馬成龍，張?jiān)Q，陸佳煒，邱華年，高 飛，肖 剛，

在全球一體化的背景下，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈，制造業(yè)面臨著前所未有的機(jī)遇與挑戰(zhàn)，迫切需要提高制造企業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力。中小企業(yè)通過(guò)組建產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟來(lái)提高產(chǎn)業(yè)的整體設(shè)計(jì)能力是一種有效的合作模式［1］，產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟(Industry Alliance)是指出于確保合作各方的市場(chǎng)優(yōu)勢(shì)，尋求新的規(guī)模、標(biāo)準(zhǔn)、機(jī)能或定位，應(yīng)對(duì)共同的競(jìng)爭(zhēng)者或?qū)I(yè)務(wù)推向新領(lǐng)域等目的，企業(yè)間結(jié)成的互相協(xié)作和資源整合的一種合作模式。產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟有其自身的特點(diǎn)，聯(lián)盟成員限于某一行業(yè)內(nèi)的企業(yè)或是同一產(chǎn)業(yè)鏈各個(gè)組成部分的跨行業(yè)企業(yè)，能以較低的風(fēng)險(xiǎn)實(shí)現(xiàn)較大范圍的資源調(diào)配，從而成為企業(yè)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)、拓展發(fā)展空間、提高產(chǎn)業(yè)或行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力、實(shí)現(xiàn)超常規(guī)發(fā)展的重要手段。有限元分析方法是企業(yè)為保證開發(fā)的產(chǎn)品達(dá)到設(shè)計(jì)性能要求的重要手段，但由于購(gòu)買有限元軟件的費(fèi)用比較高，有限元分析系統(tǒng)對(duì)運(yùn)行環(huán)境和技術(shù)人員的要求很高，一般中小型企業(yè)，甚至部分大企業(yè)都缺乏進(jìn)行產(chǎn)品有限元分析的能力。將有限元分析部署到數(shù)字化設(shè)計(jì)服務(wù)平臺(tái)中，為企業(yè)提高共享的產(chǎn)品性能分析服務(wù)，將大大提高企業(yè)利用有限元分析的能力，從而提升企業(yè)新產(chǎn)品設(shè)計(jì)的能力。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者在遠(yuǎn)程有限元分析方面也做了一些研究，例如RANGAK等開發(fā)了一種基于Java和VRML的有限元分析技術(shù);黎業(yè)飛等提出了一種基于Internet的有限元遠(yuǎn)程分析技術(shù)［2］，利用商業(yè)有限元軟件作為求解器，構(gòu)建了一個(gè)原型系統(tǒng);張莉等實(shí)現(xiàn)了異地企業(yè)間的遠(yuǎn)程有限元分析［3］;Mackie提出了一種面向服務(wù)架構(gòu)的有限元分析方法［4］。這些研究面向單個(gè)或幾個(gè)企業(yè)，沒有對(duì)某一行業(yè)內(nèi)的企業(yè)或同一產(chǎn)業(yè)鏈各個(gè)組成企業(yè)的產(chǎn)品特征進(jìn)行充分的提取，不適合服務(wù)于產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，未能達(dá)到企業(yè)通過(guò)組建產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟來(lái)提高整個(gè)產(chǎn)業(yè)設(shè)計(jì)水平的目的。產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟里企業(yè)的產(chǎn)品具有以下特征:產(chǎn)品類別具有相似性，同一類別產(chǎn)品型號(hào)的分類標(biāo)準(zhǔn)具有一致性，同一型號(hào)產(chǎn)品的尺寸、結(jié)構(gòu)形式和功能具有通用性，同一型號(hào)產(chǎn)品承力特點(diǎn)類似，但在結(jié)構(gòu)上也存在變形設(shè)計(jì)。為此，本文提出了一種基于有限元協(xié)同分析的不同構(gòu)產(chǎn)品的遠(yuǎn)程有限元分析方法，對(duì)聯(lián)盟成員的產(chǎn)品進(jìn)行分析和處理后，提取共性特征封裝成有限元分析模板，并將分析結(jié)果以三維可視化形式顯示給用戶。

1 遠(yuǎn)程有限元服務(wù)平臺(tái)架構(gòu)

