[發明專利]一種服務產業聯盟的遠程有限元分析方法

有效

• 申請號: 201410064632.4
• 申請日: 2014-02-26
• 公開（公告）號: CN104077428B
• 公開（公告）日: 2017-07-28
• 發明（設計）人: 肖剛;張元鳴;馬成龍;高飛;陸佳煒;盧金晨;陳苗
• 申請（專利權）人: 浙江工業大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 杭州天正專利事務所有限公司33201
• 代理人: 王兵,黃美娟

1.一種服務產業聯盟的遠程有限元分析方法，包括如下步驟：

1)相似產品有限元模板提取；按照產品的結構特征和承力特點，分析特征結構的力學模型、材料屬性、網格劃分方法和邊界條件，將這些處理過程程序化，進行有限元模板提取，對邊界條件類型固定化，分析過程參數化；

1.1)邊界條件類型固定化；有限元分析利用數學近似的方法對真實物理系統進行模擬，可簡化成求解微分方程，而求微分方程需要限定的變量值稱為邊界條件；在有限元分析當中邊界條件分為約束和載荷兩類；產業聯盟內成員企業相似產品力學模型具有一致性，主要表現為圖元類型一致性、約束類型一致性、載荷類型一致性；對產業聯盟內成員企業相似產品進行分析處理，歸納邊界條件類型，封裝成固定的模板即原始有限元模型，儲存在服務器端數據庫；

1.2)分析過程參數化；聯盟成員企業相似產品具有一致性也具有差異性，差異性主要表現在幾何模型差異性、材料差異性和載荷大小差異性；幾何模型差異性又分為尺寸差異性和結構差異性，在CAD系統中建模過程中實現；而材料差異性和載荷差異性在CAE前處理過程中完成；

幾何模型、材料屬性和載荷大小作為有限元分析的輸入參數，將這些參數嵌入到命令流文件中，以便自動實現新產品的有限元分析；通過對CAE和CAE系統的二次開發，可對參數的動態修改，實現用戶交互操作；

2)幾何模型構建；根據產品結構的特點，可進行固定結構的產品建模和變型結構的產品建模；對固定結構的產品建模可通過參數化建模和用戶自定義建模兩種方式實現；而變型結構的產品需要通過用戶自定義建模完成；利用CAD系統進行幾何模型的構建；

3)邊界條件標定；將幾何模型轉化成有限元模型前在幾何模型中做必要的標定，通過在幾何模型中插入相應的局部坐標系來查找施加邊界條件的圖元；

根據局部坐標系查找圖元的具體方法為：先指定圖元類型、坐標及尺寸，由于邊界條件主要施加在點線面上，可以將圖元類型分為點、直線、曲線、平面、柱面和球面；由于圖元類型為點、線、面，不存在質量分布不均的問題，根據圖元類型可求出質心坐標；圖元尺寸可用長度和面積進行度量，其中長度適用于線圖元，面積適用于面圖元；最后插入局部坐標系；

4)有限元模型轉換；完成產品的分析計算需要將幾何模型轉換成有限元模型，將標定了邊界條件的幾何模型導入到有限元協同環境中的Design Modeler，實現幾何模型的共享，并在Design Simulation進行前處理、分析計算和后處理；

4.1)Workbench調用；通過操作系統命令執行ANSYS Workbench，還可以實現命令的參數化，以便實現分析自動化，通過下面的命令行實現平臺的啟動：

<installation path>/v140/Framework/bin/<platform>/runwb2；

協同平臺啟動的同時需要指定執行行為，對邊界條件相同、結構不同產品的遠程有限元分析是在批處理模式下實現分析，有限元分析處理主要通過腳本文件實現；因此指定的行為可總結為：在批處理模式下，運行執行指定的命令流，并在完成命令流執行后關閉控制臺窗口，實現此功能的命令行如下：

-B-R<installation path>/example.wbjn；

將啟動Workbench和指定操作封裝成一個Web Service的方法，供遠程調用；

4.2)命令流實現；模型轉換通過參數化的命令流實現，命令流調用SDK對象實現對Workbench各個模塊的操作，Workbench提供的SDK對象是基于組件對象模型,它可以直接被腳本程序訪問；參數化的命令涉及到Workbench的Design Modeler和Design Simulation兩個模塊；

