引言
在设计活动中引入计算机辅助工程(Computer Aided Engineering ,CAE) 技术可直接优化产品设计流程,分析最新的设计方案,是制造企业降低成本、扩大市场占有率的一项关键性的策略。产品设计的最终目标是使产品满足设计任务书对其性能指标的要求,因此在进行产品设计时,也要求将产品的形体设计与性能设计结合起来,运用CAE 技术对产品各主要零件的结构形体进行静、动态分析,使产品的计算机数字模型与物理模型相吻合。
然而,由于CAE 分析技术复杂,操作烦琐且易出错,限制了它的推广应用。同时,对具体的企业而言,在其产品开发过程中综合运用CAE 分析技术也有一定难度:一是购买商业CAE 软件和大量高性能计算机设备,以及解决环境兼容性问题需要高额费用;二是培养并维持一支专业的CAE 分析团队代价较高,尤其是在分析任务不多的企业里矛盾更加突出。故需要寻求一种新的解决途径,以适应网络多用户环境下CAE 技术资源的开发利用。
本文从网络化技术服务和协同分析求解的角度出发,探讨了一种基于应用服务提供商(Application Service Provider ,ASP) 模式的CAE 信息化服务系统,以充分发挥CAE 技术的作用。
1 基于ASP 模式的CAE服务平台模型
随着网络技术的快速发展和企业产品数字化建模工作的不断完善,以提供专业服务为核心的软件产业运作模式正在逐步形成。由ASP 利用集中管理的设施,通过Internet 网络为用户提供应用集成、咨询和产品开发等远程访问服务,以较低运营成本提供一套应用服务方案。越来越多的用户已开始接受这种通过互联网租用软件和专业服务的协同作业模式。企业不必拥有自己的全套设备、软件和专业技术人员,只需缴纳一定的服务费用,便可通过网络换取高效、便捷的专业化服务来弥补自身的不足。
ASP 哲理为CAE 技术资源的推广利用提供了一种新的模式。结合这种新颖的计算机网络技术,本文提出了如图1 所示的基于ASP 模式的CAE远程信息化服务总体框架模型。根据模型定义的结构,将传统CAE 系统组织结构分解为几个独立的功能模块,每个模块都能运行在一台分离的计算机上,执行自身的一套预定义的功能函数,各模块之间的交互活动通过一系列预定义的通讯消息实现。基于消息传递机制,通过调用存取服务中心信息数据交换存储系统(Analysis Information Exchange System ,AIES) 中规范格式的各级中间分析数据集文件,使这些功能模块可分布在局域网中,动态组合形成一个具有CAE 单机系统完整功能的体系结构。在网络多用户环境中,各模块间能动态组合形成一个分布式体系结构,以便动态地分配资源,自动分流系统工作量。
在广域网范围中,任何企业的远程用户都可以通过Internet 与CAE 信息化服务中心进行在线交互,购买ASP 模式提供的远程CAE 分析服务,在自身并不具有任何CAE 软件和相关分析技术人员等软硬件的条件下,仍能便捷地获得专业的产品分析服务,这将有效促进CAE 分析技术在企业产品开发过程中的推广应用。
2 CAE信息化服务系统的功能设计
2-1 CAE 信息化服务系统工作流定义
系统采用三层逻辑结构的多级分布式B/S 模式,包括信息处理层、业务应用层和数据管理层。在信息处理层,远程企业用户只需向CAE 信息化服务中心递交包括待分析的数字化几何模型、边界约束条件、载荷及材料性能参数等详细说明的任务包,甚至可以是产品零件的二维工程图或者原始建模参数等形式。CAE 信息化服务中心则依据具体分析任务的规模和复杂程度,规划调度位于业务应用层网络环境下的分析资源,经由CAE 协同分析模块与数据管理层的信息数据存取管理器、AIES 进行数据事务交互,协同进行分析,并将最终分析结果数据与处理过程,汇总到分析报告生成器,再加工成统一的文本和多媒体格式返回到客户端,远程用户通过浏览器便能在线获知整个模型的分析结果。
2-2 基于Java 机制的中心服务器
中心服务器主要提供一种基于J ava 的Web服务方案,实现客户业务管理,以及远程客户与CAE服务中心之间规范化的用户交互接口,包括产品数字化模型的分析任务包Web 页面上载,以及模型边界约束条件、载荷形态特征及材料性能参数等详细参数的用户填写表单。
首先需要将零件的数字化几何模型转化为CAE 分析模型文件备用,然后将零件材料的弹性模量、泊松比、边界约束条件和承受载荷状况等参数信息统一转换为专用的数据格式,存入中心分析数据库,作为公共资源供分析人员调用,并通过用户名、注册密码和随机任务序列号对每个分析任务进行唯一标示,以确保AIES 中数据的完整性与安全性。
