基于模型库脱粒装置交互式工程分析系统

2021-04-06刘宏新张光甫周丽丽王登宇

东北农业大学学报 2021年3期

刘宏新，张光甫，周丽丽，冷峻，王登宇

（1.东北农业大学工程学院，哈尔滨150030；2.雷沃重工股份有限公司，山东潍坊261000）

产品强度与刚度是产品使用安全重要保障，工程分析是验证该标准有效途径。传统工程分析由设计者手工计算完成，该方法根据简单经验公式定性比较不同设计方案优劣，无法得出精确结果，效率较低，且当产品结构复杂、计算量大时，手工方法无法完成。随着计算机及其应用技术发展，工程分析技术开始与计算机技术结合，形成计算机辅助工程（Computer aided engineering，CAE）技术，极大提高设计效率和研发水平[1]。

计算机辅助工程是应用计算机及相关软件分析产品性能与安全可靠性，预估其性能和缺陷，证实所设计产品功能可用性和性能可靠性的一门计算机应用技术[2-3]。CAE技术产生与发展不仅加速设计——分析迭代，也使分析过程提前，对提升产品创新能力具有重要意义[4-5]。但目前CAE软件与三维建模软件CAE模块仅支持面向结构设计，对设计人员专业知识及综合素质要求高，专业性极强，而非专业人员则难以保证分析专业性与准确性[6-8]。

国内外对交互式工程分析系统开展相关研究。胡安庆设计应用于配气机构的工程分析系统，可实现参数化建模，得出应力应变、影响曲线等[9]。董明鑫研究板带轧制过程有限元分析平台[10]。崔溦等开发ABAQUS软件，验证基于微平面模型子程序有效性[11]。杨猗尧等开发移动式压力容器强度计算软件[12]。罗陆锋等基于虚拟现实平台EON开发采摘机器人虚拟仿真系统[13]。Stewart等运用ANSYS软件用户编程特性方法，建立各向异性材料三次蠕变损伤本构模型[14]。Luo等利用Python语言对ABAQUS二次开发，实现优化层压板序列和舱口半径功能[15]。Atlati等开发基于ABAQUS和EXPLICIT有限元程序用户子程序VUNIT，实现摩擦热速度相关热分配系数确定[16]。Mahler等设计蠕变疲劳评估工具，对特定材料制成结构部件快速检测蠕变疲劳损伤[17]。Zhang等开发颗粒阻尼结构谐波分析模块，实现预测颗粒阻尼结构谐波响应[18]。国内外对交互式工程分析系统研究取得一定进展与突破，在车辆、航天、机械制造等领域处于试用阶段，但在农机装备领域鲜有研究。农机装备由于其结构复杂性与工作环境恶劣性，更需工程分析以验证其强度、刚度是否满足要求。同时，国内外在该领域相关研究主要以ANSYS、ABAQUS等专业CAE软件为分析环境，专业CAE软件与三维建模软件间交互性不足，模型修改后需反复转换导入导出易导致模型信息丢失，操作繁琐易错，影响分析效率。

近年来，东北农业大学智能化设计课题组致力于装备智能化设计技术研究[19-20]，构建联合收获机脱粒与清选装置参数化模型库，模型可根据用户所需工作参数作参数化变型，以满足用户个性化定制需求。作为联合收获机核心工作部件，脱粒装置安全性与可靠性直接影响联合收获机工作性能[21-22]，模型库中参数化变型获得脱粒装置模型需保证装置在指定工作参数下安全性与可靠性。因此，对脱粒装置作交互式工程分析具有重要现实意义。

脱粒装置作为联合收获机重要部件，对收获效率尤为重要。针对上述问题，本文以联合收获机脱粒装置为分析对象，基于联合收获机脱粒与清选装置参数化模型库，在CATIA创成式结构分析（Generative structural analysis，GSA）环境下，研究交互式工程分析系统，对脱粒装置实现专业、准确、便捷的工程分析，为农机装备智能化设计平台建立奠定技术基础，同时为其他装备领域工程分析系统提供技术参考。

