0 前言
全球化、网络化、虚拟化和异地化是21世纪制造业的发展方向。激烈的市场竞争使得企业必须采用各种先进设计、制造技术和工具,快速开发高质量、低成本的创新产品。以有限元方法为代表的计算机辅助工程分析技术(CAE)作为保证产品性能、质量的先进设计方法,被广泛应用于结构、热力场、磁场和流体等分析,是保证产品质量、提高性能、降低成本的有效工具,受到越来越多企业的关注和重视。然而,昂贵的CAE系统以及复杂的建模和分析过程使多数企业在经济和技术上难以承受。因此,研究基于网络的有限元服务系统成为CAE技术发展与应用推广的趋势之一。
当前,产品个性化、多样化已成为市场主导,大批量定制方式将取代大批量生产成为主流生产模式。大批量定制的目的是以大规模生产的效益(低成本和短交货期)生产客户化产品,在既定产品、零部件主模型基础上进行变型设计和配置设计是大规模定制企业中的主要产品研发模式,这为实现基于网络的协同产品CAE系统提供了基础,即通过实现产品结构的模块化、标准化,采用参数化、变量化分析技术,建立产品分析模型知识库,使企业技术人员可根据设计需求,提取相应的标准结构及其分析模型,通过标准的分析过程,经网络将分析需求数据提交到CAE服务器,使用系统提供的功能进行分析并获得结果,以实现产品的快速响应设计与分析。基于此,提出开发面向产品大规模定制型企业的网络化产品快速分析系统平台,以满足该类型企业进行高效、低成本和高质量产品分析的需求。
1 产品分析的标准化、模板化和知识化
1.1 产品有限元建模的标准化、参数化
前、后处理是有限元分析技术的重点和难点,建立有限元分析模型是前处理的主要任务,建模方法和质量影响着网络环境下协同分析的方法以及分析的速度和质量。因此,针对特定产品和具体情况研究产品有限元建模的标准化、参数化的方法和工具是实现网络环境下产品分析的第一步。
大规模定制模式的产品开发与设计为实现有限元建模标准化和参数化提供了基础。面向大批量定制产品开发设计技术主要包含两个方面的内容:一是开发技术,主要是通过完成产品及零部件结构与参数分析、分类等,建立零部件主模型,进而建立面向大批量定制的产品主模型(或产品主结构)。在大批量定制产品系统中,能够标准化、通用化的零部件一般占总零部件数的60%以上,这种经过了产品零部件充分的结构分析和标准化将使有限元建模的标准化和参数化变得切实可行。第二,面向大批量定制的产品设计技术,即根据客户需求,在既有产品模型基础上,采用配置设计或变型设计等方法快速设计出定制化的产品。基于标准分析模型进行产品结构快速分析是实现快速配置和变型设计的基本要求之一。
实现产品零部件结构有限元模型标准化、参数化的要求和方法与大规模定制系统中产品零部件主模型的建立不尽相同。首先,对有限元建模的要求将影响分析目的的结构充分表达,这样可以简化分析复杂程度、提高效率:其次,有限元参数化建模一般需要根据所使用的CAE分析软件平台进行相应的二次开发以提高建模和管理的效率。如ANSYS提供了APDL语言,MSC.Patran提供了PCL语言,可用于相应的开发工作。
1.2 分析过程的模板化和规范化
有限元分析有着基本固定的执行顺序,一般为几何建模、网格划分、施加载荷、选择分析方法和程序、后处理等,但具体到每一个步骤,对于不同类型分析对象的不同条件,其实施的具体方法和过程也会不同,譬如一般的CAE软件都会提供多种几何建模方法,或通过标准接口从其他CAD模型中导入,或直接在CAE软件界面中通过操作建模,或通过系统提供的编程语言进行建模等;而且由于分析水平和熟练程度的不同,使得CAE分析使用人员对分析过程的控制和参与程度不同;特别是对于不同的研究对象需要不同的功能需求,如对于焊接过程的仿真分析,由于涉及到热一力一辐射等多个场耦合分析,其分析过程比一般结构分析过程复杂。
在网络化CAE分析平台中,需要针对不同情况、不同使用对象定制相应的分析模板,使不同的操作者可以根据自己的需要和习惯,在系统分析模板的导航下顺利开展工作。从而提高网络环境下进行产品协同分析的效率,降低分析过程的复杂程度。
1.3 分析智能化与知识重用
有限元分析过程是一个复杂的信息处理过程,该过程中需要使用者不但要处理大量数据,还要对分析过程中出现的现象、结果进行判断,及时修正分析过程。因此,作为提供有限元分析服务的网络化CAE系统应能够为设计者提供分析过程的支持和帮助。
