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    基于模型庫脫粒裝置交互式工程分析系統(tǒng)

    2021-04-06 14:27:38劉宏新張光甫周麗麗王登宇
    關(guān)鍵詞:模型庫脫粒滾筒

    劉宏新,張光甫,周麗麗,冷 峻,王登宇

    (1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院,哈爾濱150030;2.雷沃重工股份有限公司,山東 濰坊261000)

    產(chǎn)品強(qiáng)度與剛度是產(chǎn)品使用安全重要保障,工程分析是驗(yàn)證該標(biāo)準(zhǔn)有效途徑。傳統(tǒng)工程分析由設(shè)計(jì)者手工計(jì)算完成,該方法根據(jù)簡單經(jīng)驗(yàn)公式定性比較不同設(shè)計(jì)方案優(yōu)劣,無法得出精確結(jié)果,效率較低,且當(dāng)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜、計(jì)算量大時,手工方法無法完成。隨著計(jì)算機(jī)及其應(yīng)用技術(shù)發(fā)展,工程分析技術(shù)開始與計(jì)算機(jī)技術(shù)結(jié)合,形成計(jì)算機(jī)輔助工程(Computer aided engineering,CAE)技術(shù),極大提高設(shè)計(jì)效率和研發(fā)水平[1]。

    計(jì)算機(jī)輔助工程是應(yīng)用計(jì)算機(jī)及相關(guān)軟件分析產(chǎn)品性能與安全可靠性,預(yù)估其性能和缺陷,證實(shí)所設(shè)計(jì)產(chǎn)品功能可用性和性能可靠性的一門計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)[2-3]。CAE技術(shù)產(chǎn)生與發(fā)展不僅加速設(shè)計(jì)——分析迭代,也使分析過程提前,對提升產(chǎn)品創(chuàng)新能力具有重要意義[4-5]。但目前CAE軟件與三維建模軟件CAE模塊僅支持面向結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),對設(shè)計(jì)人員專業(yè)知識及綜合素質(zhì)要求高,專業(yè)性極強(qiáng),而非專業(yè)人員則難以保證分析專業(yè)性與準(zhǔn)確性[6-8]。

    國內(nèi)外對交互式工程分析系統(tǒng)開展相關(guān)研究。胡安慶設(shè)計(jì)應(yīng)用于配氣機(jī)構(gòu)的工程分析系統(tǒng),可實(shí)現(xiàn)參數(shù)化建模,得出應(yīng)力應(yīng)變、影響曲線等[9]。董明鑫研究板帶軋制過程有限元分析平臺[10]。崔溦等開發(fā)ABAQUS軟件,驗(yàn)證基于微平面模型子程序有效性[11]。楊猗堯等開發(fā)移動式壓力容器強(qiáng)度計(jì)算軟件[12]。羅陸鋒等基于虛擬現(xiàn)實(shí)平臺EON開發(fā)采摘機(jī)器人虛擬仿真系統(tǒng)[13]。Stewart等運(yùn)用ANSYS軟件用戶編程特性方法,建立各向異性材料三次蠕變損傷本構(gòu)模型[14]。Luo等利用Python語言對ABAQUS二次開發(fā),實(shí)現(xiàn)優(yōu)化層壓板序列和艙口半徑功能[15]。Atlati等開發(fā)基于ABAQUS和EXPLICIT有限元程序用戶子程序VUNIT,實(shí)現(xiàn)摩擦熱速度相關(guān)熱分配系數(shù)確定[16]。Mahler等設(shè)計(jì)蠕變疲勞評估工具,對特定材料制成結(jié)構(gòu)部件快速檢測蠕變疲勞損傷[17]。Zhang等開發(fā)顆粒阻尼結(jié)構(gòu)諧波分析模塊,實(shí)現(xiàn)預(yù)測顆粒阻尼結(jié)構(gòu)諧波響應(yīng)[18]。國內(nèi)外對交互式工程分析系統(tǒng)研究取得一定進(jìn)展與突破,在車輛、航天、機(jī)械制造等領(lǐng)域處于試用階段,但在農(nóng)機(jī)裝備領(lǐng)域鮮有研究。農(nóng)機(jī)裝備由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜性與工作環(huán)境惡劣性,更需工程分析以驗(yàn)證其強(qiáng)度、剛度是否滿足要求。同時,國內(nèi)外在該領(lǐng)域相關(guān)研究主要以ANSYS、ABAQUS等專業(yè)CAE軟件為分析環(huán)境,專業(yè)CAE軟件與三維建模軟件間交互性不足,模型修改后需反復(fù)轉(zhuǎn)換導(dǎo)入導(dǎo)出易導(dǎo)致模型信息丟失,操作繁瑣易錯,影響分析效率。