1 系统总体方案

脱粒装置交互式工程分析系统在联合收获机智能化设计平台中与其他子系统与功能模块关系如图1所示。

图1 系统关系Fig.1 System relationship

依托于联合收获机模型库、知识库建立，由知识库将设计知识推送至参数化模型库与工程分析系统，完成参数化模型驱动和工程分析系统中参数获取；由参数化模型库中调取所需分析模型并完成参数传递；工程分析模型库实现模型储存管理和模型参数和设计知识反馈。工程分析模型库具有浏览、调用、增加、删除、修改、检索等基本功能，与结构模型库之间通过数据库实现数据双向传递，且扩充与完善结构模型库。各系统之间彼此关联，相互协作，辅助完成脱粒装置工程分析。

1.1 开发方式

本文利用自动化对象编程CATIA Automation[23]，采用Visual Studio集成开发环境和基于.NET框架可视化编程语言Visual Basic开发脱粒装置交互式工程分析系统，与传统组件应用架构（Component application architecture，CAA）技术相比更易操作，同时可为用户提供更直观交互界面。在CATIA Automation中，数据均被封装成对象形式，形成建模时具有层次性树状结构。

CATIA Automation中，Application（应用）是根对象，可派生子对象，且有其操纵集合方法和属性，若需使用某个子对象，必须由顶层根对象开始，逐层向下定义与赋值，直至找到所需对象为止[24]。由于逐层定义对象步骤繁琐，在说明子对象功能时，本文省略其定义过程。

1.2 技术方案

为实现对脱粒装置专业、准确、便捷的工程分析，降低对用户专业水平要求，系统拟将脱粒装置工程分析过程中专业知识封装，用户通过输入已知工作参数，具有与在CATIA中手动实现工程分析同等效果。通过该系统交互式实现工程分析过程，用户直接操作工程分析软件，提高分析专业性与准确性，并减少操作步骤，提高分析效率。

脱粒装置交互式工程分析系统功能模块中，按技术区域分为人机交互、CAX工具集及应用技术3个部分。人机交互包含与用户操作相关界面引导式操作创建；CAX工具集为静态分析与模态分析过程封装；应用技术模块为实现交互式工程分析提供所用技术。系统同时与知识库、模型库完成数据交互，遵循行业设计规范和为后续开发提供基础，系统技术方案如图2所示。人机交互工程分析操作流程如图3所示。

图2 系统技术方案Fig.2 System technical solution

图3 工程分析流程Fig.3 Engineering analysis process

2 脱粒装置对象分析

2.1 种类与结构

系统分析对象为联合收获机脱粒装置，种类如图4所示，脱粒装置结构特征可将脱粒装置分为切流、轴流与弓齿滚筒式脱粒装置。以纹杆滚筒式脱粒装置为例，结构如图5所示。

实际工作中，纹杆滚筒和凹板是最易损坏部件，故选择对纹杆滚筒和凹板开展工程分析。在实现交互式工程分析前，应明确分析对象在工作状态下实际约束与载荷情况，确定载入边界条件。

图4 脱粒装置种类Fig.4 Type of threshing device

图5 纹杆滚筒式脱粒总成Fig.5 Rasp bar cylinder threshing assembly

2.2 凹板边界条件

联合收获机脱粒过程中，凹板受到来自谷物的连续作用力。

根据实际工况，将固定凹板前后轴用虚件代替，与刚性虚件相比，柔性虚件允许几何体发生形变且精度更高，故选择添加柔性虚件，并在柔性虚件上添加铰接约束，仅释放凹板绕轴转动自由度，限制其他5个方向自由度。虚件和约束添加完成的凹板如图6所示。谷物对凹板作用力，如图7所示。

图6 凹板虚件和约束Fig.6 Dummy parts and constraints of concave

图7 谷物对凹板作用力Fig.7 Force of grain on the concave

作用力Fp为:

式中，Fp为谷物对凹板作用力（N）；m为喂入量（kg·s-1）；v为滚筒圆周速度（m·s-1）；f为综合搓擦系数，方向为沿滚筒切线方向。

根据分析结果在凹板上施加载荷如图8所示。

图8 载荷施加Fig.8 Load application

2.3 纹杆滚筒边界条件

脱粒过程中，纹杆滚筒利用纹杆与凹板对谷物搓擦作用脱粒，滚筒承受较大作用力，除对滚筒作强度静态分析，为检验滚筒在工作过程中是否因高速旋转产生共振，还需对滚筒作模态分析。由于滚筒固有频率与其结构密切相关，所以未对滚筒作模型简化，保留螺栓、螺母、垫片、倒角等结构。

