郭紅賓

(許昌學院 信息工程學院，河南 許昌 461000)

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農(nóng)機CAE服務(wù)平臺研究
——基于云計算和快速設(shè)計技術(shù)

郭紅賓

(許昌學院 信息工程學院，河南 許昌 461000)

針對現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)對配套農(nóng)機的迫切需求，考慮農(nóng)機市場需求的多樣性和個性化，為了縮短設(shè)計周期，提高現(xiàn)代化農(nóng)機的設(shè)計效率，結(jié)合現(xiàn)代資源分布式管理技術(shù)，提出了一種融合云計算和參數(shù)化、模塊化快速設(shè)計的農(nóng)機CAE服務(wù)平臺，并對其關(guān)鍵技術(shù)、設(shè)計理念和實現(xiàn)過程進行了深入的研究。在SaaS服務(wù)模式下，基于農(nóng)機部件的模塊化和參數(shù)化設(shè)計理念，構(gòu)建了農(nóng)機部件的CAE參數(shù)化建模和有限元分析云服務(wù)平臺，并以有限元協(xié)同仿真計算為研究對象，驗證了農(nóng)機設(shè)計制造云服務(wù)平臺的可行性。由典型農(nóng)機收割機部件的建模和有限元分析發(fā)現(xiàn)：云設(shè)計制作服務(wù)平臺可以快速地通過輸入?yún)?shù)方法得到收割機支持件，并實現(xiàn)高速的有限元分析，在現(xiàn)代化農(nóng)機設(shè)計中具有可行性。

農(nóng)機設(shè)計；CAE服務(wù)平臺；云計算；SaaS服務(wù)；協(xié)同仿真

0 引言

隨著機械設(shè)計制造企業(yè)信息化技術(shù)的快速發(fā)展，以企業(yè)資源規(guī)劃ERP和執(zhí)行系統(tǒng)MES為代表的設(shè)計加工信息系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用在機械設(shè)計制造行業(yè)，有效地提高了行業(yè)的現(xiàn)代化設(shè)計水平。隨著農(nóng)機現(xiàn)代化水平的不斷提高，農(nóng)機設(shè)計制造行業(yè)的競爭日益加劇，對農(nóng)機設(shè)計和制造效率提出了更高的要求。因此，農(nóng)機生產(chǎn)企業(yè)不僅需要關(guān)注生產(chǎn)成果，還需要對各種生產(chǎn)信息和資源進行有效的管理，從而提高企業(yè)的生產(chǎn)質(zhì)量和效率。在農(nóng)機設(shè)計過程中，大約有50%的零部件可以直接使用標準件，40%為系列零部件，而剩下的約10%則為需要客戶重新設(shè)計的非標準件。在已經(jīng)存在的農(nóng)機部件上進行改進是現(xiàn)在流行的一種快速設(shè)計方法，可以有效地縮短設(shè)計周期，提高行業(yè)的競爭力。對于快速設(shè)計資源的整合，需要一種先進的資源整合和管理模式，來提高設(shè)計的水平和效率，而將云計算平臺引入到農(nóng)機設(shè)計平臺中，可為農(nóng)機現(xiàn)代化設(shè)計提供一種新的方法和思路。

1 農(nóng)機CAE快速設(shè)計云服務(wù)平臺架構(gòu)

云計算的SaaS模式是在2003年被提出來的，是一種先進的客戶關(guān)系管理方案，被應(yīng)用在云處理平臺上。隨著計算機和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，基于Internet的應(yīng)用被廣泛使用在人們的生活中，云計算的出現(xiàn)受到了各行業(yè)的關(guān)注，Google和IBM等大型企業(yè)也加入了云計算產(chǎn)業(yè)的研發(fā)中，并成為云計算的開拓者和領(lǐng)導者。在國內(nèi)，阿里巴巴、百度和騰訊也加入了研究行列，并推出了百度云和阿里云等一系列服務(wù)產(chǎn)品。云計算模式可以按照按需分配的原理合理地優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)資源，將其使用在農(nóng)機設(shè)計中，會有效地提高農(nóng)機產(chǎn)品和部件的設(shè)計效率。云計算主要是將應(yīng)用、數(shù)據(jù)和平臺有機地結(jié)合起來，根據(jù)客戶需求的不同，對資源進行優(yōu)化配置，從而給客戶提供一種個性化的服務(wù)。云計算的服務(wù)框架體系如圖1所示。

圖1 云設(shè)計計算平臺框架

其基本原理是：利用虛擬網(wǎng)絡(luò)的分布式計算機或者集群式服務(wù)器，將數(shù)據(jù)和計算進行部署，使很多企業(yè)可以共享資源，降低資金的投入。該框架采用面向服務(wù)的SOA系統(tǒng)架構(gòu)，將企業(yè)系統(tǒng)和云計算平臺集成，企業(yè)可以根據(jù)產(chǎn)品研發(fā)的需求，對云設(shè)計資源進行訪問， 并在必要時利用協(xié)同設(shè)計環(huán)境，達到產(chǎn)品快速設(shè)計、快速研發(fā)的目的。本次針對農(nóng)機產(chǎn)品的云設(shè)計計算過程如圖2所示。