为适应用户使用不同参数化建模工具( 如Solidworks ,Pro/ E ,UG等) 的需要,本文设计了如图2 所示的模型转换代理机制。模型转换代理将系统提出的某种类型格式模型文件转换请求,转发给相应的模型转换助理,如将Solidworks系统的 SLDPRT格式模型文件导入到Solidworks 模型转换助理,同时传入CAD 系统版本和建模单位参数后,由转换助理利用CAD 系统提供的二次开发应用编程接口(Application Programming Interface ,API) 对其进行处理,转换为CAE 分析系统可识别的中性格式几何数据文件(ACIS 文件类型SAT 等) 或直接的分析数据DB 文件,最后再将模型转换结果文件返回给调用系统。由此形成一种独立的系统平台,不必依赖于具体的CAD 系统,面对新的或升级的CAD系统,只需开发更新模型转换助理即可,使系统具有很好的延展适应性能。
依据客户分析任务复杂程度的不同,CAE分析过程,尤其是产品复杂零件的分析过程,其耗时从几分钟到数小时不等。为了让在线客户及时查询到服务进程状态信息,中心服务器依据客户的指令和任务编号,从AIES 的任务状态表中提取出相应的状态信息反馈给用户,并当获悉任务完成状态时触发邮件JavaBean ,将任务完成信息自动发送到客户的电子信箱里。
Java 的运用为Internet扩展了超媒体功能和多媒体信息表达功能,同时,Applet是内嵌在JSP 文档中的Java 小程序,可在客户端浏览器中运行,有非常良好的可移动性和操作控制性,便于用户数据的录入和存取,因此,采用Java JDK1.4来开发中心服务器的上述功能。但Java 虚拟机出于安全方面的考虑,限制了Applet 与客户端文件系统的交互,不能直接实现客户任务包的上传,虽然可通过对Applets 进行数字签名的方法进行解决,但需要得到每位用户的信任授权,因而采用JSP 触发服务器端Java 函数模块的方法来实现客户任务包的上载功能。
2-3 CAE 任务规划与调度器
每个零件的CAE 分析都是动态的迭代分析过程,任何设置参数在数值上的差异都将导致分析结果的不同,很难一次求解就获得满意的结果。本文利用协同作业环境为工程设计提供的虚拟工作空间,提出一种分析任务细分规划、多机协同求解的方法,实现对产品关键零件结构形体的静、动态分析。
CAE 任务规划与调度器根据中心服务器分配的任务号进行任务流程的规划与调度。首先针对不同用户的不同分析需求,依据其所关心的性能影响因素集(如总体质量限额、局部变形范围等) 进行任务细分,形成可参数化的协同分析求解子作业群,使同一分析任务下的各子作业具有相似的求解计算过程,以减小总问题的求解规模,并方便利用ANSYS 软件内置的参数化设计语言(ANSYS Parametric Design Lanauage ,APDL) 命令流批处理文件建立起的零件分析计算子模型,在分析求解器中进行自动求解计算。子作业群按照先进先出模式形成一个作业队列,新的作业任务添加在队列的最后。同时,定时查询CAE 协同分析模块下各CAE 分析单元的使用状况,依据分析单元的忙、闲信息值进行用户分析任务的动态子作业分配,以达到工作量的平衡调度。
2-4 CAE 协同分析模块
CAE 协同分析模块完成所有实际的分析作业,每一个CAE 分析单元分别作用于一台独立的计算机上,同一个分析任务可被分解成多个作业,在不同的CAE 分析单元上进行平行处理。网络CAE 信息服务载荷具有不确定性,通过平行协同作业方式支持CAE 分析单元的即插即用功能,不仅可在访问服务峰值时,提高系统整体的任务完成时间,而且能均衡作业负荷,提高设备的利用率。
图3 为CAE分析单元的任务分析流程,CAE分析单元集成支持命令流批处理方式的通用CAE工具软件ANSYS ,综合运用APDL ,根据CAE 模型分析作业表的规范性描述,将划分网格、添加约束、施加载荷等前处理过程编制成带参数的分析命令批处理脚本文件(如表1) ,方便送入分析求解器中成批自动执行。后处理过程也采用批处理命令流的方式,一次性提取出所有关心的分析结果数据进行比较评价,提出改进措施。设计过程一般为“设计- 分析- 再设计- 再分析”的循环模式。目前,完全自动化的CAE 分析集成还不能达到,尤其是对有限元分析结果的综合评价,以及如何进一步改进产品结构设计等方面还有待人工智能化技术的深入发展。因此,系统仍需要分析专家的密切参与,利用人机交互方式控制CAE 的信息流处理过程,帮助产品结构设计的优化决策。