根據(jù)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟的特點(diǎn)，系統(tǒng)采用 B/S結(jié)構(gòu)(Browser/Server，瀏覽器/服務(wù)器模式)利用 Web Service技術(shù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程有限元分析［5］。從結(jié)構(gòu)上來(lái)劃分，將遠(yuǎn)程有限元服務(wù)平臺(tái)大體可分為終端客戶層、服務(wù)功能層和數(shù)據(jù)資源層3個(gè)層次，如圖1所示。

圖1 遠(yuǎn)程有限元協(xié)同服務(wù)平臺(tái)架構(gòu)

a.終端客戶層。該層是產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟成員企業(yè)進(jìn)行有限元分析的信息交互界面。各個(gè)成員企業(yè)可根據(jù)自己申請(qǐng)的權(quán)限通過(guò)Web瀏覽器登錄和獲取遠(yuǎn)程有限元分析服務(wù)，用戶權(quán)限由系統(tǒng)管理員管理和分配。

b.服務(wù)功能層。該層是平臺(tái)的核心部分，將功能劃分為幾何模型的構(gòu)建模塊、命令流文件的生成模塊、有限元模型轉(zhuǎn)換模塊、分析計(jì)算模塊和結(jié)果可視化模塊，共5個(gè)模塊，各個(gè)模塊通過(guò)平臺(tái)統(tǒng)一調(diào)配完成分析。幾何模型是有限元分析的對(duì)象，幾何模型通過(guò)命令流控制實(shí)現(xiàn)到有限元模型的轉(zhuǎn)換和分析計(jì)算，最后將分析結(jié)果利用科學(xué)可視化技術(shù)進(jìn)行三維云圖的顯示。

c.數(shù)據(jù)資源層。數(shù)據(jù)資源層包括聯(lián)盟成員企業(yè)用戶信息庫(kù)、幾何模板庫(kù)、有限元模板庫(kù)、分析結(jié)果數(shù)據(jù)庫(kù)。幾何模板庫(kù)儲(chǔ)存產(chǎn)品類型和參數(shù)化幾何模板等;有限元模板庫(kù)包含材料屬性、載荷信息、網(wǎng)格劃分信息等的參數(shù)化命令流文件和初始有限元模型;分析結(jié)果數(shù)據(jù)庫(kù)儲(chǔ)存分析結(jié)果的幾何模型和應(yīng)力位移。

2 遠(yuǎn)程有限元協(xié)同仿真工作流程

ANSYSWorkbench不僅繼承了經(jīng)典平臺(tái)(ANSYSClassic)在有限元分析上的所有功能，還能真正提供協(xié)同環(huán)境。Workbench的CAD/CAE協(xié)同環(huán)境可以很好地實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、仿真分析的協(xié)同管理，通過(guò)鏈接的方式共享幾何模型數(shù)據(jù)，包括尺寸、尺寸參數(shù)和裝配參數(shù)等，可以實(shí)現(xiàn)雙向參數(shù)互動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)－仿真的同步協(xié)同［6－7］。協(xié)同分析環(huán)境如圖2所示。

圖2 協(xié)同分析環(huán)境

前處理是建立有限元模型，完成單元網(wǎng)格劃分，施加約束載荷;后處理則是采集處理分析結(jié)果，使用戶能方便地提取信息，了解計(jì)算結(jié)果。成員企業(yè)根據(jù)需要分析的產(chǎn)品選擇相應(yīng)的模板，通過(guò)傳遞企業(yè)內(nèi)部模型或參數(shù)化建模完成幾何模型的構(gòu)建。服務(wù)功能層調(diào)用參數(shù)化的命令流文件，在協(xié)同分析環(huán)境中實(shí)現(xiàn)有限元模型轉(zhuǎn)換及有限元模型的分析計(jì)算，最終結(jié)果利用科學(xué)可視化技術(shù)進(jìn)行三維展示。有限元服務(wù)工作流程如圖3所示。