幾何模型、材料屬性和載荷大小作為有限元分析的輸入參數，可根據用戶需要對參數修改，實現交互操作；首先打開原始有限元模型，將幾何模型導入有限元協同仿真環境；然后根據用戶輸入的有限元參數設置材料屬性和載荷大小，對有限元模型重新劃分網格和施加邊界條件完成模型轉換；

5)遠程有限元計算；利用命令流對轉換后的有限元模型求解并輸出結果，根據有限元模板中設定的分析計算方法和步驟對新模型求解，并在Design Simulation環境中調用宏命令將節點應力和位移輸出；

6)可視化輸出；利用WebGL三維可視化技術將分析結果轉換成三維圖形或圖像顯示給用戶；

6.1)數據分類與處理；有限元分析結果的數據可分為幾類儲存在數據庫中，主要的表信息如下：

(1)結構基本表：記錄有限元模型每個節點的坐標(x,y,z)；

(2)單元基本表：記錄劃分網格的類型，以及每個單元含有的節點編號及排列順序；

(3)應力基本表：記錄有限元計算的每個節點的應力值；

(4)位移基本表：記錄每個節點的變型尺寸；

(5)可見點基本表:記錄表面可見的所有節點的編號，可見點的標定可通過在原始有限元模型指定圖元類型來實現，設定面圖元即可選擇所有的表面；

為了便于將數據從服務器傳輸到客戶端，先將數據庫中的數據按照一定方式轉換為XML格式；網格劃分將實體劃分成小的立體結構，WebGL基本構建塊是三角形，因此在生成XML格式之前對數據進行預處理，將體數據轉化成面數據，將同一面上的數據按照相應的順序存儲為XML文檔的子元素，方便在客戶端對數據解析；

6.2)可視化模型的構造與顯示；WebGL提供三種基本圖元：點、線、三角形，從3D圖形硬件角度來看，三角形是最基本的構建塊，因此，將有限元結果模型分解成三角形圖元；

用戶發送請求后，首先從服務器端調用模型顯示的網頁，然后數據以XML格式傳到客戶端，瀏覽器通過對XML的解析得到相應的數據完成三維模型的顯示渲染；繪制步驟為：

第一步繪制頂點，根據節點坐標畫出節點；

第二步節點著色，將應力或位移轉化為相應的顏色；

第三步圖元裝配，根據單元內的節點排序，連接節點裝配成三角形；

第四步，光柵化三角形圖元片段，將三角形圖元連接成體；

6.3)結果模型簡化；有限元分析每個模型單元個數都是十分龐大的，因此三角形數量也是巨大的；對用戶而言，隱藏在模型內部的三角形是不可見的，將這些三角形對應的數據剔除掉，從而不對這些三角形進行渲染，大大提高了圖形或圖像的顯示速度；如何判斷三角形的可見性是可視化環節的關鍵，云圖三角形可見性判斷算法的步驟是：

算法循環判斷各個單元里的每個節點是否在可見點基本表中，當某個單元的節點的可見點個數少于n時舍去此單元，n是一個面上的節點數，當大于n時，按照各個面上節點的順序查找節點是否全部在可見點數組中，若有一點不在即跳出對此面節點的查找；

7)服務平臺實現；根據產業聯盟的特點，建立了產業聯盟內力學模型一致、結構參數不同的零部件遠程有限元分析服務平臺，系統采用Browser/Server，瀏覽器/服務器模式；從結構上將遠程有限元服務平臺大體可分為終端客戶層、服務功能層和數據資源層3個層次；終端客戶層，產業聯盟成員企業進行有限元分析的信息交互界面；服務功能層，該服務功能層是平臺的核心部分，將功能劃分為幾何模型構建模塊、命令流文件生成模塊、有限元模型轉換模塊、分析計算模塊和結果可視化模塊，共5個模塊，各個模塊通過平臺統一調配；數據資源層，數據資源層包括聯盟成員企業信息庫、幾何模板庫、有限元模板庫、分析結果數據庫。