    近年來,東北農(nóng)業(yè)大學(xué)智能化設(shè)計(jì)課題組致力于裝備智能化設(shè)計(jì)技術(shù)研究[19-20],構(gòu)建聯(lián)合收獲機(jī)脫粒與清選裝置參數(shù)化模型庫,模型可根據(jù)用戶所需工作參數(shù)作參數(shù)化變型,以滿足用戶個性化定制需求。作為聯(lián)合收獲機(jī)核心工作部件,脫粒裝置安全性與可靠性直接影響聯(lián)合收獲機(jī)工作性能[21-22],模型庫中參數(shù)化變型獲得脫粒裝置模型需保證裝置在指定工作參數(shù)下安全性與可靠性。因此,對脫粒裝置作交互式工程分析具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

    脫粒裝置作為聯(lián)合收獲機(jī)重要部件,對收獲效率尤為重要。針對上述問題,本文以聯(lián)合收獲機(jī)脫粒裝置為分析對象,基于聯(lián)合收獲機(jī)脫粒與清選裝置參數(shù)化模型庫,在CATIA創(chuàng)成式結(jié)構(gòu)分析(Generative structural analysis,GSA)環(huán)境下,研究交互式工程分析系統(tǒng),對脫粒裝置實(shí)現(xiàn)專業(yè)、準(zhǔn)確、便捷的工程分析,為農(nóng)機(jī)裝備智能化設(shè)計(jì)平臺建立奠定技術(shù)基礎(chǔ),同時為其他裝備領(lǐng)域工程分析系統(tǒng)提供技術(shù)參考。

    1 系統(tǒng)總體方案

    脫粒裝置交互式工程分析系統(tǒng)在聯(lián)合收獲機(jī)智能化設(shè)計(jì)平臺中與其他子系統(tǒng)與功能模塊關(guān)系如圖1所示。

    圖1 系統(tǒng)關(guān)系Fig.1 System relationship

    依托于聯(lián)合收獲機(jī)模型庫、知識庫建立,由知識庫將設(shè)計(jì)知識推送至參數(shù)化模型庫與工程分析系統(tǒng),完成參數(shù)化模型驅(qū)動和工程分析系統(tǒng)中參數(shù)獲取;由參數(shù)化模型庫中調(diào)取所需分析模型并完成參數(shù)傳遞;工程分析模型庫實(shí)現(xiàn)模型儲存管理和模型參數(shù)和設(shè)計(jì)知識反饋。工程分析模型庫具有瀏覽、調(diào)用、增加、刪除、修改、檢索等基本功能,與結(jié)構(gòu)模型庫之間通過數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)雙向傳遞,且擴(kuò)充與完善結(jié)構(gòu)模型庫。各系統(tǒng)之間彼此關(guān)聯(lián),相互協(xié)作,輔助完成脫粒裝置工程分析。

    1.1 開發(fā)方式

    本文利用自動化對象編程CATIA Automation[23],采用Visual Studio集成開發(fā)環(huán)境和基于.NET框架可視化編程語言Visual Basic開發(fā)脫粒裝置交互式工程分析系統(tǒng),與傳統(tǒng)組件應(yīng)用架構(gòu)(Component application architecture,CAA)技術(shù)相比更易操作,同時可為用戶提供更直觀交互界面。在CATIA Automation中,數(shù)據(jù)均被封裝成對象形式,形成建模時具有層次性樹狀結(jié)構(gòu)。

    CATIA Automation中,Application(應(yīng)用)是根對象,可派生子對象,且有其操縱集合方法和屬性,若需使用某個子對象,必須由頂層根對象開始,逐層向下定義與賦值,直至找到所需對象為止[24]。由于逐層定義對象步驟繁瑣,在說明子對象功能時,本文省略其定義過程。

    1.2 技術(shù)方案

    為實(shí)現(xiàn)對脫粒裝置專業(yè)、準(zhǔn)確、便捷的工程分析,降低對用戶專業(yè)水平要求,系統(tǒng)擬將脫粒裝置工程分析過程中專業(yè)知識封裝,用戶通過輸入已知工作參數(shù),具有與在CATIA中手動實(shí)現(xiàn)工程分析同等效果。通過該系統(tǒng)交互式實(shí)現(xiàn)工程分析過程,用戶直接操作工程分析軟件,提高分析專業(yè)性與準(zhǔn)確性,并減少操作步驟,提高分析效率。