圖3 遠(yuǎn)程有限元服務(wù)工作流程

用戶首先對(duì)產(chǎn)品模板進(jìn)行選型，根據(jù)用戶選擇的模板調(diào)用對(duì)應(yīng)的信息交互界面。通過(guò)參數(shù)化建?；蚰Ｐ蛡鬟f完成幾何模型的構(gòu)建，其中企業(yè)傳遞三維模型構(gòu)建幾何模型的方法，實(shí)現(xiàn)邊界條件相同而結(jié)構(gòu)不同產(chǎn)品的有限元分析。模型轉(zhuǎn)化器是平臺(tái)的核心，實(shí)現(xiàn)幾何模型到有限元模型的轉(zhuǎn)換，以命令流控制的形式自動(dòng)完成有限元模型的輸出。有限元軟件對(duì)輸出的有限元模型進(jìn)行分析計(jì)算，分析結(jié)果運(yùn)用WebGL技術(shù)，將單元和節(jié)點(diǎn)的受力和變形情況以云圖的形式直觀地顯示出來(lái)［8－9］。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 模板提取及選型

模板化技術(shù)是將同類問(wèn)題的共同點(diǎn)提取出來(lái)，經(jīng)過(guò)處理，按照一定的格式記錄并保存起來(lái)，包含不可編輯的固定結(jié)構(gòu)和可編輯的參數(shù)。有限元分析模板技術(shù)是將幾何模型和有限元模型封裝固化。對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析和歸類，提取不變的結(jié)構(gòu)構(gòu)型和可變的尺寸參數(shù)保存為幾何模型模板。有限元模板則是按照產(chǎn)品結(jié)構(gòu)構(gòu)型和承力特點(diǎn)，分析各特征結(jié)構(gòu)的力學(xué)模型、材料屬性、網(wǎng)格劃分方法和約束載荷等，將這些處理過(guò)程規(guī)范化形成固定的方法步驟，并將可變部分參數(shù)化。

平臺(tái)提供選擇有限元分析模板的交互界面，用戶選擇目標(biāo)產(chǎn)品的類型和型號(hào)，通過(guò)服務(wù)功能層統(tǒng)一調(diào)配，從數(shù)據(jù)資源庫(kù)中調(diào)用目標(biāo)產(chǎn)品的幾何模板和有限元模板以及模板對(duì)應(yīng)的參數(shù)輸入界面，完成模板選型。

3.2 幾何模型構(gòu)建與邊界條件標(biāo)定

實(shí)現(xiàn)有限元協(xié)同仿真的關(guān)鍵是產(chǎn)品幾何模型的共享，技術(shù)方法上有2種處理思路:(1)充分利用CAD軟件系統(tǒng)強(qiáng)大的幾何造型功能構(gòu)建幾何模型，在有限元協(xié)同仿真環(huán)境中，通過(guò)連接技術(shù)實(shí)現(xiàn)與CAD軟件之間幾何模型的轉(zhuǎn)換;(2)直接在CAE系統(tǒng)中利用其提供的CAD建模功能構(gòu)建幾何模型。由于在中小企業(yè)中有限元軟件應(yīng)用不廣，所以在CAE系統(tǒng)中構(gòu)建幾何模型的方法不適合在聯(lián)盟成員中應(yīng)用。本研究采用方法(1)，即充分利用CAD系統(tǒng)來(lái)構(gòu)建幾何模型。

在本平臺(tái)中CAD系統(tǒng)創(chuàng)建幾何模型的方法有2種，一種以參數(shù)化模板的形式進(jìn)行參數(shù)化建模，此方法無(wú)需企業(yè)內(nèi)部的CAD系統(tǒng)，在服務(wù)器端完成幾何模型的構(gòu)建;另一種是通過(guò)企業(yè)傳遞幾何模型到數(shù)據(jù)庫(kù)，此方法充分利用了ANSYS協(xié)同仿真環(huán)境，實(shí)現(xiàn)不同構(gòu)產(chǎn)品的有限元分析。利用有限元協(xié)同分析環(huán)境將幾何模型轉(zhuǎn)化成有限元模型時(shí)需要在幾何模型中做必要的標(biāo)定，即對(duì)幾何模型進(jìn)行預(yù)處理，以便導(dǎo)入ANSYS Workbench后準(zhǔn)確定位到施加邊界條件的點(diǎn)線面，因此在幾何模型中需插入相應(yīng)的局部坐標(biāo)系。局部坐標(biāo)系的插入位置會(huì)在客戶端以圖形方式告訴用戶。根據(jù)局部坐標(biāo)系查找點(diǎn)線面的具體方法見表1。

