類、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，以及結果模型的交互操作等。

2 有限元計算資源共享和調度優化

云計算平臺對于有限元分析的作用主要體現在資源的共享和協同計算能力上，因此資源的調度問題非常重要，資源的調度可以根據任務的分配來計算，同車輛物流的調度優化類似。計算機從一個用戶終端出發，完成一次計算任務，當計算的任務量較小時，可以安排一個計算機終端同時完成幾項任務，使車輛路線既能夠完成既定任務，又能使路程最短，最節省時間。假設計算機終端為D，計算機的資源最大處理能力為q，有n個計算任務，任務i的計算處理量為

gi

(1)

假設完成任務需要的時間為Ti，任務需要在時間范圍為[ai,bi]內開始，ai表示計算任務最早開始時間，bi表示任務允許的最遲時間；已知任務i和任務j的距離為dij，可以利用時間窗來優化任務的最短路線，從而得到最佳狀態時使用的計算資源。假定si是任務i的開始時刻，ei表示任務的結束時刻，完成任務的時間用時為

Ti=ei-si

(2)

根據有限元計算任務的優化調度原則，可以構造有限元計算的數學模型。假定變量模型為

(3)

由此可以得到優化調度的模型，其表達式為

(4)

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

(5)

其中，zk是滿足yki=1的顧客集合，即計算機k能服務的顧客集合。客戶需求的最優長度f(zk)可以由下式確定，即

(6)

(7)

根據各任務的計算量約束和計算資源，確定完成任務所需要的計算機資源數目nn，然后根據客戶i=1,2,…,n分別分配給計算機資源，從而有效地提高計算機有限元的計算效率。

3 基于云計算的有限元數字化仿真平臺測試

農機產品的零部件結構都比較復雜，如果采用單一建模的方法，不僅會耗費大量的時間，而且建模效率低下，繪圖的精度也較低。對于非標準件和曲面的建模比較繁瑣，本次研究的農機樣機整體效果如圖5所示。

為了提高播種機產品的數字化設計速度，采用SolidWorks進行建模，并利用參數化建模方法對軟件進行二次開發，其開發工具為Visual Basic編程語言。首先對渦輪進行了建模，設計的參數化輸入界面如圖6所示。

圖5 播種機樣機整體效果圖

圖6 蝸輪參數化建模界面

利用Visual Basic編程語言對變量進行編程，計算結構的尺寸，通過輸入參數，可以得到三維模型。以渦輪的建模為例，通過輸入參數，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雜的模型，模型建立好后需要利用有限元方法進行復雜模型的網格劃分，如圖8所示。

進行云計算時，工程師只需要將參數化建模客戶端上傳到云資源數據庫，便可實現資源的共享。對于較為復雜的網格，普通計算機實現不了。如果要實現普通計算機對超復雜網格進行劃分，則需要借助云計算的并行計算方法。本文使用云計算平臺對網格進行劃分，并通過計算得到了如圖9所示的仿真結果。

圖9 有限元分析結果

利用云計算平臺不僅實現了計算資源的優化配置和合理的調度，而且還有效完成了復雜網格劃分和有限元仿真計算，從而驗證了其在農機產品數字化虛擬設計中的可行性。

4 結論

依據云計算的基本原理，結合CAD、CAE建模軟件和ANSYS有限元分析軟件，采用云計算資源調度優化方法，設計了一種新的基于云計算的有限元仿真分析系統，并完成了平臺的測試。結果表明：分析系統將幾何模型作為有限元分析的參數輸入接口，實現了產品數字化設計與產品有限元性能分析一致性，克服了參數化APDL命令流文件有限元操作的不足。對平臺進一步測試發現：云計算平臺可以對農機的復雜部件進行建模和網格劃分，并能夠完成有限元協同計算，實現了農機數值化產品的云計算處理，大大提高了設計效率，縮短了設計周期，降低了設計成本。

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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

江蘇省教育規劃項目(D/2013/03/147)；江蘇省教育廳項目(2013JSJG361)

龔 強(1983-)，男，南京人，實驗師，碩士，(E-mail)glwuxn@sina.com。

S126;TP311.52

A

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