農(nóng)機(jī)CAE服務(wù)平臺(tái)研究
——基于云計(jì)算和快速設(shè)計(jì)技術(shù)

郭紅賓

(許昌學(xué)院 信息工程學(xué)院，河南 許昌 461000)

?

農(nóng)機(jī)CAE服務(wù)平臺(tái)研究
——基于云計(jì)算和快速設(shè)計(jì)技術(shù)

郭紅賓

(許昌學(xué)院 信息工程學(xué)院，河南 許昌 461000)

針對(duì)現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)對(duì)配套農(nóng)機(jī)的迫切需求，考慮農(nóng)機(jī)市場(chǎng)需求的多樣性和個(gè)性化，為了縮短設(shè)計(jì)周期，提高現(xiàn)代化農(nóng)機(jī)的設(shè)計(jì)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(jì)算和參數(shù)化、模塊化快速設(shè)計(jì)的農(nóng)機(jī)CAE服務(wù)平臺(tái)，并對(duì)其關(guān)鍵技術(shù)、設(shè)計(jì)理念和實(shí)現(xiàn)過程進(jìn)行了深入的研究。在SaaS服務(wù)模式下，基于農(nóng)機(jī)部件的模塊化和參數(shù)化設(shè)計(jì)理念，構(gòu)建了農(nóng)機(jī)部件的CAE參數(shù)化建模和有限元分析云服務(wù)平臺(tái)，并以有限元協(xié)同仿真計(jì)算為研究對(duì)象，驗(yàn)證了農(nóng)機(jī)設(shè)計(jì)制造云服務(wù)平臺(tái)的可行性。由典型農(nóng)機(jī)收割機(jī)部件的建模和有限元分析發(fā)現(xiàn)：云設(shè)計(jì)制作服務(wù)平臺(tái)可以快速地通過輸入?yún)?shù)方法得到收割機(jī)支持件，并實(shí)現(xiàn)高速的有限元分析，在現(xiàn)代化農(nóng)機(jī)設(shè)計(jì)中具有可行性。

農(nóng)機(jī)設(shè)計(jì)；CAE服務(wù)平臺(tái)；云計(jì)算；SaaS服務(wù)；協(xié)同仿真

0 引言

隨著機(jī)械設(shè)計(jì)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(jì)加工信息系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用在機(jī)械設(shè)計(jì)制造行業(yè)，有效地提高了行業(yè)的現(xiàn)代化設(shè)計(jì)水平。隨著農(nóng)機(jī)現(xiàn)代化水平的不斷提高，農(nóng)機(jī)設(shè)計(jì)制造行業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)日益加劇，對(duì)農(nóng)機(jī)設(shè)計(jì)和制造效率提出了更高的要求。因此，農(nóng)機(jī)生產(chǎn)企業(yè)不僅需要關(guān)注生產(chǎn)成果，還需要對(duì)各種生產(chǎn)信息和資源進(jìn)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(jī)設(shè)計(jì)過程中，大約有50%的零部件可以直接使用標(biāo)準(zhǔn)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(jì)的非標(biāo)準(zhǔn)件。在已經(jīng)存在的農(nóng)機(jī)部件上進(jìn)行改進(jìn)是現(xiàn)在流行的一種快速設(shè)計(jì)方法，可以有效地縮短設(shè)計(jì)周期，提高行業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力。對(duì)于快速設(shè)計(jì)資源的整合，需要一種先進(jìn)的資源整合和管理模式，來提高設(shè)計(jì)的水平和效率，而將云計(jì)算平臺(tái)引入到農(nóng)機(jī)設(shè)計(jì)平臺(tái)中，可為農(nóng)機(jī)現(xiàn)代化設(shè)計(jì)提供一種新的方法和思路。

1 農(nóng)機(jī)CAE快速設(shè)計(jì)云服務(wù)平臺(tái)架構(gòu)