表1 局部坐標(biāo)系查找點(diǎn)線面

3.3 有限元模型轉(zhuǎn)換

模型轉(zhuǎn)換器需要有限元參數(shù)、幾何模型和有限元模板3個(gè)輸入變量。服務(wù)使用者構(gòu)建幾何模型，服務(wù)提供者將有限元模型封裝固化為模板，并提取模板參數(shù)，作為輸入。模型轉(zhuǎn)換器由有限元分析軟件、接口文件及固化的命令流模板3部分組成。有限元分析軟件是模型轉(zhuǎn)換的載體，接口文件實(shí)現(xiàn)載體的啟動(dòng)，而命令流控制載體完成模型的轉(zhuǎn)換。模型轉(zhuǎn)換示意圖如圖4所示。

圖4 有限元模型轉(zhuǎn)換示意圖

有限元模型轉(zhuǎn)換步驟為:(1)用戶輸入?yún)?shù)，對(duì)參數(shù)的邏輯合理性進(jìn)行一定的檢查，數(shù)據(jù)合格后，按照有限元分析模板所使用的命令流文件的格式，將其中參數(shù)化的部分，用所獲取的實(shí)際數(shù)字加以代替后，生成一個(gè)新的命令流文件;(2)調(diào)用接口文件啟動(dòng)協(xié)同分析環(huán)境;(3)命令流控制幾何模型和有限元模板導(dǎo)入有限元分析軟件;(4)根據(jù)用戶輸入的參數(shù)和幾何模型對(duì)有限元模板重新劃分網(wǎng)格和施加邊界條件，實(shí)現(xiàn)用戶需求與Workbench之間的連接;(5)輸出分析計(jì)算所需的有限元模型。

3.4 結(jié)果可視化

有限元分析結(jié)果產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，往往超出了人腦分析解釋這些數(shù)據(jù)的能力，用戶從海量數(shù)據(jù)中直接獲得想要的數(shù)據(jù)是十分困難的，因此科學(xué)可視化技術(shù)成為遠(yuǎn)程有限元分析后處理中不可或缺的一部分?？茖W(xué)可視化技術(shù)是通過(guò)運(yùn)用計(jì)算機(jī)圖形圖像處理等相關(guān)技術(shù)，將科學(xué)計(jì)算過(guò)程中得到的大量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為適當(dāng)?shù)膱D形界面顯示出來(lái)，并能進(jìn)行人際交互處理的一系列理論、方法和技術(shù)。該系統(tǒng)利用WebGL技術(shù)將分析結(jié)果用三維圖形顯示出來(lái)，并支持平移、旋轉(zhuǎn)、縮放等基本操作。

WebGL是一種3D繪圖標(biāo)準(zhǔn)，這種繪圖技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)允許把 JavaScript和 OpenGL ES 2.0結(jié)合在一起，可以在任何兼容WebGL的瀏覽器中渲染交互式的3D圖形場(chǎng)景和2D圖形場(chǎng)景。

3.4.1 模型顯示渲染

WebGL提供3種基本圖元(點(diǎn)、線、三角形)，從3D圖形硬件角度來(lái)看，三角形是最基本的構(gòu)建塊。因此，將有限元模型分解成三角形圖元。本文以四面體劃分網(wǎng)格(如圖5所示)為例，四面體單元由4個(gè)面10個(gè)節(jié)點(diǎn)組成，每個(gè)面上有6個(gè)節(jié)點(diǎn)，按照?qǐng)D6所示順序?qū)⒚總€(gè)面分成4個(gè)三角形。