大规模定制型产品内的多数零部件是基于主模型的参数变型或功能变型组合零部件,对这类产品或零部件的分析可以采用变量化方法事先分析得到其结构与性能参数之间的关系,这种关系可以以具体的参数数据形式存储到数据库中,为后续分析提供支持和参考。
图1描述的就是这种经过变量化分析得到的数控机床立柱基本结构的参数一性能关系,其结构内部圆柱面直径d和元结构端面的边长口为关键尺寸,分析其比值d/a与结构固有频率之间的关系(见图1中曲线图)可以为设计和分析提供指导和帮助,当d/a从0.1到1变化时,对应的元结构的前3阶固有频率,在频率最低点A附近,元结构的振型发生变化,之前为沿元结构对角线方向的摇摆振动,之后是元结构前后、左右面方向的摇摆振动。将图1中的分析实例及其参数一性能数据作为设计知识以一定的格式存入数据库中已备后续设计分析参考、使用,将有效提高设计、分析效率。
图1 机床立柱基本结构及其固有频率变化曲线图
由此可见,分析实例、经验和数据的有效重用也是辅助分析的重要方法。企业可以根据情况建立产品分析实例库,将以往一些典型零部件、产品的分析结果和过程作为知识存储在数据库中,也可以通过分析专家对产品或零部件进行分析获得数据,这将有利于设计知识和经验的继承,而且通过直接提取相似实例得到产品结构性以满足产品快速报价的需求。
2 面向MC的产品网络化CAE平台
基于网络的CAE系统是在上述思想指导下开发的一个为大规模定制型企业提供产品快速分析和相关技术支持的服务平台。
2.1 Web-Based-CAE系统构架
图2为系统基本层次结构示意图,采用基于B/S(Browser/Server)模式的三层功能体系结构,其中应用层是系统通过浏览器为企业或用户提供CAE服务功能的交互接口,用户通过浏览器可以使用系统提供的CAE分析功能并获得专家知识服务。中间层主要功能是将用户操作过程和提交的模型分析参数及相关数据翻译成系统可识别的语言和数据格式,并提交到底层完成相应操作;同时将操作结果翻译成用户语言并发送到用户浏览器。系统的核心是执行层,其主要功能是根据用户需求和控制指令完成相应的有限元分析任务,包括模型提取,根据任务要求进行模型修改,然后交求解器计算,后处理过程中也是将所需参数、结果图形提取出来返回专家评价或直接通过网络返回用户,上述过程是在企业产品模型与分析知识库(主要包括模型库、材料库和知识库等)和系统的分析过程实例知识库(实例数据和分析过程信息等)的支持下完成的,模型分析过程的实现是基于MSC.Patran的开发语言PCL和VC++完成的。
图2 系统平台框架结构
2.2 模板化、参数化和智能化分析过程的实现
为实现分析过程的模板化和参数化,按照有限元分析的过程、阶段组织产品分析过程中用到的模型和数据,如图3所示,将参数化分析模型划分为参数定义、几何建模、网格划分、载荷施加以及求解、后处理几个部分。之所以将建模过程分为这几个部分,是为了便于数据管理和与操作者的信息交互。ANSYS为分析模型参数化建模提供了APDL语言,MSC.Patran提供了PCL语言,二者都是类似于C和Fortran的用于二次开发的编程语言,因此都可以实现分析对象的参数化建模和对分析过程的控制。
下面以MSC.PCL为例说明系统如何实现上述标准化的分析过程。
首先将参数化分析模型中的所有参数提取出来,这些参数分为结构参数、材料属性参数、网格控制参数和载荷参数等,将其作为模型数据存入相应数据库中,同时与这些参数相关的信息如参数取值约束、经验数据等也被存入相应数据库中,这样就可以在分析过程中为操作者提供相关的知识信息支持。
图3 有限元远程分析基本流程
客户通过网页选取需要分析的模型并定义相关的参数数据,将这些数据信息通过网络提交给分析服务器,CAE分析服务器中采用以VC++开发的服务器组件从数据库中提取相应数据,并根据所存储的信息实时反馈给客户,以修改相关数据,直至客户确认信息无误,所有数据将经过服务器组件处理,生成Patran所需要的文件格式,然后由客户端发出控制指令控制相应的服务器组件启动分析软件进行分析计算。分析计算结束,服务器组件提取结果数据,并将其按照一定格式发回客户端。计算结果的提取是根据分析对象和分析方法确定的,如对于结构静态分析,用户关心的一般是应力、应变的最大值及其发生部位等。