圖2 基于云計算的模塊和參數(shù)化設(shè)計流程

為了提高農(nóng)機產(chǎn)品和部件的設(shè)計效率，將農(nóng)機部件的設(shè)計進行模塊劃分，然后利用云平臺的協(xié)同工作對資源進行整合，編制出參數(shù)化設(shè)計界面，客戶只需要按照需求輸入相應(yīng)的參數(shù)，便可以完成一系列的相關(guān)服務(wù)。以農(nóng)機部件參數(shù)化優(yōu)化為例，建立云設(shè)計的建模路線，如圖3所示。農(nóng)機部件參數(shù)化設(shè)計是一種支持可變型的設(shè)計，該設(shè)計遵循參數(shù)化原則，可以針對不同模型的幾何尺寸、特征約束和裝配關(guān)系，通過參數(shù)化界面建立產(chǎn)品的幾何圖紙和三維模型。農(nóng)機部件參數(shù)化優(yōu)化具體流程是：首先，通過模塊化分級對零件和裝配體進行建模，創(chuàng)建參數(shù)化數(shù)據(jù)庫；然后，根據(jù)國家規(guī)范和行業(yè)標準設(shè)計參數(shù)化程序開發(fā)，從而達到快速生成模型的目的；最后，將設(shè)計好的產(chǎn)品存在在云端，作為云資源共享，以提高農(nóng)機的現(xiàn)代化設(shè)計水平。

圖3 農(nóng)機部件參數(shù)化優(yōu)化路線

2 云制造資源評價指標的選取

在農(nóng)機數(shù)字化車間的產(chǎn)品設(shè)計過程中，云制造資源的評價指標比較多，為了提高設(shè)計效率，主要選擇3個指標作為云資源的篩選指標，其中主要包括成本C、設(shè)計質(zhì)量Q、設(shè)計和制造時間T。設(shè)計和制造周期是衡量制造業(yè)的一個非常重要的指標，可有效地反映制造資源的效率，也是在設(shè)計過程中最受關(guān)注的項目之一，主要包括設(shè)計加工時間和物流運輸時間，其數(shù)學模型的表達式為

(1)

加工成本是云資源篩選的另一個重要的依據(jù)，設(shè)計制作成本是普通大眾客戶所主要關(guān)注的問題，因為云資源的篩選主要是使昂貴的資源通過共享來降低成本。成本是云平臺使用主要產(chǎn)生的費用，直接影響到資源的認可和選擇，主要包括兩個成分：一是設(shè)計加工成本；二是運輸成本。設(shè)計加工成本主要包括原料、設(shè)備和工時，成本資源篩選的數(shù)學模型為

(2)

同公式(1)一樣，其他項目基本相同，只是將公式中的時間t改為成本c。與成本和時間有所不同，質(zhì)量Q主要受客戶的主觀判斷影響較大，其判斷的對象通常由顏色、材料等主觀來判斷，可以依據(jù)制造資源來統(tǒng)計設(shè)計加工情況，還可以通過下一級提供商來評價，從而選擇資源。質(zhì)量指標數(shù)學模型的表達式為

(3)

其中，qwk表示RTis中第k個資源的合格率。對于q個云平臺的制造資源，權(quán)重是不相同的，權(quán)重的比例主要是通過客戶來確定的。將權(quán)重加入資源優(yōu)選公式，其表達式為

(4)

其中，f(x)表示對多資源進行轉(zhuǎn)換后確定的單一資源；f1(x)表示去量綱后的標準值；wp表示標準值的權(quán)重。根據(jù)前邊所述的時間、成本和質(zhì)量，確定適應(yīng)度函數(shù)為

f(x)=wtEt(x)+wcEc(x)+wqEq(x)+wrEr(x)

wt+we+wq+wr=1

(5)

其中，f(x)表示由3種資源評價項目加權(quán)后得到的多目標線性函數(shù)；wt、we、wq分別表示評價項目的權(quán)重；Et、Ee、Eq表示無量綱化的數(shù)據(jù)。使用蛙跳算法可以對云資源進行局部搜索，其搜索方式為

Y=x+r1(G-x1)+r2(Gc-x2)

Y=x+r3(B-x3)

(6)

其中，x1、x2、x3表示隨機選取的優(yōu)化云資源；Y表示資源調(diào)整后的數(shù)據(jù)；G表示群中的最優(yōu)解；Ge表示次優(yōu)解；x表示云資源的最差資源；B表示種群中的最優(yōu)解。