云計(jì)算的SaaS模式是在2003年被提出來的，是一種先進(jìn)的客戶關(guān)系管理方案，被應(yīng)用在云處理平臺(tái)上。隨著計(jì)算機(jī)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(jì)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(jì)算產(chǎn)業(yè)的研發(fā)中，并成為云計(jì)算的開拓者和領(lǐng)導(dǎo)者。在國(guó)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(jì)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(jī)設(shè)計(jì)中，會(huì)有效地提高農(nóng)機(jī)產(chǎn)品和部件的設(shè)計(jì)效率。云計(jì)算主要是將應(yīng)用、數(shù)據(jù)和平臺(tái)有機(jī)地結(jié)合起來，根據(jù)客戶需求的不同，對(duì)資源進(jìn)行優(yōu)化配置，從而給客戶提供一種個(gè)性化的服務(wù)。云計(jì)算的服務(wù)框架體系如圖1所示。

圖1 云設(shè)計(jì)計(jì)算平臺(tái)框架

其基本原理是：利用虛擬網(wǎng)絡(luò)的分布式計(jì)算機(jī)或者集群式服務(wù)器，將數(shù)據(jù)和計(jì)算進(jìn)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(jì)算平臺(tái)集成，企業(yè)可以根據(jù)產(chǎn)品研發(fā)的需求，對(duì)云設(shè)計(jì)資源進(jìn)行訪問， 并在必要時(shí)利用協(xié)同設(shè)計(jì)環(huán)境，達(dá)到產(chǎn)品快速設(shè)計(jì)、快速研發(fā)的目的。本次針對(duì)農(nóng)機(jī)產(chǎn)品的云設(shè)計(jì)計(jì)算過程如圖2所示。

圖2 基于云計(jì)算的模塊和參數(shù)化設(shè)計(jì)流程

為了提高農(nóng)機(jī)產(chǎn)品和部件的設(shè)計(jì)效率，將農(nóng)機(jī)部件的設(shè)計(jì)進(jìn)行模塊劃分，然后利用云平臺(tái)的協(xié)同工作對(duì)資源進(jìn)行整合，編制出參數(shù)化設(shè)計(jì)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(jī)部件參數(shù)化優(yōu)化為例，建立云設(shè)計(jì)的建模路線，如圖3所示。農(nóng)機(jī)部件參數(shù)化設(shè)計(jì)是一種支持可變型的設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)遵循參數(shù)化原則，可以針對(duì)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(jī)部件參數(shù)化優(yōu)化具體流程是：首先，通過模塊化分級(jí)對(duì)零件和裝配體進(jìn)行建模，創(chuàng)建參數(shù)化數(shù)據(jù)庫(kù)；然后，根據(jù)國(guó)家規(guī)范和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)參數(shù)化程序開發(fā)，從而達(dá)到快速生成模型的目的；最后，將設(shè)計(jì)好的產(chǎn)品存在在云端，作為云資源共享，以提高農(nóng)機(jī)的現(xiàn)代化設(shè)計(jì)水平。

圖3 農(nóng)機(jī)部件參數(shù)化優(yōu)化路線

2 云制造資源評(píng)價(jià)指標(biāo)的選取

在農(nóng)機(jī)數(shù)字化車間的產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中，云制造資源的評(píng)價(jià)指標(biāo)比較多，為了提高設(shè)計(jì)效率，主要選擇3個(gè)指標(biāo)作為云資源的篩選指標(biāo)，其中主要包括成本C、設(shè)計(jì)質(zhì)量Q、設(shè)計(jì)和制造時(shí)間T。設(shè)計(jì)和制造周期是衡量制造業(yè)的一個(gè)非常重要的指標(biāo)，可有效地反映制造資源的效率，也是在設(shè)計(jì)過程中最受關(guān)注的項(xiàng)目之一，主要包括設(shè)計(jì)加工時(shí)間和物流運(yùn)輸時(shí)間，其數(shù)學(xué)模型的表達(dá)式為

(1)

加工成本是云資源篩選的另一個(gè)重要的依據(jù)，設(shè)計(jì)制作成本是普通大眾客戶所主要關(guān)注的問題，因?yàn)樵瀑Y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(tái)使用主要產(chǎn)生的費(fèi)用，直接影響到資源的認(rèn)可和選擇，主要包括兩個(gè)成分：一是設(shè)計(jì)加工成本；二是運(yùn)輸成本。設(shè)計(jì)加工成本主要包括原料、設(shè)備和工時(shí)，成本資源篩選的數(shù)學(xué)模型為