服务器对客户端所提交功能操作的响应是通过后台运行的自动化Com组件实现的。其中,处理客户与服务器数据库之间数据信息的管理和操作由数据库管理组件DataManage负责,其主要的接口方法包括负责与数据库的通信,根据客户需求实现对数据库的读写操作,数据库采用SQL Server;对分析知识的管理和操作由知识管理组件KnowldgeManage完成,知识库采用面向对象数据与关系数据库结合的方法组织;另外,对相关CAE软件及其二次开发模块的操作则有分析控制组件AnalysisManage实现,该组件主要是根据客户提交以及系统数据库处理结果实现对CAE软件的相关操作和控制,最终实现CAE分析过程。使用ASP脚本可调用Com组件的相关方法和属性,用户登陆系统后,使用Server对象的CreateObject方法创建一个分析过程组件的实例,然后将该组件实例存放在内置的Session对象中,这样在整个Session中ASP页面都可以使用此组件实例。
3 应用实例
以大规模定制化生产的摩托车产品为对象,并以其组成部件一车把的分析为例阐述实现网络化CAE的实现过程。图4所示为某型号摩托车车把模型,由六个基础零件组成。以该型号为基型可衍生出多个派生产品。
图4 某型号摩托车车把模型
对于注册用户,系统根据分析对象类型和用户类型提供多种交互方法实现产品的远程分析,其中最常用的有以下两种:①对于已定义并注册的零部件或产品模型,用户可以通过选择相应的标准分析模型开始分析定义过程,这种标准分析模型是预定义的一些具有标准几何拓扑结构的零部件或产品的有限元分析模型,这些模型在大规模定制化产品中占有比例较高,基于网络按照标准的分析过程对这些预定义的分析模型进行变型设计和分析,将大大提高产品设计分析的效率。②对于专用零部件或具有复杂结构的分析模型,系统可通过网页将客户分析要求和相应的CAD或CAE模型上传至服务器由专业人员进行分析。
以图5所示的某车把模型为例说明第一种分析方法的具体实现过程。该模型是图4所示摩托车车把的变型产品,为已在系统中注册的标准模型,即用户可直接从应用服务器数据库中提取该零件的分析模型文件及相应的数据进行分析。该模型为参数化分析模型,其参数分为:几何结构参数r如图5中所示参数,由于视图限制图中只标注部分参数)、材料属性参数、网格控制参数和载荷参数等。根据零部件结构分析,上述参数又可分为主参数(设计要求驱动的独立参数)和被驱动参数(参数链驱动的参数)。这些参数已在模型注册时输入服务器系统的数据库和文件库中。
本例为计算图5所示车把的固有频率。首先,用户在客户端根据设计参数进行分析模型查询,服务器将相应分析模型的相关参数和信息通过网络传递给用户,由用户根据系统提示和帮助来定义模型分析过程中涉及到的所有参数的取值,在此过程中,这些信息数据被提交给服务器,并由系统后台控制程序响应用户操作生成分析所需要的数据文件,并提交Patran/Nastran进行处理计算。
图5 某车把有限元分析模型及其关键参数
下表第二列为系统分析结果。图6所示为该车把的一阶振型图。上述分析结果可以以数据、图片和动画等形式通过网页返回给用户。另外,表中还列出该模型经专家分析计算的结果,与应用远程CAE系统进行标准化分析的结果比较,可见两者的分析结果基本吻合。
表1 车把有限元分析结果对比
图6 车把有限元计算一阶振型
实际应用表明,该系统可根据不同企业需求定制相应的服务,实现大规模定制化产品的远程分析与技术服务。下一步研究的重点是,在完善对大规模定制产品的标准参数化分析模型的处理之后,提高系统对分析对象模型的适应能力,即提高用户和系统服务器的交互能力,使之能够处理具有一定复杂程度结构模型的能力。
4 结论
当前,网络对产品的营销、服务以及开发、设计和制造等几乎生命周期所有活动产生着越来越广泛和深入的影响,网络化制造、CPC(网络协同商务)和网络协同设计等都对成为研究热点和发展趋势。以大规模定制产品为对象,介绍了实现网络化协同CAE和提供CAE服务的方法和技术,目的在于探讨提高CAE技术在我国中小型企业的普及使用和技术服务的水平,同时也希望能够对于提高定制化产品的协同设计、协同分析与服务技术水平提供借鉴。
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