滚筒轴与幅盘之间相互接触，通过键固定其相对位置，在滚筒轴与幅盘之间分别依托其相合连接关系、面接触连接关系创建柔性连接特性和接触连接特性，分别在键和滚筒轴、幅盘毂之间依托其面接触连接关系创建扣紧连接特性，以相同方式，为其他零部件间添加连接特性，如图9所示。

图9 滚筒组件连接特性Fig.9 Cylinder component connection properties

在滚筒轴两端添加柔性虚件，作为滚筒支撑部件。工作过程中滚筒绕轴旋转，故在滚筒轴动力输入一侧的柔性虚件上添加夹紧约束，另一侧则添加铰接约束，仅释放滚筒绕轴转动自由度，限制其他5个方向自由度。同时在滚筒上添加谷物对滚筒作用力，完成对滚筒边界条件添加，数据由式（1）可得，方向为沿滚筒切线方向。滚筒边界条件施加如图10所示。

图10 滚筒边界条件Fig.10 Cylinder boundary condition

3 静态分析技术实现

3.1 模型调用

在联合收获机脱粒与清选装置参数化模型库中调用脱粒装置模型，以纹杆滚筒式为例，界面如图11所示。

图11 纹杆滚筒式脱粒总成界面Fig.11 Rasp bar cylinder threshing assembly interface

根据设计“作物种类”“草谷比”等参数，经匹配后，系统自动计算生成工作参数和部分结构参数，得到目标驱动模型。

3.2 材料添加

规定模型物理与机械特性，材料添加程序流程框图如图12所示。

图12 材料添加程序Fig.12 Material adding block

系统采用CATIA默认材料库为模型添加材料。材料编号与材料类别关系如表1所示。需添加特殊材料时，可手动添加材料属性。

表1 材料类别编号Table1 Number of material category

3.3 网格划分

利用AnalysisModel（分析模型）对象RunTransition（运行转换）方法，实现由零件设计工作台进入静态分析工作台，同时为保证模型适中且处于屏幕中央，利用Viewpoint3D（视图）方法实现“全部适应”效果。

进入工作台后，CATIA自动定义网格属性。分析过程中，要求既可使用默认网格，也可按照需求重新划分网格。重置网格并按需求定义程序流程框图如图13所示。

图13 网格划分程序Fig.13 Meshing block diagram

3.4 边界条件载入

为简化模型，在分析零件或装配体时，将几何支撑体用具有相同作用虚件代替。需创建引用虚件，并将引用添加至指定模型支撑元素。

每个模型顶点、棱边、面等元素均有唯一命名标识。但由于CATIA生成的通用命名标识形式复杂冗长，且难以读取信息，故可利用发布方法。首先发布所需支撑元素，重新标识，创建新虚件，并将发布信息添加至指定模型发布的元素。

创建约束类型为铰接及夹紧约束，添加至对应元素，本例分别添加至滚筒轴左右端所创建虚件上，同时确定参考系和设置约束方向；创建均布力类型载荷，添加至发布的载荷支撑对象，确定参考系和载荷大小与方向。

为使系统实现通用性，需使载入边界条件不仅满足原有模型，且满足经参数化变型后所得新模型，即使边界条件随模型变型而发生变化。载入边界条件程序框图如图14所示。

在模型库中，模型参数化变型可分为系列变型和变异变型。在变异变型过程中，由于模型结构特征发生改变，边界条件对应支撑对象也随之改变，故需对边界条件作自适应调整，以满足变异变型后新模型。

