數(shù)字農(nóng)機部件智能化裝配三維虛擬仿真技術(shù)研究—基于云平臺

葉 娟

(廣東科學(xué)技術(shù)職業(yè)學(xué)院廣州學(xué)院,廣州 510640)

0 引言

農(nóng)用發(fā)動機是一種應(yīng)用廣泛的傳遞動力的機器,可把能量轉(zhuǎn)化為機械能。目前,傳統(tǒng)的發(fā)動機都是將燃料的化學(xué)能變?yōu)闊崮?再由熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械動力,并通過底盤的傳動系和行駛系驅(qū)動農(nóng)機行駛。發(fā)動機傳統(tǒng)開發(fā)模式存在的開發(fā)周期長、過程繁雜、開發(fā)成本高、性能測試?yán)щy等問題,本文將仿真技術(shù)引入到農(nóng)機發(fā)動機設(shè)計上,并采用虛擬裝配技術(shù)對發(fā)動機零部件設(shè)計的合格性進(jìn)行檢查,然后對其動力性能進(jìn)行測試,對于提高現(xiàn)代化農(nóng)機數(shù)字化設(shè)計的效率具有重要的現(xiàn)實意義。

1 農(nóng)機交互式數(shù)字化設(shè)計

云計算可通過對底層計算資源、存儲和帶寬等硬件資源的差異性進(jìn)行屏蔽,實現(xiàn)虛擬化資源的統(tǒng)一管理和調(diào)度,但具有可擴(kuò)展性、動態(tài)性和靈活性等特點,資源管理問題面臨很多新的挑戰(zhàn)。在云計算環(huán)境下,為了保證資源的協(xié)同性,實現(xiàn)計算資源的合理分配,必須搭建云平臺。澳大利亞墨爾本大學(xué)發(fā)布的Cloudsim是目前研究云資源管理平臺的首選平臺,其自帶Petri(ColoredPetri Nets,CPN)是一種高級的Petri網(wǎng),CPN和Cloudsim可以進(jìn)行優(yōu)勢互補,可以實現(xiàn)分布式仿真平臺的搭建。

采用CPN可以對資源管理操作事件流進(jìn)行仿真和建模,而采用Cloudsim可以進(jìn)行主機服務(wù)、數(shù)據(jù)處理、虛擬機和云信息服務(wù)等基礎(chǔ)設(shè)施的建模,組建成交互式仿真平臺,如圖1所示。

圖1 交互式仿真平臺框架

采用CPN可以實現(xiàn)多部分的功能,包括基礎(chǔ)設(shè)施配置、仿真結(jié)果呈現(xiàn)及邏輯結(jié)構(gòu)功能等。在CPN中可以通過建立離散事件來控制Cloudsim中程序的運行,還可以多次傳入任務(wù),模擬批處理事件。為了驗證數(shù)字農(nóng)機智能化裝備三維虛擬仿真采用云平臺的可行性,搭建了虛擬仿真平臺模擬農(nóng)機零部件的建模和裝配體的仿真過程,如圖2所示。

采用云平臺在進(jìn)行農(nóng)機部件智能化裝配三維虛擬仿真時,首先需要對任務(wù)需求進(jìn)行定義,然后通過自動查找功能發(fā)現(xiàn)所需的資源,實現(xiàn)仿真模型的資源共享,并基于組合服務(wù)方式動態(tài)構(gòu)造仿真系統(tǒng)。在動態(tài)資源管理框架下,農(nóng)機部件的建模和虛擬裝配可以在仿真系統(tǒng)中協(xié)同運行,實現(xiàn)并行計算,完成建模和仿真模擬,最終得到所需的結(jié)果。

圖2 基于云平臺的農(nóng)機部件三維建模和仿真平臺

2 基于Pro/E的農(nóng)機零部件三維建模

Pro/E軟件是一款建模功能十分強大的軟件,其界面操作簡單、功能全,可以實現(xiàn)二維模型及三維模型的創(chuàng)建。本次基于云平臺和并行計算機采用 Pro/E軟件,完成三維模型的創(chuàng)建和農(nóng)機部件的裝配仿真。在農(nóng)機零部件三維建模方面,Pro/E軟件的主要有以下特點:

1)直接生成3D圖。采用Pro/E軟件在完成二維草圖的繪制之后,可以通過拉伸、旋轉(zhuǎn)和布爾操作等創(chuàng)建三維實體模型,還可以進(jìn)行模型尺寸修改,檢查三維實體結(jié)構(gòu)是否達(dá)到設(shè)計需求,支持模型修改。

2)生成裝配體。Pro/E軟件可以將建立的二維模型進(jìn)行虛擬裝配,裝配完成后支持任意角度觀察裝配體和零部件,可以及時發(fā)現(xiàn)零部件設(shè)計的是否合理,是否存在比例失調(diào)的現(xiàn)象,避免零部件直接不協(xié)調(diào)或者出現(xiàn)干涉現(xiàn)象。在零部件出現(xiàn)干涉或者比例不協(xié)調(diào)等情況時,可以對零部件及時地加以修改,以達(dá)到設(shè)計要求,縮短了設(shè)計周期,節(jié)省了設(shè)計成本。

3)計算機模型參數(shù)。在進(jìn)行農(nóng)機零部件設(shè)計時,完成一個零部件設(shè)計后往往需要零部件的外形尺寸、表面積和整體質(zhì)量等參數(shù)數(shù)據(jù),Pro/E軟件有計算功能菜單,可以計算各零部件的參數(shù)數(shù)據(jù)。

4)自動生成工程圖。農(nóng)機零部件三維實體模型創(chuàng)建完成后,可以進(jìn)行任意角度的查看,并可以在任意角度生成剖視圖,還可以自動生成三視圖,支持簡單的修改和尺寸標(biāo)注。