    脫粒裝置交互式工程分析系統(tǒng)功能模塊中,按技術(shù)區(qū)域分為人機(jī)交互、CAX工具集及應(yīng)用技術(shù)3個部分。人機(jī)交互包含與用戶操作相關(guān)界面引導(dǎo)式操作創(chuàng)建;CAX工具集為靜態(tài)分析與模態(tài)分析過程封裝;應(yīng)用技術(shù)模塊為實(shí)現(xiàn)交互式工程分析提供所用技術(shù)。系統(tǒng)同時與知識庫、模型庫完成數(shù)據(jù)交互,遵循行業(yè)設(shè)計(jì)規(guī)范和為后續(xù)開發(fā)提供基礎(chǔ),系統(tǒng)技術(shù)方案如圖2所示。人機(jī)交互工程分析操作流程如圖3所示。

    圖2 系統(tǒng)技術(shù)方案Fig.2 System technical solution

    圖3 工程分析流程Fig.3 Engineering analysis process

    2 脫粒裝置對象分析

    2.1 種類與結(jié)構(gòu)

    系統(tǒng)分析對象為聯(lián)合收獲機(jī)脫粒裝置,種類如圖4所示,脫粒裝置結(jié)構(gòu)特征可將脫粒裝置分為切流、軸流與弓齒滾筒式脫粒裝置。以紋桿滾筒式脫粒裝置為例,結(jié)構(gòu)如圖5所示。

    實(shí)際工作中,紋桿滾筒和凹板是最易損壞部件,故選擇對紋桿滾筒和凹板開展工程分析。在實(shí)現(xiàn)交互式工程分析前,應(yīng)明確分析對象在工作狀態(tài)下實(shí)際約束與載荷情況,確定載入邊界條件。

    圖4 脫粒裝置種類Fig.4 Type of threshing device

    圖5 紋桿滾筒式脫??偝蒄ig.5 Rasp bar cylinder threshing assembly

    2.2 凹板邊界條件

    聯(lián)合收獲機(jī)脫粒過程中,凹板受到來自谷物的連續(xù)作用力。

    根據(jù)實(shí)際工況,將固定凹板前后軸用虛件代替,與剛性虛件相比,柔性虛件允許幾何體發(fā)生形變且精度更高,故選擇添加柔性虛件,并在柔性虛件上添加鉸接約束,僅釋放凹板繞軸轉(zhuǎn)動自由度,限制其他5個方向自由度。虛件和約束添加完成的凹板如圖6所示。谷物對凹板作用力,如圖7所示。

    圖6 凹板虛件和約束Fig.6 Dummy parts and constraints of concave

    圖7 谷物對凹板作用力Fig.7 Force of grain on the concave

    作用力Fp為:

    式中,F(xiàn)p為谷物對凹板作用力(N);m為喂入量(kg·s-1);v為滾筒圓周速度(m·s-1);f為綜合搓擦系數(shù),方向?yàn)檠貪L筒切線方向。

    根據(jù)分析結(jié)果在凹板上施加載荷如圖8所示。

    圖8 載荷施加Fig.8 Load application

    2.3 紋桿滾筒邊界條件

    脫粒過程中,紋桿滾筒利用紋桿與凹板對谷物搓擦作用脫粒,滾筒承受較大作用力,除對滾筒作強(qiáng)度靜態(tài)分析,為檢驗(yàn)滾筒在工作過程中是否因高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生共振,還需對滾筒作模態(tài)分析。由于滾筒固有頻率與其結(jié)構(gòu)密切相關(guān),所以未對滾筒作模型簡化,保留螺栓、螺母、墊片、倒角等結(jié)構(gòu)。

    滾筒軸與幅盤之間相互接觸,通過鍵固定其相對位置,在滾筒軸與幅盤之間分別依托其相合連接關(guān)系、面接觸連接關(guān)系創(chuàng)建柔性連接特性和接觸連接特性,分別在鍵和滾筒軸、幅盤轂之間依托其面接觸連接關(guān)系創(chuàng)建扣緊連接特性,以相同方式,為其他零部件間添加連接特性,如圖9所示。

