0 前言
全球化、網(wǎng)絡(luò)化、虛擬化和異地化是21世紀(jì)制造業(yè)的發(fā)展方向。激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)使得企業(yè)必須采用各種先進(jìn)設(shè)計(jì)、制造技術(shù)和工具,快速開發(fā)高質(zhì)量、低成本的創(chuàng)新產(chǎn)品。以有限元方法為代表的計(jì)算機(jī)輔助工程分析技術(shù)(CAE)作為保證產(chǎn)品性能、質(zhì)量的先進(jìn)設(shè)計(jì)方法,被廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)、熱力場(chǎng)、磁場(chǎng)和流體等分析,是保證產(chǎn)品質(zhì)量、提高性能、降低成本的有效工具,受到越來越多企業(yè)的關(guān)注和重視。然而,昂貴的CAE系統(tǒng)以及復(fù)雜的建模和分析過程使多數(shù)企業(yè)在經(jīng)濟(jì)和技術(shù)上難以承受。因此,研究基于網(wǎng)絡(luò)的有限元服務(wù)系統(tǒng)成為CAE技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用推廣的趨勢(shì)之一。
當(dāng)前,產(chǎn)品個(gè)性化、多樣化已成為市場(chǎng)主導(dǎo),大批量定制方式將取代大批量生產(chǎn)成為主流生產(chǎn)模式。大批量定制的目的是以大規(guī)模生產(chǎn)的效益(低成本和短交貨期)生產(chǎn)客戶化產(chǎn)品,在既定產(chǎn)品、零部件主模型基礎(chǔ)上進(jìn)行變型設(shè)計(jì)和配置設(shè)計(jì)是大規(guī)模定制企業(yè)中的主要產(chǎn)品研發(fā)模式,這為實(shí)現(xiàn)基于網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同產(chǎn)品CAE系統(tǒng)提供了基礎(chǔ),即通過實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化,采用參數(shù)化、變量化分析技術(shù),建立產(chǎn)品分析模型知識(shí)庫,使企業(yè)技術(shù)人員可根據(jù)設(shè)計(jì)需求,提取相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)及其分析模型,通過標(biāo)準(zhǔn)的分析過程,經(jīng)網(wǎng)絡(luò)將分析需求數(shù)據(jù)提交到CAE服務(wù)器,使用系統(tǒng)提供的功能進(jìn)行分析并獲得結(jié)果,以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的快速響應(yīng)設(shè)計(jì)與分析;诖,提出開發(fā)面向產(chǎn)品大規(guī)模定制型企業(yè)的網(wǎng)絡(luò)化產(chǎn)品快速分析系統(tǒng)平臺(tái),以滿足該類型企業(yè)進(jìn)行高效、低成本和高質(zhì)量產(chǎn)品分析的需求。
1 產(chǎn)品分析的標(biāo)準(zhǔn)化、模板化和知識(shí)化
1.1 產(chǎn)品有限元建模的標(biāo)準(zhǔn)化、參數(shù)化
前、后處理是有限元分析技術(shù)的重點(diǎn)和難點(diǎn),建立有限元分析模型是前處理的主要任務(wù),建模方法和質(zhì)量影響著網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下協(xié)同分析的方法以及分析的速度和質(zhì)量。因此,針對(duì)特定產(chǎn)品和具體情況研究產(chǎn)品有限元建模的標(biāo)準(zhǔn)化、參數(shù)化的方法和工具是實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下產(chǎn)品分析的第一步。