5)可以生成動畫特效。裝配體完成后,結(jié)合3DMAX軟件,還可以生成真實感較好的動畫圖像,通過背景燈光場景設(shè)置,將裝配體賦予材料參數(shù),可以更加逼近真實的農(nóng)機部件裝配體。除了真實感的動畫效果外,還可以對農(nóng)機部件轉(zhuǎn)配體進(jìn)行動力學(xué)和運動學(xué)仿真,仿真結(jié)果可以生成參數(shù)數(shù)據(jù)和曲線,可對農(nóng)機的機械零部件進(jìn)行彎曲和屈曲分析,以查驗所設(shè)計零件是否合格。

在進(jìn)行農(nóng)機零部件的建模時,首先要做好充分的建模前準(zhǔn)備,明確設(shè)計意圖,關(guān)鍵位置尺寸設(shè)計好,先設(shè)計草圖,草圖完成后正式設(shè)計二維圖,然后通過一系列操作創(chuàng)建三維實體模型;三維模型創(chuàng)建完成后便可以進(jìn)行農(nóng)機零部件的虛擬裝配仿真。在零部件裝配過程中可以選擇合理的約束關(guān)系,裝配完成后還可以對部件的運動特性和力學(xué)特性進(jìn)行仿真,具體流程如圖3所示。

圖3 農(nóng)機零部件三維虛擬仿真設(shè)計流程

在Pro/E中軟件中,三維實體模型的創(chuàng)建有很多生成方法,可以根據(jù)經(jīng)驗累計來合理地生成模型,在繪制草圖時要盡量簡化,如過度角和倒角等盡量不畫,才能更容易生成三維實體模型。

發(fā)動機曲軸三維模型的生成如圖4所示。其主要采用拉伸操作生成三維模型,繪制出曲軸二維草圖后對草圖進(jìn)行拉伸操作,拉伸過程中一定要保證主尺寸完全正確,為了提高設(shè)計效率還可以采用鏡像工具。

圖4 曲軸三維模型

發(fā)動機箱體的建模采用拉伸的方法,箱體三維模型創(chuàng)建完成后,再添加一些細(xì)節(jié),如打孔、倒角與圓角等。有些細(xì)節(jié)需要配合切割功能,同理可以建立農(nóng)機發(fā)動機其他零部件的三維實體模型,如圖5所示。三維實體模型建立完成后,可以以一定的裝配形式和約束關(guān)系對發(fā)動機進(jìn)行虛擬裝配,最后進(jìn)行動力學(xué)和運動學(xué)仿真分析。

3 農(nóng)機虛擬裝配和仿真測試

農(nóng)機三維零部件設(shè)計完成后,可以根據(jù)設(shè)計需求,基于云平臺和Pro/E軟件對部件進(jìn)行虛擬裝配,可以采用自底向上的裝配方式,也可以采用自頂向下的裝配方式。本次零部件的設(shè)計已經(jīng)完成,采用自底向上的裝配方式,流程如圖6所示。

圖6 自底向上裝配方法

農(nóng)機發(fā)動機裝配完成后,通過零件之間關(guān)系的定義,將各零部件組合起來,成為一個裝配體,通過檢查裝配體之間是否存在干涉來判斷設(shè)計是否存在缺陷,還可以根據(jù)設(shè)計需求,在裝配體上加入新的零件特征。

基于云平臺資源共享和并行計算技術(shù),完成了農(nóng)機發(fā)動機的虛擬裝配圖,如圖7所示。利用Pro/E軟件對裝配后的各個部件進(jìn)行查看,通過改變零部件的透明度,還可以查看裝配體內(nèi)部的構(gòu)造。

圖7 基于云計算平臺的發(fā)動機裝配示意圖

為了驗證方案的可行性,對虛擬裝配發(fā)動機進(jìn)行轉(zhuǎn)速仿真,在給定功率的條件下測試其輸出轉(zhuǎn)速,仿真結(jié)果如表1所示。結(jié)果對比表明:其仿真轉(zhuǎn)速和實際轉(zhuǎn)速基本吻合,驗證了虛擬裝配技術(shù)的可行性。

表1 模擬仿真速度和實際速度對比

為了驗證云平臺技術(shù)在發(fā)動機虛擬裝配設(shè)計過程中的作用,在使用和不適用云平臺技術(shù)條件下,對農(nóng)機發(fā)動機零部件建模和虛擬裝配設(shè)計周期進(jìn)行了統(tǒng)計,并進(jìn)行了對比,如表2所示。對比結(jié)果表明:采用云平臺技術(shù)可以明顯縮短設(shè)計周期,提高設(shè)計效率。

表2 仿真效率對比

4 結(jié)論

為了提高農(nóng)機設(shè)計效率,在農(nóng)機設(shè)計過程中引入了數(shù)字化設(shè)計技術(shù),并結(jié)合云技術(shù)設(shè)計了農(nóng)機發(fā)動機的虛擬裝配平臺。為了驗證方案的可行性,采用云平臺并行計算技術(shù)和Pro/E軟件建立了發(fā)動機零部件的三維模型,并采用虛擬裝配技術(shù)對零部件進(jìn)行了裝配,最后對裝配的發(fā)動機虛擬模型進(jìn)行了轉(zhuǎn)速性能測試,且對測試結(jié)果進(jìn)行了統(tǒng)計和比較。結(jié)果表明:采用云平臺技術(shù)可以成功地模擬發(fā)動機實際作業(yè)情況,并對設(shè)計零部件是否合格進(jìn)行檢查,還可以有效地節(jié)省設(shè)計時間,縮短設(shè)計周期,提高了設(shè)計效率。