基于有限元的农机产品数字化分析和仿真系统设计

龚 强，吴 昊

( 南京交通职业技术学院 a.信息化建设与管理办公室；b.电子信息工程学院，南京 211188)



基于有限元的农机产品数字化分析和仿真系统设计

龚 强a，吴 昊b

( 南京交通职业技术学院 a.信息化建设与管理办公室；b.电子信息工程学院，南京 211188)

农机产品的部件大部分为复杂模型，而有限元分析成本较高，单一企业的有限元分析能力较弱。为了解决这一难题，提出了一种基于云计算的有限元农机产品数字化仿真分析系统。云计算平台由3层组成，采用参数化建模方式，本地工程师通过云计算资源池提供的参数建模界面可以完成农机产品建模，建好的模型可以直接通过软件接口导入到云分析层，通过迭代计算得到云计算虚拟仿真结果，再由展示层以云图或者曲线的形式展现出来。对平台的性能进行了测试，结果表明：基于云计算的有限元农机数字化分析系统能有效地完成参数化建模、有限元仿真和计算结果的处理，可为联盟内企业提供共享和协同计算服务。

农机产品；虚拟仿真；参数化建模；有限元；云计算

0 引言

云设计是一种基于云计算的面向多用户、多领域的新型设计模式，通过网络将资源池中的资源按照用户需求以Web服务的方式提供给用户，成为设计制造行业中研究的一个新的热点。云设计提高了设计水平，缩短了研发周期，降低了产品设计的成本。有限元分析已成为农机产品数字化设计中重要的部分，但有限元分析成本较高，同时现有远程有限元分析研究方法主要面向单一企业或几个企业，而将其部署到云设计平台中解决了某一行业内中小型企业甚至大型企业有限元分析能力不足的问题。

1 基于云计算的农机数字化仿真分析系统

在现在产品的数字化设计系统中，很多软件已经实现了无缝拼接，其中包括CAD和CAE之间。有限元仿真软件ANSYS新版本中的Workbench是一种新的协同仿真环境，为产品数字化云设计提供了可行性，如图1所示。云计算仿真系统的设计包括设计资源、设计云和产品设计3大部分，其核心支撑是知识数据库。根据客户需求，设计云运用者可以对设计进行输入和输出，其原理如图2所示。

在农机数字化产品的有限元分析时，其零部件大部分都是复杂的模型，计算较慢，云计算在有限元仿真分析系统的主要作用是对计算资源的调度，从而可以提高计算效率。其设计总体的框架如图3所示。

基于云计算平台的有限元虚拟仿真系统及核心包括CAD接口、Workbench SDK和ANSYS程序，实现的功能包括GUI界面设计、窗口管理及图像处理引擎。其通过程序注册、接口连接和程序生成器和外部的程序进行接口，从而可以实现云计算资源的有效调度。云计算平台的运行机制如图4所示。

图1 有限元协同仿真环境

图2 云数字化仿真系统设计原理

图3 基于云计算平台的有限元计算框架

图4 农机数字化设计平台运行机制

图4中，有限元服务主要分3层来完成，包括构建层、分析层和展示层。其具体功能如下：

1)构建层。构建层主要是构建三维几何模型，建模有两种：一是直接三维建模，二是参数化建模。云计算平台采用参数化建模方式，本地工程师通过云计算资源池提供的参数建模界面，输入相应的参数，便可以完成建模。

2)分析层。将构建层得到的结合模型导入到CAE软件中，对其进行数字化仿真分析，通过资源库的封装，实现农机产品数字化仿真的自动化分析，从而输出分析结果。

3)可视化展示层。可视化展示层主要包括结果数据的分类、查询和分析处理，有限元模型的可视化展示，云图、等值线的绘制，以及结果模型的交互操作等。

2 有限元计算资源共享和调度优化

云计算平台对于有限元分析的作用主要体现在资源的共享和协同计算能力上，因此资源的调度问题非常重要，资源的调度可以根据任务的分配来计算，同车辆物流的调度优化类似。计算机从一个用户终端出发，完成一次计算任务，当计算的任务量较小时，可以安排一个计算机终端同时完成几项任务，使车辆路线既能够完成既定任务，又能使路程最短，最节省时间。假设计算机终端为D，计算机的资源最大处理能力为q，有n个计算任务，任务i的计算处理量为

gi

(1)

假设完成任务需要的时间为Ti，任务需要在时间范围为[ai,bi]内开始，ai表示计算任务最早开始时间，bi表示任务允许的最迟时间；已知任务i和任务j的距离为dij，可以利用时间窗来优化任务的最短路线，从而得到最佳状态时使用的计算资源。假定si是任务i的开始时刻，ei表示任务的结束时刻，完成任务的时间用时为