大規(guī)模定制模式的產(chǎn)品開發(fā)與設(shè)計(jì)為實(shí)現(xiàn)有限元建模標(biāo)準(zhǔn)化和參數(shù)化提供了基礎(chǔ)。面向大批量定制產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)技術(shù)主要包含兩個(gè)方面的內(nèi)容:一是開發(fā)技術(shù),主要是通過完成產(chǎn)品及零部件結(jié)構(gòu)與參數(shù)分析、分類等,建立零部件主模型,進(jìn)而建立面向大批量定制的產(chǎn)品主模型(或產(chǎn)品主結(jié)構(gòu))。在大批量定制產(chǎn)品系統(tǒng)中,能夠標(biāo)準(zhǔn)化、通用化的零部件一般占總零部件數(shù)的60%以上,這種經(jīng)過了產(chǎn)品零部件充分的結(jié)構(gòu)分析和標(biāo)準(zhǔn)化將使有限元建模的標(biāo)準(zhǔn)化和參數(shù)化變得切實(shí)可行。第二,面向大批量定制的產(chǎn)品設(shè)計(jì)技術(shù),即根據(jù)客戶需求,在既有產(chǎn)品模型基礎(chǔ)上,采用配置設(shè)計(jì)或變型設(shè)計(jì)等方法快速設(shè)計(jì)出定制化的產(chǎn)品。基于標(biāo)準(zhǔn)分析模型進(jìn)行產(chǎn)品結(jié)構(gòu)快速分析是實(shí)現(xiàn)快速配置和變型設(shè)計(jì)的基本要求之一。
實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品零部件結(jié)構(gòu)有限元模型標(biāo)準(zhǔn)化、參數(shù)化的要求和方法與大規(guī)模定制系統(tǒng)中產(chǎn)品零部件主模型的建立不盡相同。首先,對(duì)有限元建模的要求將影響分析目的的結(jié)構(gòu)充分表達(dá),這樣可以簡化分析復(fù)雜程度、提高效率:其次,有限元參數(shù)化建模一般需要根據(jù)所使用的CAE分析軟件平臺(tái)進(jìn)行相應(yīng)的二次開發(fā)以提高建模和管理的效率。如ANSYS提供了APDL語言,MSC.Patran提供了PCL語言,可用于相應(yīng)的開發(fā)工作。
1.2 分析過程的模板化和規(guī)范化
有限元分析有著基本固定的執(zhí)行順序,一般為幾何建模、網(wǎng)格劃分、施加載荷、選擇分析方法和程序、后處理等,但具體到每一個(gè)步驟,對(duì)于不同類型分析對(duì)象的不同條件,其實(shí)施的具體方法和過程也會(huì)不同,譬如一般的CAE軟件都會(huì)提供多種幾何建模方法,或通過標(biāo)準(zhǔn)接口從其他CAD模型中導(dǎo)入,或直接在CAE軟件界面中通過操作建模,或通過系統(tǒng)提供的編程語言進(jìn)行建模等;而且由于分析水平和熟練程度的不同,使得CAE分析使用人員對(duì)分析過程的控制和參與程度不同;特別是對(duì)于不同的研究對(duì)象需要不同的功能需求,如對(duì)于焊接過程的仿真分析,由于涉及到熱一力一輻射等多個(gè)場(chǎng)耦合分析,其分析過程比一般結(jié)構(gòu)分析過程復(fù)雜。
在網(wǎng)絡(luò)化CAE分析平臺(tái)中,需要針對(duì)不同情況、不同使用對(duì)象定制相應(yīng)的分析模板,使不同的操作者可以根據(jù)自己的需要和習(xí)慣,在系統(tǒng)分析模板的導(dǎo)航下順利開展工作。從而提高網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下進(jìn)行產(chǎn)品協(xié)同分析的效率,降低分析過程的復(fù)雜程度。
1.3 分析智能化與知識(shí)重用
有限元分析過程是一個(gè)復(fù)雜的信息處理過程,該過程中需要使用者不但要處理大量數(shù)據(jù),還要對(duì)分析過程中出現(xiàn)的現(xiàn)象、結(jié)果進(jìn)行判斷,及時(shí)修正分析過程。因此,作為提供有限元分析服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)化CAE系統(tǒng)應(yīng)能夠?yàn)樵O(shè)計(jì)者提供分析過程的支持和幫助。