(2)

同公式(1)一樣，其他項(xiàng)目基本相同，只是將公式中的時(shí)間t改為成本c。與成本和時(shí)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(duì)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(jì)設(shè)計(jì)加工情況，還可以通過下一級(jí)提供商來評(píng)價(jià)，從而選擇資源。質(zhì)量指標(biāo)數(shù)學(xué)模型的表達(dá)式為

(3)

其中，qwk表示RTis中第k個(gè)資源的合格率。對(duì)于q個(gè)云平臺(tái)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(dá)式為

(4)

其中，f(x)表示對(duì)多資源進(jìn)行轉(zhuǎn)換后確定的單一資源；f1(x)表示去量綱后的標(biāo)準(zhǔn)值；wp表示標(biāo)準(zhǔn)值的權(quán)重。根據(jù)前邊所述的時(shí)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(píng)價(jià)項(xiàng)目加權(quán)后得到的多目標(biāo)線性函數(shù)；wt、we、wq分別表示評(píng)價(jià)項(xiàng)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(duì)云資源進(jìn)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(jī)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(jī)CAE云快速設(shè)計(jì)服務(wù)平臺(tái)

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

圖4 農(nóng)機(jī)協(xié)同設(shè)計(jì)框架

利用樹狀結(jié)構(gòu)可以將云設(shè)計(jì)制作資源合理地劃分模塊，然后按照任務(wù)可以在云平臺(tái)上協(xié)同工作。農(nóng)機(jī)設(shè)計(jì)云資源平臺(tái)提供了參數(shù)設(shè)計(jì)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(jì)。以農(nóng)機(jī)支持部件的設(shè)計(jì)為例，在完成結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)后，可以對(duì)其進(jìn)行有限元分析，以校核農(nóng)機(jī)部件的強(qiáng)度。

圖5 云資源參數(shù)化設(shè)計(jì)

在云資源有限元參數(shù)化界面可以設(shè)置待分析農(nóng)機(jī)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(jì)的收割機(jī)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(qiáng)度，以收割機(jī)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(jì)算結(jié)果

為了提高計(jì)算速度，可以通過云服務(wù)器來對(duì)有限元數(shù)值仿真進(jìn)行計(jì)算，利用云服務(wù)器協(xié)同仿真原理，通過并行計(jì)算，可以快速地得到計(jì)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(duì)裝置的結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理地設(shè)計(jì)，以提高農(nóng)機(jī)部件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，使其達(dá)到更好的性能。

4 結(jié)論

針對(duì)現(xiàn)代化農(nóng)機(jī)設(shè)計(jì)過程中存在的問題，在云環(huán)境下提出了一種農(nóng)機(jī)快速設(shè)計(jì)制造服務(wù)平臺(tái)，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(tái)資源的可靠性。對(duì)云服務(wù)平臺(tái)的設(shè)計(jì)流程、設(shè)計(jì)框架和基本設(shè)計(jì)路線進(jìn)行了深入研究，并構(gòu)建了農(nóng)機(jī)部件的CAE參數(shù)化建模和有限元分析云服務(wù)平臺(tái)，以收割機(jī)有限元的協(xié)同仿真為研究對(duì)象，驗(yàn)證了平臺(tái)的可行性。通過云快速設(shè)計(jì)計(jì)算服務(wù)平臺(tái)，快速地構(gòu)建了收割機(jī)支撐構(gòu)建的模型，并對(duì)模型進(jìn)行了有限元分析，得到了較好的設(shè)計(jì)效果。

[1] 王宗彥,王喬,吳淑芳,等.基于零裝配的動(dòng)態(tài)全息模型 [J].計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng),2013,19(5):1000-1008.

[2] 李伯虎,張霖,任磊,等.再論云制造[J].計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng),2011,17(3):449-457.

[3] 王時(shí)龍,郭亮.云制造應(yīng)用模式探討及方案分析[J].計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng),2012,18(7):1637-1643.

[4] 高春城.我國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展的資源環(huán)境問題與展望[J].當(dāng)代生態(tài)農(nóng)業(yè),2013,3(4):151-154.