圖5 四面體單元圖

圖6 四面體底面連接示意圖

首先從數(shù)據(jù)庫(kù)獲取整理后的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)以xml格式傳到客戶端，客戶端通過(guò)對(duì)xml的解析得到相應(yīng)的數(shù)據(jù)完成三維模型的顯示渲染。繪制過(guò)程大體可分為，第一步根據(jù)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)(＜coor＞)畫出節(jié)點(diǎn)，第二步將應(yīng)力或位移(＜stre＞)轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的顏色，對(duì)節(jié)點(diǎn)著色，第三步根據(jù)單元內(nèi)的節(jié)點(diǎn)排序(＜elem＞)，連接點(diǎn)形成相應(yīng)的面，面組成用戶在客戶端看到的體。

xml格式如圖7所示。

3.4.2 模型消隱

圖7 xml格式

有限元分析每個(gè)模型單元個(gè)數(shù)都是十分龐大的，因此三角形數(shù)量也是巨大的。其中模型內(nèi)部的三角形占全部三角形的絕大多數(shù)，對(duì)于用戶而言，隱藏在模型內(nèi)部的三角形是不可見的，通過(guò)計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的計(jì)算能力將這些三角形對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)剔除掉，從而不對(duì)這些三角形進(jìn)行顯示渲染，這就大大提高了圖形或圖像的顯示效率。如何判斷三角形成為可視化中關(guān)鍵的一步，為此，平臺(tái)設(shè)計(jì)開發(fā)了云圖三角形可見性判斷算法，如圖8所示。

圖8 判斷面可見性方法

4 應(yīng)用實(shí)例

面向產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟的起重機(jī)數(shù)字化設(shè)計(jì)平臺(tái)，有助于提高起重機(jī)整個(gè)行業(yè)的設(shè)計(jì)水平，遠(yuǎn)程有限元分析是數(shù)字化設(shè)計(jì)平臺(tái)中非常重要的一部分。起重機(jī)的大部分載荷都是由起重機(jī)的主梁承擔(dān)，主梁由上、下蓋板和2塊腹板組成封閉箱型結(jié)構(gòu)。橋式起重機(jī)的主梁屬于對(duì)稱結(jié)構(gòu)，可以簡(jiǎn)化為對(duì)半個(gè)主梁的分析。當(dāng)滿載且小車位于主梁跨中下降制動(dòng)時(shí)應(yīng)力及變形位移最大。

系統(tǒng)提供簡(jiǎn)單清晰的交互界面，用戶根據(jù)主頁(yè)面提示完成操作。首先選擇分析的產(chǎn)品類型(主梁)及主梁型號(hào)，完成模板選型。通過(guò)對(duì)主梁三維模型預(yù)處理后，以模型傳遞的方式構(gòu)建幾何模型。然后進(jìn)行材料屬性、分析精度、載荷大小等參數(shù)輸入，生成新的命令流文件。接口文件啟動(dòng)有限元協(xié)同仿真環(huán)境完成模型的轉(zhuǎn)換，并對(duì)主梁進(jìn)行分析計(jì)算。對(duì)結(jié)果數(shù)據(jù)分析和處理后，實(shí)現(xiàn)分析結(jié)果的可視化展示。起重機(jī)主梁遠(yuǎn)程有限元分析操作頁(yè)面如圖9、圖10所示，分析結(jié)果如圖11所示。

圖9 有限元分析操作主頁(yè)面

圖10 有限元分析參數(shù)設(shè)置

圖11 有限元分析結(jié)果

5 結(jié)束語(yǔ)

本文根據(jù)有限元協(xié)同仿真環(huán)境和Web服務(wù)技術(shù)，搭建了一種面向產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟的遠(yuǎn)程有限元分析服務(wù)平臺(tái)，該平臺(tái)服務(wù)于某一產(chǎn)業(yè)，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程有限元模型和幾何模型的協(xié)同分析。系統(tǒng)不僅實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)參數(shù)化和有限元參數(shù)化，還實(shí)現(xiàn)了變型結(jié)構(gòu)的遠(yuǎn)程有限元分析，適用于邊界條件相同的產(chǎn)品進(jìn)行遠(yuǎn)程有限元分析，滿足了產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟成員企業(yè)對(duì)遠(yuǎn)程有限元分析服務(wù)的需求。服務(wù)平臺(tái)已基本實(shí)現(xiàn)上述功能，但系統(tǒng)需要進(jìn)一步完善，如增加產(chǎn)品的模板數(shù)量，進(jìn)一步擴(kuò)大平臺(tái)的適用范圍。

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