大規(guī)模定制型產(chǎn)品內(nèi)的多數(shù)零部件是基于主模型的參數(shù)變型或功能變型組合零部件,對(duì)這類產(chǎn)品或零部件的分析可以采用變量化方法事先分析得到其結(jié)構(gòu)與性能參數(shù)之間的關(guān)系,這種關(guān)系可以以具體的參數(shù)數(shù)據(jù)形式存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫中,為后續(xù)分析提供支持和參考。
圖1描述的就是這種經(jīng)過變量化分析得到的數(shù)控機(jī)床立柱基本結(jié)構(gòu)的參數(shù)一性能關(guān)系,其結(jié)構(gòu)內(nèi)部圓柱面直徑d和元結(jié)構(gòu)端面的邊長口為關(guān)鍵尺寸,分析其比值d/a與結(jié)構(gòu)固有頻率之間的關(guān)系(見圖1中曲線圖)可以為設(shè)計(jì)和分析提供指導(dǎo)和幫助,當(dāng)d/a從0.1到1變化時(shí),對(duì)應(yīng)的元結(jié)構(gòu)的前3階固有頻率,在頻率最低點(diǎn)A附近,元結(jié)構(gòu)的振型發(fā)生變化,之前為沿元結(jié)構(gòu)對(duì)角線方向的搖擺振動(dòng),之后是元結(jié)構(gòu)前后、左右面方向的搖擺振動(dòng)。將圖1中的分析實(shí)例及其參數(shù)一性能數(shù)據(jù)作為設(shè)計(jì)知識(shí)以一定的格式存入數(shù)據(jù)庫中已備后續(xù)設(shè)計(jì)分析參考、使用,將有效提高設(shè)計(jì)、分析效率。
圖1 機(jī)床立柱基本結(jié)構(gòu)及其固有頻率變化曲線圖
由此可見,分析實(shí)例、經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)的有效重用也是輔助分析的重要方法。企業(yè)可以根據(jù)情況建立產(chǎn)品分析實(shí)例庫,將以往一些典型零部件、產(chǎn)品的分析結(jié)果和過程作為知識(shí)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫中,也可以通過分析專家對(duì)產(chǎn)品或零部件進(jìn)行分析獲得數(shù)據(jù),這將有利于設(shè)計(jì)知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)的繼承,而且通過直接提取相似實(shí)例得到產(chǎn)品結(jié)構(gòu)性以滿足產(chǎn)品快速報(bào)價(jià)的需求。
2 面向MC的產(chǎn)品網(wǎng)絡(luò)化CAE平臺(tái)
基于網(wǎng)絡(luò)的CAE系統(tǒng)是在上述思想指導(dǎo)下開發(fā)的一個(gè)為大規(guī)模定制型企業(yè)提供產(chǎn)品快速分析和相關(guān)技術(shù)支持的服務(wù)平臺(tái)。
2.1 Web-Based-CAE系統(tǒng)構(gòu)架
圖2為系統(tǒng)基本層次結(jié)構(gòu)示意圖,采用基于B/S(Browser/Server)模式的三層功能體系結(jié)構(gòu),其中應(yīng)用層是系統(tǒng)通過瀏覽器為企業(yè)或用戶提供CAE服務(wù)功能的交互接口,用戶通過瀏覽器可以使用系統(tǒng)提供的CAE分析功能并獲得專家知識(shí)服務(wù)。中間層主要功能是將用戶操作過程和提交的模型分析參數(shù)及相關(guān)數(shù)據(jù)翻譯成系統(tǒng)可識(shí)別的語言和數(shù)據(jù)格式,并提交到底層完成相應(yīng)操作;同時(shí)將操作結(jié)果翻譯成用戶語言并發(fā)送到用戶瀏覽器。系統(tǒng)的核心是執(zhí)行層,其主要功能是根據(jù)用戶需求和控制指令完成相應(yīng)的有限元分析任務(wù),包括模型提取,根據(jù)任務(wù)要求進(jìn)行模型修改,然后交求解器計(jì)算,后處理過程中也是將所需參數(shù)、結(jié)果圖形提取出來返回專家評(píng)價(jià)或直接通過網(wǎng)絡(luò)返回用戶,上述過程是在企業(yè)產(chǎn)品模型與分析知識(shí)庫(主要包括模型庫、材料庫和知識(shí)庫等)和系統(tǒng)的分析過程實(shí)例知識(shí)庫(實(shí)例數(shù)據(jù)和分析過程信息等)的支持下完成的,模型分析過程的實(shí)現(xiàn)是基于MSC.Patran的開發(fā)語言PCL和VC++完成的。