2-5 CAE 报告生成器
CAE 报告生成器作为一个独立的系统构件,既可以独立运行在一台计算机上,又可和中心服务器结合,主要根据服务器的要求,汇总相应模型分析任务的结果数据与处理过程步骤,自动转化生成符合一定规范形式的服务报告,返回给购买服务的客户,其中包括多种数据格式的资料文档(文本格式、图片格式、动画格式和虚拟现实语言格式等) ,以便用户了解产品的结构性能特点,有利于指导模型的优化再设计过程,帮助企业优化产品结构设计。
3 系统实现
利用上述ASP 服务架构模式,以Jbuilder 8. 0为开发工具,开发了基于Weblogic 7. 0 平台的CAE信息化服务系统原型,该系统已为某机床制造企业提供了系列机床大件的结构分析服务。异地客户在浏览器上通过身份验证后,进入本系统的主页,只需提交完整的分析任务包文件、选择合适的分析类型、输入相关参数即可,然后根据邮件通知或状态查询,在分析任务完成后浏览下载分析结果文件。本文为其某型号五轴加工中心的立柱拖板零件提供远程CAE 分析计算服务,立柱拖板是该设备的主要运动支承部件之一(系统界面如图4),总体尺寸为915 mm ×358 mm ×1 465mm ,是主轴箱和床身连接的关键件,直接影响到主轴头的定位精度和加载稳定性, 故需对其结构进行CAE 分析,确保获得良好的设计可靠性。
(1) CAE 分析求解
分解用户提供的设计任务包,对立柱拖板零件进行运动学和动力学分析,以工况的不同为依据划分子任务,再调度CAE 分析机群进行协同静、动态分析,求解计算模型,显示应力和应变等分析结果,汇集意见后得出零件结构的总体改进措施提交给用户,从而帮助用户提高产品设计质量和设计效率。
CAE 分析单元首先从AIES 分析数据库中获得该零件材料的弹性模量为120 GPa ,密度为7 000kg/ m3 ,泊松比为0. 3 ,从作业描述表中获取承受载荷状况(瞬态加载过程动力学分析如图5) ,主轴箱1 000 kg的集中质量载荷以及背部4 个导轨安装面Y , Z 方向的边界约束条件,将这些初始条件作为参数传入APDL 编制的命令流批处理文件中,建立起统一的零件分析计算模型。
(2) 结果分析
模态分析用于确定立柱拖板的振动特性(固有频率和振型) ,这是承受动态载荷结构设计中的重要参数。经过CAE 分析机群对不同子任务描述的协同模态分析,从其振型图上显示出零件的两侧长立柱是相对薄弱的环节,其结构设计时铸造壁厚的尺寸直接影响到零件的响应,表2 为零件不同铸造厚度尺寸时的模态分析结果比较。
从表2 中可以看出,单纯增加厚度虽然可以提高零件的整体刚性,但也导致了零件质量的增加,反而会减小振型频率。综合考虑厚度、质量和振型频率等其他因素的影响, 在满足零件功能结构的基础上,取两侧铸造壁厚25 mm、筋板厚16 mm 时可获得较小的零件质量和较大的模态振型。同时在几种情况下的瞬态分析结果比较一致,所以应将其选为较优的设计结构参数。最低阶振型为284. 9 Hz ,即最小共振频率为284. 9 Hz ,假设为一电机转子产生的单一外部激振源,共振转速可换算为284. 9 ×60= 17 094 r/ min ,能够满足其性能指标的要求。
通过各CAE 分析单元协同完全法求解后,以三维彩色云图的方式直观地反映出零件的应力、应变状况,方便分析人员评价判断。立柱拖板零件在其最大负载运行期间的最大应力为0. 155 MPa ,发生在零件装载主轴箱丝杆下方轴承座部位;最大应变为0. 269μm ,发生在零件左边竖梁的中间部位。从计算结果看,能够满足此零件所承担的机床加工高精度要求。
最后,根据分析结果返回到零件CAD 模型中进行参数修改,同时生成分析过程的综合报告文件,一并发送给用户,完成用户定制分析的全部任务。
4 结束语
提供基于ASP 模式的CAE 远程信息化服务,是当前虚拟设计制造系统领域的一个关键性问题。本文从网络化技术服务和协同分析求解的角度出发,提出了基于ASP 模式下集成CAE 信息化服务的总体框架模型,以及相关任务分析流程技术。应用本文提出的CAE 信息化服务系统,可在事前验证产品性能质量是否良好和可靠,能有效地减少企业产品开发资金在CAE 分析技术上的投入。目前本课题仍在深入研究中,为网络化协同设计制造系统提供一种敏捷的CAE 技术资源集成,实现更广泛的联盟作业方式,是进一步深入研究的方向。
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