基于云仿真的采煤機動力學分析系統

趙 峰 ，丁 華 ，楊兆建

1 引言

采煤機在工作時長期承受復雜多變的動載荷作用，因此在設計過程中要對采煤機運動機構進行動力學仿真分析，以有效地避免零件失效，提高采煤機壽命和工作效率。多體動力學軟件ADAMS在研究運動部件的動力學特性、系統內部荷載及作用力的分布方面具有突出的優勢。ADAMS軟件具有開放性的程序結構和多種接口，為軟件在采煤機方面的二次開發和協同仿真提供了極大的便利。采煤機結構復雜，體型龐大，進行仿真分析需要占用大量的時間和資源。從企業角度來考慮，需要在技術培訓及硬件需求上投入相應的科研資金，若進行大范圍的硬件購入，勢必造成科研資金的浪費，增加企業負擔。隨著云計算和異地協同技術的發展，傳統的機械設計方法正向著智能化與網絡化方向發展，可以有效緩解企業對仿真技術日益增長的需求與資金投入不足之間的矛盾。中國工程院李伯虎院士提出一種基于云計算理念的網絡化建模與仿真平臺—“云仿真平臺”[1]。文獻[2]利用ANSYS、UG等軟件建立了礦山機械裝備云仿真CAE服務系統，為礦山機械裝備企業提供軟件調用、租用、共享和技術支持等服務。由于運動機構的動力學仿真分析過程復雜，需要考慮到各構件之間相互約束配合，因此目前將ADAMS軟件成功應用在采煤機云仿真分析方面的研究很少。從實際應用角度出發，研究如何建立以ADAMS軟件為核心的云仿真動力學分析系統，實現對采煤機關鍵運動機構進行在線動力學分析和結果實時共享，分別闡述了系統的主要功能、開發模式、關鍵技術，并通過應用實例驗證了該系統的可行性。

2 采煤機動力學分析內容與系統功能

機械系統動力學主要解決機械系統的運動學、正向動力學、逆向動力學、靜平衡四種類型的分析與仿真問題[3]。正向動力學是分析機械系統在作用力下的移動方式，而逆向動力學則是分析機械系統以指定方式運動所需的載荷。進行的采煤機多體動力學分析針對的是采煤機機構的逆向動力學問題，對調高機構、行走機構、齒輪傳動系統等指定運動方式，獲得關鍵位置點在運動過程中不同時刻的作用力，為后續的研究提供數據支持。

3 采煤機動力學分析系統的開發模式

系統采用目前主流的B/S架構[4]，分為用戶層、業務邏輯層、數據交互層，如圖1所示。

圖1 系統開發模式Fig.1 System Development Pattern

用戶層由分布在網絡終端的用戶電腦組成，主要作用是根據客戶的需求完成模型參數的提交，遠程請求以及結果的顯示等。系統要求用戶電腦接入網絡并能用瀏覽器上網。

業務邏輯層存在于服務器端，主要完成對客戶端所提交數據的處理、后臺ADAMS軟件的調用以及對仿真結果數據的處理等過程。這一過程由于要對不同的用戶請求做出快速反應，并且調用ADAMS進行采煤機相關模型的仿真計算，因此需要工作站或服務器級別電腦來完成。

數據交互層將模型參數、仿真結果及仿真視頻保存在服務器端的數據庫中，用戶可以根據需要查看每次仿真的結果。系統將數據訪問層和業務邏輯層置于同一臺服務器上，結構精簡，降低成本。

4 采煤機動力學分析系統的關鍵技術

在 ASP.NET平臺下，系統應用 HTML、C#.NET、ADO.NET、Windows批處理命令等技術解決了ADAMS遠程調用、數據庫設計、結果處理以及視頻展示等關鍵問題。

4.1 ADAMS遠程調用

采用兩種不同的方法實現ADAMS軟件的遠程調用功能：（1）ADAMS模型語言文件（后綴名“.adm”）和仿真控制腳本（后綴名“.acf”）相配合進行參數化建模仿真；（2）利用 windows批處理腳本命令和ADAMS宏命令相配合對用戶上傳的模型進行動力學仿真。

4.1.1 參數化建模仿真

ADAMS支持兩種形式的仿真：基于View界面的交互式仿真及基于Solver的批處理命令仿真[5]。兩種仿真方式的優缺點，如表1所示。

情境教學中教育者——情境——受教育者三者是互相關聯的一個有機整體。在情境教學中，學生是學習的主體，教師是學習活動的創設者。基于情境創設模式的教學有助于激發學生的學習動機，強化學生的情感體驗，激發學生的探求欲望，升華師生感情體驗。

表1 兩種仿真形式對比Tab.1 Comparison of Two Kinds of Simulation

對比表中優缺點，為實現網絡參數化建模仿真，系統在服務器端調用ADAMS/Solver并打開仿真控制腳本，讀取采煤機模型信息文件進行仿真計算[6]。最后將運動過程中機構上各測量點隨時間變化的受力及力矩等仿真數據直接輸出到可讀取的結果文件中。