Ti=ei-si

(2)

根据有限元计算任务的优化调度原则，可以构造有限元计算的数学模型。假定变量模型为

(3)

由此可以得到优化调度的模型，其表达式为

(4)

其中，tij表示计算机完成有限元计算任务i后到达j所用的时间。式(4)中，第7个式子表示把支路的约束消去之后，可以有效地避免同计算机终端分离的线路；第9个式子表示计算机邻接任务的条件；第10个式子表示时间窗约束。该模型可以利用分配问题和时间窗来解决，分配问题的模型为

(5)

其中，zk是满足yki=1的顾客集合，即计算机k能服务的顾客集合。客户需求的最优长度f(zk)可以由下式确定，即

(6)

(7)

根据各任务的计算量约束和计算资源，确定完成任务所需要的计算机资源数目nn，然后根据客户i=1,2,…,n分别分配给计算机资源，从而有效地提高计算机有限元的计算效率。

3 基于云计算的有限元数字化仿真平台测试

农机产品的零部件结构都比较复杂，如果采用单一建模的方法，不仅会耗费大量的时间，而且建模效率低下，绘图的精度也较低。对于非标准件和曲面的建模比较繁琐，本次研究的农机样机整体效果如图5所示。

为了提高播种机产品的数字化设计速度，采用SolidWorks进行建模，并利用参数化建模方法对软件进行二次开发，其开发工具为Visual Basic编程语言。首先对涡轮进行了建模，设计的参数化输入界面如图6所示。

图5 播种机样机整体效果图

图6 蜗轮参数化建模界面

利用Visual Basic编程语言对变量进行编程，计算结构的尺寸，通过输入参数，可以得到三维模型。以涡轮的建模为例，通过输入参数，得到了如图7所示的涡轮模型。

图7 涡轮三维模型

利用该方法还可以建立更多更为复杂的模型，模型建立好后需要利用有限元方法进行复杂模型的网格划分，如图8所示。

进行云计算时，工程师只需要将参数化建模客户端上传到云资源数据库，便可实现资源的共享。对于较为复杂的网格，普通计算机实现不了。如果要实现普通计算机对超复杂网格进行划分，则需要借助云计算的并行计算方法。本文使用云计算平台对网格进行划分，并通过计算得到了如图9所示的仿真结果。

图9 有限元分析结果

利用云计算平台不仅实现了计算资源的优化配置和合理的调度，而且还有效完成了复杂网格划分和有限元仿真计算，从而验证了其在农机产品数字化虚拟设计中的可行性。

4 结论

依据云计算的基本原理，结合CAD、CAE建模软件和ANSYS有限元分析软件，采用云计算资源调度优化方法，设计了一种新的基于云计算的有限元仿真分析系统，并完成了平台的测试。结果表明：分析系统将几何模型作为有限元分析的参数输入接口，实现了产品数字化设计与产品有限元性能分析一致性，克服了参数化APDL命令流文件有限元操作的不足。对平台进一步测试发现：云计算平台可以对农机的复杂部件进行建模和网格划分，并能够完成有限元协同计算，实现了农机数值化产品的云计算处理，大大提高了设计效率，缩短了设计周期，降低了设计成本。

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Digital Analysis and Simulation System Design of Agricultural Machinery Products Based on Finite Element Method

Gong Qianga,Wu Haob

(a.Office of Information Construction and Management; b.Department of Information Engineering, Nanjing Institute of Transportation Professional and Technology, Nanjing 211188, China)

Agricultural products, components for most of the complex model, and finite element analysis of high cost, single enterprise finite element analysis ability is weak. In order to solve this problem, it proposed a cloud based on agricultural products of finite element numerical simulation analysis system. Cloud computing platform consists of three layers, using parametric modeling, local engineers through the cloud computing resource pool of available parameter modeling of the interface,which can complete the agricultural product modeling. The built model can be directly through the software interface to import to the cloud layer analysis, through iterative calculation to cloud computing virtual simulation results, the presentation layer in form of images or curve show. To test the performance of the platform, the test results show that based on cloud computing finite element of agricultural digital analysis system can effectively complete parametric modeling, finite element simulation and calculation results, which can provide the support for the sharing and cooperative computing services for enterprises in the alliance.

agricultural machinery products; virtual simulation; parametric modeling; finite element; cloud computing

2016-07-06

江苏省教育规划项目(D/2013/03/147)；江苏省教育厅项目(2013JSJG361)

龚 强(1983-)，男，南京人，实验师，硕士，(E-mail)glwuxn@sina.com。

S126;TP311.52

A

1003-188X(2017)10-0208-05