[5] 萬寶瑞.當(dāng)前我國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)與建議[J].農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)問題,2014,4(1):110-114.

[6] 徐茂,鄧蓉.國(guó)內(nèi)外設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展比較[J].北京農(nóng)學(xué)院學(xué)報(bào),2014,29(2):75-79.

[7] 趙其國(guó).當(dāng)前我國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展中存在的深層次問題及對(duì)策[J].生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào),2013,22(6):911-915.

[8] 趙其國(guó),黃國(guó)勤,王禮獻(xiàn).中國(guó)生態(tài)安全、農(nóng)業(yè)安全及“三農(nóng)”建設(shè)研究[J].農(nóng)林經(jīng)濟(jì)管理學(xué)報(bào),2014,13 (3):237-243.

[9] 何哲,孫林巖,朱春燕.服務(wù)型制造的概念、問題和前瞻[J]. 科學(xué)研究,2010,28(1):53-60.

[10] 范文慧,肖田元.基于聯(lián)邦模式的云制造集成體系架構(gòu)[J].計(jì)算機(jī)集成系統(tǒng),2011,17(3):469-475.

[11] 張霖,羅永亮,范文慧,等.云制造及相關(guān)先進(jìn)制造模式分析[J].計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng),2011,17(3):458-468.

[12] 張霖,羅永亮,陶飛,等.制造云構(gòu)建關(guān)鍵技術(shù)研究[J].計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng),2010,16(11):2510-2520.

[13] 尹超,黃必清,劉飛,等.中小企業(yè)云制造服務(wù)平臺(tái)共性關(guān)鍵技術(shù)體系[J].計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng),2011,17 (3):495-502.

[14] 沈斌,齊黨進(jìn),樊留群,等.基于面向服務(wù)體系結(jié)構(gòu)的制造企業(yè)協(xié)同化工程支持技術(shù)[J].計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng),2011,17(4):876-881.

[15] 任磊,張霖,張雅彬,等.云制造資源虛擬化研究[J].計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng),2011,17(3):511-518.

[16] 馬翠霞,任磊,騰東興,等.云制造環(huán)境下的普適人機(jī)交互技術(shù)[J].計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng),2011,17(3):504- 510.

[17] 黃剛,鐘小勇,龍淵銘,等.基于數(shù)據(jù)云與應(yīng)用云分離模式的制造資源云定位服務(wù)平臺(tái)[J].計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng),2011,17(3):519-524.

[18] 陶飛,張霖,郭華,等.云制造特征及云服務(wù)組合關(guān)鍵問題研究[J].計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng),2011,17(3): 477-486.

[19] 齊二石,石學(xué)剛,李曉梅.現(xiàn)代制造服務(wù)業(yè)研究綜述[J].工業(yè)工程,2010,13(5):1-7.

[20] 林文進(jìn),江志斌,李娜.服務(wù)型制造理論研究綜述[J].工業(yè)工程與管理,2009,14(6):1-6.

[21] 李剛,孫林巖,高杰.服務(wù)型制造模式的體系結(jié)構(gòu)與實(shí)施模式研究[J].科技進(jìn)步與對(duì)策,2010,27(7):45-50.

[22] 房秉毅,張?jiān)朴?陳清金.云計(jì)算環(huán)境下統(tǒng)一SaaS平臺(tái)[J].電信網(wǎng)技術(shù),2011(5):15-18.

[23] 黃啟良,王宗彥,吳淑芳,等.參數(shù)化變型設(shè)計(jì)中工程圖調(diào)整技術(shù)優(yōu)化研究[J].工程圖學(xué)學(xué)報(bào),2011,32(1):168-173.

[24] 成靜靜.基于 Hadoop 的分布式云計(jì)算 / 云存儲(chǔ)方案的研究與設(shè)計(jì)[J].數(shù)據(jù)通信,2012(5):14-18.

[25] Baris Sabuncuoglu, Memis Memis, Silberschmidt Vadim V.A parametric finite element analysis method for low-density thermally bonded nonwovens[J].Computational Materials Science, 2012(52):164-170.

[26] 楊海成.云制造是一種制造服務(wù)[J].中國(guó)制造信息,2010,6(5): 22-23.

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(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)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