4.1.2 上傳模型動力學仿真

ADAMS軟件的建模功能較弱，難以實現復雜模型的參數化建模。但ADAMS提供的接口可從UG、Pro/E、Solidworks等建模軟件模型導入模型，并且ADAMS的宏命令功能可使ADAMS/View執行一系列動作[7]。因此系統采用了另一種方法實現ADAMS軟件的調用，調用流程，如圖2所示。該方法利用用戶上傳的模型（Parasolid格式）進行動力學仿真，并將結果返回給用戶。

圖2 調用過程Fig.2 Called Procedure

4.2 數據離散與重組

ADAMS的動力學仿真結果包含大量數據，將不同測量點的數據繪制成樣條曲線使結果更加清晰明朗。系統采用如下步驟實現：

（1）數據離散化。仿真結束后，主程序將ADAMS后處理模塊中的結果曲線離散化為相應的數組并導出。

（2）數據篩選。通過算法對比，對所提取的數據進行判斷，將符合要求的數據保存到SQLServer數據庫中。

（3）數據重組。當用戶發起查看請求后，主程序從服務器數據庫中提取相應數據。利用微軟提供的Chart控件可以實現數據重組，并以樣條曲線方式返回給客戶端[8]。

4.3 視頻展示

為方便用戶深入了解ADAMS仿真過程中機構運動規律及仿真結果，系統添加了視頻展示模塊，將仿真過程中機構的運動以視頻方式保存在服務器中。ADAMS軟件生成的仿真視頻格式為AVI，因此需要在VS2010軟件中將Windows Media Player的COM組件引入系統，并在前臺使用HTML語言對該組件進行設置和應用。

5 應用實例

采煤機多體動力學分析系統包括仿真分析、歷史查看、仿真視頻三個模塊。打開系統首頁，進入“仿真分析”模塊，選擇“調高機構”后進入調高機構參數化建模仿真頁面。頁面為用戶提供了調高機構滾筒、搖臂等各構件的參數輸入框，如圖3所示。用戶點擊“提交”按鈕后各參數會提交給系統服務器，服務器接收數據后調用ADAMS軟件對采煤機搖臂機構進行建模、添加約束和運動方式、控制仿真[9]。運行結束后服務器將結果數據返回給客戶端。

圖3 調高機構參數輸入頁面Fig.3 Parameter Input Page of Height-Regulating Mechanism

結果頁面中，調高機構模塊為用戶提供了5個搖臂機構關鍵點，每點提供了不同的測量選項，用戶可通過下拉列表進行選擇。用戶點擊“查看”按鈕，服務器接收到指令后將繪制相應的曲線圖并返回到客戶端。用戶將鼠標懸停在曲線任意點上，系統將自動顯示此點處的坐標值。采煤機調高機構在工作狀態下，由水平→抬高→降低→復位的運動過程中液壓桿與提升托架鉸接點1處Y方向受力仿真結果。結果頁面還為用戶提供了“保存”和“下載”選項，如圖4所示。在首頁點擊“歷史查看”進入仿真記錄查詢頁面。在查詢頁面，用戶首先在下拉列表中選擇要查看的機構，點擊“查詢”按鈕后網頁將自動顯示結果。在列表中點擊每個記錄的“查看”選項，可以詳細查看仿真的模型及結果數據。采煤機調高機構的仿真歷史查詢結果，其中表格名稱為存放在數據庫中仿真結果數據表的名稱，如圖5所示。

圖4 仿真結果曲線圖Fig.4 Simulation Result Curve

圖5 調高機構仿真歷史查詢結果Fig.5 Query Results of Height-Regulating Mechanism Simulation History

從首頁進入仿真視頻模塊可以從三個不同的視角查看采煤機不同機構的運動視頻，有助于用戶理解ADAMS仿真過程和結果數據。頁面下方為用戶提供了視頻列表，用戶可以根據需要選擇查看。采煤機調高機構在工作狀態下整個運動過程的仿真視頻，如圖6所示。

圖6 調高機構仿真視頻Fig.6 Simulation Video of Height-Regulating Mechanism

6 結論

（1）在深入研究ADAMS軟件各模塊及接口的基礎上，介紹了兩種遠程調用ADAMS軟件的關鍵技術，成功實現了將ADAMS軟件應用于采煤機運動機構的云仿真平臺中。

（2）以 ASP.NET 平臺為基礎，采用 HTML、C#.NET、ADO.NET、批處理命令等技術開發了基于云仿真的采煤機動力學分析系統，為ADAMS軟件在其他機械產品的云仿真應用方面提供了參考和借鑒。

（3）系統操作界面簡單人性化，能夠為用戶提供結果數據曲線圖和仿真視頻，為采煤機設計過程中后續的模型設計及驗證提供幫助。解決了企業對仿真技術日益增長的需求與資金投入不足之間的矛盾。

（4）在參數化建模仿真方法中，由于ADAMS軟件自身的建模能力較弱，無法精確繪制機械零件的外形，因此參數化的模型需要一定的簡化，導致結果數據與導入法所仿真的結果存在一定的誤差，在今后研究中需要進一步完善這一問題。