圖2 系統(tǒng)平臺(tái)框架結(jié)構(gòu)
2.2 模板化、參數(shù)化和智能化分析過程的實(shí)現(xiàn)
為實(shí)現(xiàn)分析過程的模板化和參數(shù)化,按照有限元分析的過程、階段組織產(chǎn)品分析過程中用到的模型和數(shù)據(jù),如圖3所示,將參數(shù)化分析模型劃分為參數(shù)定義、幾何建模、網(wǎng)格劃分、載荷施加以及求解、后處理幾個(gè)部分。之所以將建模過程分為這幾個(gè)部分,是為了便于數(shù)據(jù)管理和與操作者的信息交互。ANSYS為分析模型參數(shù)化建模提供了APDL語言,MSC.Patran提供了PCL語言,二者都是類似于C和Fortran的用于二次開發(fā)的編程語言,因此都可以實(shí)現(xiàn)分析對(duì)象的參數(shù)化建模和對(duì)分析過程的控制。
下面以MSC.PCL為例說明系統(tǒng)如何實(shí)現(xiàn)上述標(biāo)準(zhǔn)化的分析過程。
首先將參數(shù)化分析模型中的所有參數(shù)提取出來,這些參數(shù)分為結(jié)構(gòu)參數(shù)、材料屬性參數(shù)、網(wǎng)格控制參數(shù)和載荷參數(shù)等,將其作為模型數(shù)據(jù)存入相應(yīng)數(shù)據(jù)庫中,同時(shí)與這些參數(shù)相關(guān)的信息如參數(shù)取值約束、經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)等也被存入相應(yīng)數(shù)據(jù)庫中,這樣就可以在分析過程中為操作者提供相關(guān)的知識(shí)信息支持。
圖3 有限元遠(yuǎn)程分析基本流程
客戶通過網(wǎng)頁選取需要分析的模型并定義相關(guān)的參數(shù)數(shù)據(jù),將這些數(shù)據(jù)信息通過網(wǎng)絡(luò)提交給分析服務(wù)器,CAE分析服務(wù)器中采用以VC++開發(fā)的服務(wù)器組件從數(shù)據(jù)庫中提取相應(yīng)數(shù)據(jù),并根據(jù)所存儲(chǔ)的信息實(shí)時(shí)反饋給客戶,以修改相關(guān)數(shù)據(jù),直至客戶確認(rèn)信息無誤,所有數(shù)據(jù)將經(jīng)過服務(wù)器組件處理,生成Patran所需要的文件格式,然后由客戶端發(fā)出控制指令控制相應(yīng)的服務(wù)器組件啟動(dòng)分析軟件進(jìn)行分析計(jì)算。分析計(jì)算結(jié)束,服務(wù)器組件提取結(jié)果數(shù)據(jù),并將其按照一定格式發(fā)回客戶端。計(jì)算結(jié)果的提取是根據(jù)分析對(duì)象和分析方法確定的,如對(duì)于結(jié)構(gòu)靜態(tài)分析,用戶關(guān)心的一般是應(yīng)力、應(yīng)變的最大值及其發(fā)生部位等。
服務(wù)器對(duì)客戶端所提交功能操作的響應(yīng)是通過后臺(tái)運(yùn)行的自動(dòng)化Com組件實(shí)現(xiàn)的。其中,處理客戶與服務(wù)器數(shù)據(jù)庫之間數(shù)據(jù)信息的管理和操作由數(shù)據(jù)庫管理組件DataManage負(fù)責(zé),其主要的接口方法包括負(fù)責(zé)與數(shù)據(jù)庫的通信,根據(jù)客戶需求實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)庫的讀寫操作,數(shù)據(jù)庫采用SQL Server;對(duì)分析知識(shí)的管理和操作由知識(shí)管理組件KnowldgeManage完成,知識(shí)庫采用面向?qū)ο髷?shù)據(jù)與關(guān)系數(shù)據(jù)庫結(jié)合的方法組織;另外,對(duì)相關(guān)CAE軟件及其二次開發(fā)模塊的操作則有分析控制組件AnalysisManage實(shí)現(xiàn),該組件主要是根據(jù)客戶提交以及系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫處理結(jié)果實(shí)現(xiàn)對(duì)CAE軟件的相關(guān)操作和控制,最終實(shí)現(xiàn)CAE分析過程。