图14 载入边界条件程序Fig.14 Load boundary condition block diagram

3.4.1 结构参数传递

在模型参数化传递过程中，需将模型结构参数传递到系统中，以使对应边界条件根据此参数作相应变化。

模型库可将模型结构参数输出为txt格式文本，便于查看和调用。系统对此文本字符串作读取并结合字符串操作函数处理得出有效信息，即可得到模型的结构参数。

3.4.2 边界条件调整

为使模型边界条件随脱粒装置参数化变型自适应，需确定边界条件参数化变型规则。

以栅格式凹板上施加载荷为例，对栅格式凹板作参数化变型，此种变型为变异变型，故施加的载荷也需相应变化。

由凹板结构参数确定栅格列数l和行数w。栅格载荷由载荷支撑对象和x,y,z方向的大小Fx,Fy,Fz确定。载荷支撑对象可由其通用命名标识T表示，故将施加载荷过程封装为关于载荷支撑对象的通用命名标识T和在3个方向大小为Fx,Fy,Fz的函数f（T,Fx,Fy,Fz），即可实现载荷参数化适应。

3.5 计算与分析

将工程分析前处理中添加的边界条件作整合、计算，得到便于用户总结、分析结果规律的图像与数据，并根据用户给出的条件分析模型是否满足设计要求，计算分析程序框图如图15所示。CATIA Automation中，5种图像与其对应名称如表2所示。

依据分析结果，判断是否满足给定工况下强度要求，当米塞斯等效应力最大值小于材料屈服极限，结构设计合格。

图15 计算分析程序Fig.15 Computational analysis block diagram

表2 图像类型名称Table 2 Name of the image type

由于查看米塞斯等效应力图像过程中系统已创建此图像，无需再创建。比较应力值与材料屈服极限值关系，得出分析结果。最后，使用Excel VBA方法将分析结果生成报表并保存，将分析完成的模型保存至工程分析模型库，以新的文件名保存文件，以便用户后续调用。系统自动根据装置类型生成文件路径并根据模型工作参数生成分析模型的文件名称，以利于模型管理与快速读取其中信息，增强模型继承性与可重用性。

4 模态分析技术实现

由于模态分析与静态分析功能与实现的技术与方法部分相同，故本部分仅说明模态分析特有部分程序实现。

4.1 边界条件载入

利用AnalysisModel对象RunTransition方法由装配设计工作台进入模态分析工作台。

模态分析中，除虚件和约束外，还需为装配体添加连接特性。将作为连接关系的装配约束转换为可运行工程分析的虚件间实际作用关系。

创建一个新的分析实体并将其添加至分析实体集合中，通过索引或名称返回一个约束，创建一个新连接特性，将其添加到指定模型约束上。

4.2 参数设置

针对联合收获机脱粒装置与清选装置实际工况，设置两个参数，滚筒转速和模态阶数。滚筒转速决定滚筒外部激振频率设置模态阶数可根据需求查看不同阶数分析结果。

由于在CATIA Automation中未设置模态阶数方法，因此，采用程序模拟键盘操作调用CATIA“搜索”命令并通过“Frequency Solution Parameters（模态分析求解参数）”自动完成参数设置。相比于调用Windows API函数模拟鼠标操作，这种方法不受寻找对话框中按钮、文本框等坐标位置限制，设置模态阶数程序流程如图16所示。

通过SendKeys（按键消息发送到）方法实现将一个或多个键盘消息发送到活动窗口，模拟用户在键盘上操作。使用前，需创建WshShell（脚本）对象，实现运行程序、操作注册表、创建快捷方式、访问系统文件等操作。模拟CATIA快捷键Ctrl+F快速打开“搜索”对话框和使用Clipboard（剪贴板）方法，将待搜索对象名称添加到剪贴板中。在“搜索”对话框中，按Tab可使焦点移动到下一个控件，经测试，按Tab键9次可使焦点移动到“搜索”命令，其他步骤所涉及方法与上述步骤相同。