3 農(nóng)機CAE云快速設(shè)計服務(wù)平臺

本文的CAE農(nóng)機設(shè)計制作服務(wù)平臺采用了云計算模式，將云端建構(gòu)在有限元計算工作站端和服務(wù)器端，用戶可以利用客戶端來實現(xiàn)農(nóng)機的快速設(shè)計，和異地設(shè)計師共享資源、協(xié)同設(shè)計。農(nóng)機協(xié)同設(shè)計框架如圖4所示。

圖4 農(nóng)機協(xié)同設(shè)計框架

利用樹狀結(jié)構(gòu)可以將云設(shè)計制作資源合理地劃分模塊，然后按照任務(wù)可以在云平臺上協(xié)同工作。農(nóng)機設(shè)計云資源平臺提供了參數(shù)設(shè)計模塊(見圖5)，可以直接輸入?yún)?shù)后，得到輸出結(jié)果，更加方便產(chǎn)品的設(shè)計。以農(nóng)機支持部件的設(shè)計為例，在完成結(jié)構(gòu)模型設(shè)計后，可以對其進行有限元分析，以校核農(nóng)機部件的強度。

圖5 云資源參數(shù)化設(shè)計

在云資源有限元參數(shù)化界面可以設(shè)置待分析農(nóng)機部件的各種參數(shù)，包括材料屬性、單元類型和網(wǎng)格劃分等參數(shù)，通過參數(shù)的設(shè)置可以方便地建立模型。本設(shè)計的收割機支撐部件的模型結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 云環(huán)境下參數(shù)化建模結(jié)果

在模型上可以通過施加載荷的方式來校核部件的強度，以收割機裝置的重力為施加載荷，通過有限元分析得到了如圖7所示的分析結(jié)果。

圖7 云服務(wù)器有限元計算結(jié)果

為了提高計算速度，可以通過云服務(wù)器來對有限元數(shù)值仿真進行計算，利用云服務(wù)器協(xié)同仿真原理，通過并行計算，可以快速地得到計算結(jié)果，如圖7所示。根據(jù)仿真結(jié)果圖，可以查看部件在受力過程中的最大應(yīng)力、應(yīng)變集中的部位；然后在應(yīng)力和應(yīng)變集中的位置著重對裝置的結(jié)構(gòu)進行合理地設(shè)計，以提高農(nóng)機部件的結(jié)構(gòu)強度，使其達到更好的性能。

4 結(jié)論

針對現(xiàn)代化農(nóng)機設(shè)計過程中存在的問題，在云環(huán)境下提出了一種農(nóng)機快速設(shè)計制造服務(wù)平臺，引入了一種基于蛙跳算法的云共享資源篩選方案，有效地優(yōu)化了云平臺資源的可靠性。對云服務(wù)平臺的設(shè)計流程、設(shè)計框架和基本設(shè)計路線進行了深入研究，并構(gòu)建了農(nóng)機部件的CAE參數(shù)化建模和有限元分析云服務(wù)平臺，以收割機有限元的協(xié)同仿真為研究對象，驗證了平臺的可行性。通過云快速設(shè)計計算服務(wù)平臺，快速地構(gòu)建了收割機支撐構(gòu)建的模型，并對模型進行了有限元分析，得到了較好的設(shè)計效果。

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The CAE Service Platform of Agricultural Machinery—Based on the Integration of Cloud Computing and Rapid Design Technology

Guo Hongbin

(School of information engineering, Xuchang University, Xuchang 461000, China)

For supporting the urgent demand for agricultural modernization, considering the demand of the market of agricultural machinery diversity and individuality, in order to shorten the design cycle, improve the design efficiency of agricultural modernization, combined with modern distributed resource management technology, it presents a fusion of cloud computing and parameterization, modular rapid design of agricultural CAE service platform, researches on its key technologies, designs the concept and implementation. In the SaaS service model, machine parts, modular and parametric design concept constructed agricultural machinery parts CAE parametric modeling and finite element analysis of cloud services platform, and using finite element method (FEM) collaborative simulation is calculated as the object of study, it designs the manufacture of farm machinery of cloud services platform feasibility,which has been verified. Finally by the typical agricultural harvester parts modeling and finite element analysis ,it was found that cloud design service platform can quickly through the method of input parameters obtained harvester support member, and the realize high speed of finite element analysis,which showed to be feasible in the design of the modern agricultural.

farm machinery design; CAE service platform; cloud computing； SaaS service; collaborative simulation

2016-07-05

河南省科技廳重點科技攻關(guān)項目(122102210488)

郭紅賓(1982-)，男，河南鶴壁人，講師，碩士，(E-mail)hbguo2016@sina.con。

S126；TP311.52

A

1003-188X(2017)10-0236-05