使用ASP腳本可調(diào)用Com組件的相關(guān)方法和屬性,用戶登陸系統(tǒng)后,使用Server對(duì)象的CreateObject方法創(chuàng)建一個(gè)分析過程組件的實(shí)例,然后將該組件實(shí)例存放在內(nèi)置的Session對(duì)象中,這樣在整個(gè)Session中ASP頁面都可以使用此組件實(shí)例。
3 應(yīng)用實(shí)例
以大規(guī)模定制化生產(chǎn)的摩托車產(chǎn)品為對(duì)象,并以其組成部件一車把的分析為例闡述實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化CAE的實(shí)現(xiàn)過程。圖4所示為某型號(hào)摩托車車把模型,由六個(gè)基礎(chǔ)零件組成。以該型號(hào)為基型可衍生出多個(gè)派生產(chǎn)品。
圖4 某型號(hào)摩托車車把模型
對(duì)于注冊(cè)用戶,系統(tǒng)根據(jù)分析對(duì)象類型和用戶類型提供多種交互方法實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的遠(yuǎn)程分析,其中最常用的有以下兩種:①對(duì)于已定義并注冊(cè)的零部件或產(chǎn)品模型,用戶可以通過選擇相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)分析模型開始分析定義過程,這種標(biāo)準(zhǔn)分析模型是預(yù)定義的一些具有標(biāo)準(zhǔn)幾何拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的零部件或產(chǎn)品的有限元分析模型,這些模型在大規(guī)模定制化產(chǎn)品中占有比例較高,基于網(wǎng)絡(luò)按照標(biāo)準(zhǔn)的分析過程對(duì)這些預(yù)定義的分析模型進(jìn)行變型設(shè)計(jì)和分析,將大大提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)分析的效率。②對(duì)于專用零部件或具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的分析模型,系統(tǒng)可通過網(wǎng)頁將客戶分析要求和相應(yīng)的CAD或CAE模型上傳至服務(wù)器由專業(yè)人員進(jìn)行分析。
以圖5所示的某車把模型為例說明第一種分析方法的具體實(shí)現(xiàn)過程。該模型是圖4所示摩托車車把的變型產(chǎn)品,為已在系統(tǒng)中注冊(cè)的標(biāo)準(zhǔn)模型,即用戶可直接從應(yīng)用服務(wù)器數(shù)據(jù)庫中提取該零件的分析模型文件及相應(yīng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。該模型為參數(shù)化分析模型,其參數(shù)分為:幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)r如圖5中所示參數(shù),由于視圖限制圖中只標(biāo)注部分參數(shù))、材料屬性參數(shù)、網(wǎng)格控制參數(shù)和載荷參數(shù)等。根據(jù)零部件結(jié)構(gòu)分析,上述參數(shù)又可分為主參數(shù)(設(shè)計(jì)要求驅(qū)動(dòng)的獨(dú)立參數(shù))和被驅(qū)動(dòng)參數(shù)(參數(shù)鏈驅(qū)動(dòng)的參數(shù))。這些參數(shù)已在模型注冊(cè)時(shí)輸入服務(wù)器系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫和文件庫中。