图16 设置模态阶数程序流程Fig.16 Procedure flow of setting the modal order

4.3 计算与分析

分析得到的固有频率结果，判断模型能否发生共振现象。系统分析结果程序流程如图17所示。

图17 分析结果程序流程Fig.17 Process flow of analysis results

由于CATIA Automation中无返回模型固有频率方法，本系统中采用SendKeys方法在CATIA中调出固有频率列表，如图18所示。

图18 图像编辑对话框Fig.18 Dialog of image editing

为获取CATIA分析得出的固有频率值，以OCR技术为基础，开发频率识别应用程序，使用Python内置方法open获取含图像参数的txt文件，调用PIL图像处理工具包中ImageGrab.grab（图像获取）方法，截取图像参数对应屏幕区域，并将获取图像根据用户输入的模态阶数，等分为相同数量单元图像并适当放大，以提高识别准确性。使用OCR软件开发工具包aip对每个单元图像文字识别，通过write（写入）方法将识别结果输出为固有频率数值的txt文件。利用Stream Reader（阅读流）ReadToEnd方法，将txt文本中内容读取到系统并用Split（分割）函数处理文本，得到每阶固有频率数值。

根据模态分析要求可知，激振频率要远离整机固有频率±10%，在脱粒装置工作过程中，振源主要由脱粒滚筒旋转振动产生，其激振频率为

式中，f为激振频率（Hz）；n为滚筒转速（r·min-1）；N为纹杆个数。在交互式系统中，将根据计算得到激振频率与系统得出模型固有频率作比较，得出分析结果：若激振频率位于模型固有频率±10%以外，则满足要求，反之则不满足。

区别于静态分析，模态分析使用AnalysisImage（分析图像）对象SetCurrentOccurrence（设置当前值）方法，设置图像显示阶数。通过人机交互界面，根据需求查看对应模态阶数图像。

5 工程分析模型库

建立工程分析模型库，对分析完成的模型分类、存储、管理，从而增加模型继承性与可重用性，避免大量重复性劳动。

5.1 模型检索

工程分析模型库中存在大量分析模型，当用户需分析目标模型时，可先在工程分析模型库中根据所需分析参数检索，采用模糊检索方式可得到与用户需求相似的模型，供用户参考使用。根据与用户需求相近度方式检索系统内模型，相近度计算公式如下：

式中，k为检索精确度；i为参数索引；xi为用户需求模型参数；yi为模型库中待检索模型参数；n为参数个数。设置检索精确度k，检索精确度为0～1，精确度越高则检索结果越接近目标参数，但得到的相似模型数量越少。系统默认检索精确度为0.5，用户可根据工作需求及模型库规模自行设定检索精度。

依据检索顺序，检索模型分为定性检索与定量检索两个步骤。定性检索即根据模型装置类型、模型名称、分析类型等信息作初次检索，将完全符合要求模型编码定义为数组，编码中含有模型分析所需参数信息。检索过程即利用程序对数组中所有元素与用户需求信息作循环比较。首次检索完成后，检索结果被定义在中间数组中。对得到结果定量检索，即根据转速、喂入量、综合搓擦系数等信息检索，并利用检索精确度k筛选检索结果。最后将得到结果通过人机交互界面向用户展示。

5.2 模型管理

模型遍历是工程分析模型库与系统之间实现数据交互的基础。在CATIA环境下对模型作工程分析，得到的模型将保存为“*.CATAnalysis”格式文件。用Directory.GetFiles（获取文件）方法，返回指定目录中包含文件路径文件名，并得到包含模型库中所有文件名称字符串类型的一维数组。当模型库中模型改变时，数组也随之发生改变，实现系统与模型库之间数据动态传递。

在工程分析模型库中，需对分析完成的模型进行管理，即实现模型增删改查功能。使用IO.File.Add（增加）方法和IO.File.Delete（删除）方法实现模型库中模型增加和删除；如需实现模型变更操作，首先需判断当前对象是否存在，存在则开展变更操作；查找模型即为检索模型。

调用模型时，使用VB.net中Start（启动）方法实现打开模型所在位置功能。查看模型信息包括装置类型、模型名称、分析类型、喂入量、滚筒转速、模型编码等。若用户需使用模型编码，使用Clipboard方法可实现字符串的复制。

模型信息根据编码规则被标识于模型上，编码有利于计算机识别并读取抽象信息。但对于用户来说，模型的语义编码难以理解，需提取将模型语义编码中的信息，以人机交互形式向用户可视化展现，实现信息传递。

