ASP模式CAE并行优化设计方法 - 文章

ASP模式CAE并行优化设计方法

作者：四川大学陈珂殷国富汪永超

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摘要：从网络化技术服务和并行求解的角度出发，提出了应用服务提供商模式下集成CAE优化分析服务的总体框架模型，分析了任务流程并行求解技术。应用APDL参数化设计语言对CAE优化设计的前后置处理进行编程处理，生成分析命令批处理脚本文件，进而实现求解过程的自动化。研究表明，使用该方法有利于制造企业在产品开发中推广应用CAE分析技术。
关键词：应用服务提供商；计算机辅助工程；优化设计；并行工程

0　引言

当前全球制造业间的竞争日益加剧，产品从概念设计到制造出成品的时间越来越短，设计后期发现的任何设计缺陷都可能影响新产品的适时推出，并使产品成本大幅上扬。CAE技术的引入优化了产品设计流程，使设计人员在产品开发过程中能及时有效地发现并修正设计缺陷，确保设计质量和设计效率的提高。产品设计的最终目标是实现产品在其使用环境中满足设计任务书对产品性能指标的要求，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技术实现对产品各主要零部件的静动态分析和结构形体等的优化。为此，本文提出一种基于应用服务提供商(application service provider，ASP)模式的CAE并行优化设计解决方案，以更好地发挥CAE技术的作用。

1　基于ASP模式的CAE并行优化设计

1.1　基于ASP技术的CAE应用平台模型

ASP哲理为CAE技术资源的推广利用提供了一种新的模式[1]，结合这种新颖的计算机网络技术，本文提出基于ASP模式的CAE并行优化设计远程服务总体框架模型见图1。根据模型定义的结构，在广域网范围中，远程用户通过Internet与CAE分析服务中心交互，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。分析中心依据具体设计任务的规模和复杂程度，规划调度位于网络环境下的优化分析资源，进行协同分析，并将最终结果返回给用户。

图1　基于ASP模式的CAE并行优化设计框架模型

1.2　CAE并行优化设计方法

每个零部件的CAE优化设计都是一个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[2]，很难一次求解就获得满意的结果。因此笔者利用并行环境为工程设计提供的虚拟工作空间，提出一种优化任务细分规划、多机并行求解的方法，实现对产品零部件的静动态分析和结构形体优化。

基于ASP模式的框架结构，CAE分析服务中心接收到用户提交的产品优化设计任务包，首先需要进行任务流程的规划与调度，获取零部件的数字化几何模型，并导入到分析软件中备用。为适应用户使用不同造型工具的需要，它可以是任何参数化建模工具(如Pro/E、UG等)输出的中间交换格式文件(如IGES、SAT等)。再将零件材料的弹性模量和泊松比、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优化人员调用。针对用户所关心的性能影响因素(如总体质量、局部变形范围等)进行任务细分，减小问题求解规模。最后对辖下各CAE并行优化分析机群进行划分，形成一个个单独的协同分析小组，针对各自分配的子任务进行具体的CAE分析处理。

图2为CAE优化分析机的任务分析流程，CAE优化分析机根据分析子任务的描述，将网格划分、添加约束、施加载荷等前处理过程编制成分析命令批处理脚本文件，以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。最后由CAE分析服务中心综合各并行分析小组的意见，得出此次优化设计任务的正式结果报告，返回给购买服务的客户，用于指导产品的优化再设计过程。

图2　CAE优化分析机任务分析流程

　　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。故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　基于ASP模式的CAE并行优化设计应用

本文集成了支持命令流批处理方式的通用CAE工具软件ANSYS，综合运用其内置的参数化设计语言(ANSYS parametric design language，APDL)，对零件统一的CAE分析模型编制带参数的批处理命令流文件，为某型号五轴加工中心的立柱拖板零件提供远程并行分析计算服务。立柱拖板是该设备的主要运动支承部件之一(见图3)，总体尺寸915mm×358mm×1465mm，它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。

图3　立柱拖板零件分析模型

2.1　实现方法

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分析机群并行进行静动态分析计算，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的总体优化改进措施，提交给用户，从而帮助用户实现产品设计质量和设计效率的快速提高。

CAE分析机首先从分析数据库中获得该零件材料的弹性模量120GPa、密度7000kg/m3和泊松比0 3，从子任务描述表中获取承受载荷状况(瞬态加载过程动力学分析见图4)，主轴箱1000kg的集中质量载荷，以及背部四个导轨安装面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。

(ｂ)立柱拖板Y方向瞬态载荷输入
图4　立柱拖板瞬态载荷输入

2.2　分析结果

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并行模态分析，从其振形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1为零件不同铸造厚度尺寸时的模态分析结果比较。

表1　不同铸造厚度时的零件模态分析比较

从表中可以看出，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，反而会减小振形频率。综合考虑厚度、质量和振形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25mm、筋板厚16mm时可获得较小的零件质量和较大的模态振形，同时在几种情况下的瞬态分析结果比较一致，所以应将之选为较优的设计结构参数。最低阶振形为284 9Hz，即最小共振频率为284 9Hz。假设其为一电机转子产生的单一外部激振源，则共振转速可换算为284 9×60=17094ｒ/min，能够满足其性能指标的要求。

针对零件运行启动时在X、Y两方向有1g加速度的工况，进行瞬态动力学分析。代入瞬时加载条件参数，按实际响应的状态变化分四阶段仿真模拟：第一载荷步(0～0 01s)内Ramped型斜坡加载，由0增加到1g的最大加速度，模型作变加速度运动；第二载荷步(0 01～0 09s)期间零件的加速度保持恒定不变，模型作等加速度运动；第三载荷步(0 09～0 1s)内斜坡型减载，由1g的最大加速度减小到0，模型作变加速度运动；第四载荷步(0 1s以后)X、Y方向加速度恒定为0，模型作匀速直线运动。

通过各CAE分析机并行求解后，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，方便设计分析人员评价判断。立柱拖板零件在其最大负载运行期间的最大应力为0.155MPa，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。从计算所得的结果上看，能够满足此零件所承担的机床加工高精度要求。

最后，根据优化分析结果返回到零件CAD模型中进行参数修改，同时生成优化分析的过程报告文件，一并发送给用户，完成一个用户定制分析任务的全部过程。

3　结论

基于ASP模式的CAE并行优化设计是当前虚拟设计制造系统领域的一个关键性问题。本文提出的模型及其方法可在确保产品良好性能质量的同时，有效减少企业的产品开发资金投入。这将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。

参考文献：
[1]　周光辉，江平宇，张映峰，等.基于ＷＥＢ的网络化分散制造电子服务操作平台.计算机集成制造系统-CIMS，2002，8(4)：294～298
[2]　黄菊花，黎雪芬，饶进军，等.材料成形计算机模拟中的参数化有限元法.中国机械工程，2003，14(2)：145～147

作者简介：陈珂，男，1972年生。四川大学制造科学与工程学院博士研究生。研究方向为CAD/CAM、先进制造技术。发表论文7篇。殷国富，男，1956年生。四川大学制造科学与工程学院院长、教授、博士研究生导师。汪永超，男，1971年生。四川大学制造科学与工程学院教授、博士后研究人员。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (11/20/2004)


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