本例為計(jì)算圖5所示車把的固有頻率。首先,用戶在客戶端根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行分析模型查詢,服務(wù)器將相應(yīng)分析模型的相關(guān)參數(shù)和信息通過網(wǎng)絡(luò)傳遞給用戶,由用戶根據(jù)系統(tǒng)提示和幫助來定義模型分析過程中涉及到的所有參數(shù)的取值,在此過程中,這些信息數(shù)據(jù)被提交給服務(wù)器,并由系統(tǒng)后臺(tái)控制程序響應(yīng)用戶操作生成分析所需要的數(shù)據(jù)文件,并提交Patran/Nastran進(jìn)行處理計(jì)算。
圖5 某車把有限元分析模型及其關(guān)鍵參數(shù)
下表第二列為系統(tǒng)分析結(jié)果。圖6所示為該車把的一階振型圖。上述分析結(jié)果可以以數(shù)據(jù)、圖片和動(dòng)畫等形式通過網(wǎng)頁返回給用戶。另外,表中還列出該模型經(jīng)專家分析計(jì)算的結(jié)果,與應(yīng)用遠(yuǎn)程CAE系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化分析的結(jié)果比較,可見兩者的分析結(jié)果基本吻合。
表1 車把有限元分析結(jié)果對(duì)比
圖6 車把有限元計(jì)算一階振型
實(shí)際應(yīng)用表明,該系統(tǒng)可根據(jù)不同企業(yè)需求定制相應(yīng)的服務(wù),實(shí)現(xiàn)大規(guī)模定制化產(chǎn)品的遠(yuǎn)程分析與技術(shù)服務(wù)。下一步研究的重點(diǎn)是,在完善對(duì)大規(guī)模定制產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)化分析模型的處理之后,提高系統(tǒng)對(duì)分析對(duì)象模型的適應(yīng)能力,即提高用戶和系統(tǒng)服務(wù)器的交互能力,使之能夠處理具有一定復(fù)雜程度結(jié)構(gòu)模型的能力。
4 結(jié)論
當(dāng)前,網(wǎng)絡(luò)對(duì)產(chǎn)品的營銷、服務(wù)以及開發(fā)、設(shè)計(jì)和制造等幾乎生命周期所有活動(dòng)產(chǎn)生著越來越廣泛和深入的影響,網(wǎng)絡(luò)化制造、CPC(網(wǎng)絡(luò)協(xié)同商務(wù))和網(wǎng)絡(luò)協(xié)同設(shè)計(jì)等都對(duì)成為研究熱點(diǎn)和發(fā)展趨勢(shì)。以大規(guī)模定制產(chǎn)品為對(duì)象,介紹了實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同CAE和提供CAE服務(wù)的方法和技術(shù),目的在于探討提高CAE技術(shù)在我國中小型企業(yè)的普及使用和技術(shù)服務(wù)的水平,同時(shí)也希望能夠?qū)τ谔岣叨ㄖ苹a(chǎn)品的協(xié)同設(shè)計(jì)、協(xié)同分析與服務(wù)技術(shù)水平提供借鑒。
核心關(guān)注:拓步ERP系統(tǒng)平臺(tái)是覆蓋了眾多的業(yè)務(wù)領(lǐng)域、行業(yè)應(yīng)用,蘊(yùn)涵了豐富的ERP管理思想,集成了ERP軟件業(yè)務(wù)管理理念,功能涉及供應(yīng)鏈、成本、制造、CRM、HR等眾多業(yè)務(wù)領(lǐng)域的管理,全面涵蓋了企業(yè)關(guān)注ERP管理系統(tǒng)的核心領(lǐng)域,是眾多中小企業(yè)信息化建設(shè)首選的ERP管理軟件信賴品牌。
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本文標(biāo)題:面向大規(guī)模定制的網(wǎng)絡(luò)化CAE系統(tǒng)研究與應(yīng)用
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