通过模型遍历，得到包含工程分析模型库中所有模型文件全部编码信息的模型数组ModelArray。应用相应字符串函数处理模型数组，可将模型中语义编码信息转化为用户可理解文字信息。在本系统中，将转化完成后信息存储于VB.NET中表格控件DataGridView，便于用户查看与计算机处理。模型信息查看结果如图19所示。

图19 模型信息查看Fig.19 Model information view

6 系统集成与实例测试

6.1 人机交互界面

以简约性、一致性、容错性和迅速响应性的界面设计原则设计脱粒装置交互式工程分析系统。系统一级界面为主界面；二级界面为功能模块，如静态分析、模态分析、模型浏览等；三级界面实现系统数据输入与响应，用户可通过主界面实现与其他系统交互。

脱粒装置交互式工程分析系统主界面如图20所示，用户可根据需求选择模型开展工程分析。

图20 系统主界面Fig.20 System main interface

模型检索界面如图21所示。系统通过模糊查询方式检索模型库中现有工程分析模型，并对检索出的模型作排序，将检索结果在工程分析模型库中展示给用户。若检索得到目标模型，直接调用即可；若未检索到所需模型，系统弹出对话框提示用户并跳转到主界面，“静态分析”与“模态分析”变为可选择状态，通过文件打开由参数化模型库生成的模型，按需求选择对应的分析类型操作。

图21 模型检索界面Fig.21 Interface of model retrieval

6.2 实例分析测试

以福田雷沃GE40型联合收获机脱粒装置为工程分析验证对象。系统通过结构模型库驱动参数化模型生成与产品一致模型，在最大工况即以喂入量为4 kg·s-1，滚筒转速为1 050 r·min-1，综合搓擦系数为0.72[25]的实际工作参数开展分析。分别以栅格式凹板为静态分析对象、轴流式滚筒为模态分析对象，开展脱粒装置交互式工程分析实例验证。因低阶固有频率对脱粒滚筒影响较大，仅计算分析求解结果前6阶模态频率。

6.2.1 静态分析系统测试

在主界面中打开栅格式凹板三维模型，进入静态分析模块。为凹板栅条添加65 Mn材料，框架添加Q235钢材料；默认系统自动划分网格；输入喂入量为4 kg·s-1，滚筒转速为1 050 r·min-1，综合搓擦系数为0.72工作参数，系统自动完成边界条件计算并载入，计算与分析结果如图22所示。

图22 凹板静态分析结果Fig.22 Result of concave static analysis

系统得出模型最大应力与材料屈服强度，并显示“模型的强度满足设计要求”。根据分析需求查看模型5种工程分析图像，并完成报表生成与保存，内容如图23所示。确认保存后，系统自动将凹板静态分析模型与结构模型保存到工程分析模型库中。

图23 凹板静态分析结果报表Fig.23 Report of concave static analysis result

6.2.2 模态分析系统测试

在主界面中打开轴流式滚筒三维模型，进入模态分析。为滚筒纹杆添加50 Mn，框架添加Q235钢材料；默认系统自动划分网格；输入转速ω为1 050 r·min-1，模态阶数h为6，系统自动完成边界条件计算并载入，检查无误后，计算分析。显示分析结果“外部激振频率位于滚筒固有频率±10%之外，满足设计要求”，如图24所示。通过人机交互界面查看模型指定模态阶数对应5种工程分析图像。最后完成报表生成与保存，确认保存后，系统自动将滚筒模态分析模型与结构模型保存于工程分析模型库。

6.3 系统成效

系统驱动参数化模型生成模型与实际产品一致，采用交互式工程分析系统分析结果与实际产品试验结果一致。由于模型复杂，细节较多，导致操作繁琐，对于传统手动进行工程分析，即使熟悉此类模型且熟练掌握工程分析软件的设计人员，由分析模型建立到完成静态分析也需2 h以上，模态分析约需1.5 h以上，且劳动强度大，效率低，准确性不易保证。而采用该系统开展工程分析操作简便，直接调用工程分析模型库中模型作静态与模态分析，均可在20 min以内完成。传统手动分析与交互式工程分析工时对比如图25所示，交互式分析系统可极大提高工作效率，减轻劳动强度，且大幅降低对操作人员专业知识与水平限制，同时避免因用户专业水平不足而导致结果错误与偏差。