    圖9 滾筒組件連接特性Fig.9 Cylinder component connection properties

    在滾筒軸兩端添加柔性虛件,作為滾筒支撐部件。工作過程中滾筒繞軸旋轉(zhuǎn),故在滾筒軸動力輸入一側(cè)的柔性虛件上添加夾緊約束,另一側(cè)則添加鉸接約束,僅釋放滾筒繞軸轉(zhuǎn)動自由度,限制其他5個方向自由度。同時在滾筒上添加谷物對滾筒作用力,完成對滾筒邊界條件添加,數(shù)據(jù)由式(1)可得,方向?yàn)檠貪L筒切線方向。滾筒邊界條件施加如圖10所示。

    圖10 滾筒邊界條件Fig.10 Cylinder boundary condition

    3 靜態(tài)分析技術(shù)實(shí)現(xiàn)

    3.1 模型調(diào)用

    在聯(lián)合收獲機(jī)脫粒與清選裝置參數(shù)化模型庫中調(diào)用脫粒裝置模型,以紋桿滾筒式為例,界面如圖11所示。

    圖11 紋桿滾筒式脫粒總成界面Fig.11 Rasp bar cylinder threshing assembly interface

    根據(jù)設(shè)計(jì)“作物種類”“草谷比”等參數(shù),經(jīng)匹配后,系統(tǒng)自動計(jì)算生成工作參數(shù)和部分結(jié)構(gòu)參數(shù),得到目標(biāo)驅(qū)動模型。

    3.2 材料添加

    規(guī)定模型物理與機(jī)械特性,材料添加程序流程框圖如圖12所示。

    圖12 材料添加程序Fig.12 Material adding block

    系統(tǒng)采用CATIA默認(rèn)材料庫為模型添加材料。材料編號與材料類別關(guān)系如表1所示。需添加特殊材料時,可手動添加材料屬性。

    表1 材料類別編號Table1 Number of material category

    3.3 網(wǎng)格劃分

    利用AnalysisModel(分析模型)對象RunTransition(運(yùn)行轉(zhuǎn)換)方法,實(shí)現(xiàn)由零件設(shè)計(jì)工作臺進(jìn)入靜態(tài)分析工作臺,同時為保證模型適中且處于屏幕中央,利用Viewpoint3D(視圖)方法實(shí)現(xiàn)“全部適應(yīng)”效果。

    進(jìn)入工作臺后,CATIA自動定義網(wǎng)格屬性。分析過程中,要求既可使用默認(rèn)網(wǎng)格,也可按照需求重新劃分網(wǎng)格。重置網(wǎng)格并按需求定義程序流程框圖如圖13所示。

    圖13 網(wǎng)格劃分程序Fig.13 Meshing block diagram

    3.4 邊界條件載入

    為簡化模型,在分析零件或裝配體時,將幾何支撐體用具有相同作用虛件代替。需創(chuàng)建引用虛件,并將引用添加至指定模型支撐元素。

    每個模型頂點(diǎn)、棱邊、面等元素均有唯一命名標(biāo)識。但由于CATIA生成的通用命名標(biāo)識形式復(fù)雜冗長,且難以讀取信息,故可利用發(fā)布方法。首先發(fā)布所需支撐元素,重新標(biāo)識,創(chuàng)建新虛件,并將發(fā)布信息添加至指定模型發(fā)布的元素。

    創(chuàng)建約束類型為鉸接及夾緊約束,添加至對應(yīng)元素,本例分別添加至滾筒軸左右端所創(chuàng)建虛件上,同時確定參考系和設(shè)置約束方向;創(chuàng)建均布力類型載荷,添加至發(fā)布的載荷支撐對象,確定參考系和載荷大小與方向。

    為使系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)通用性,需使載入邊界條件不僅滿足原有模型,且滿足經(jīng)參數(shù)化變型后所得新模型,即使邊界條件隨模型變型而發(fā)生變化。載入邊界條件程序框圖如圖14所示。

    在模型庫中,模型參數(shù)化變型可分為系列變型和變異變型。在變異變型過程中,由于模型結(jié)構(gòu)特征發(fā)生改變,邊界條件對應(yīng)支撐對象也隨之改變,故需對邊界條件作自適應(yīng)調(diào)整,以滿足變異變型后新模型。

    圖14 載入邊界條件程序Fig.14 Load boundary condition block diagram

    3.4.1 結(jié)構(gòu)參數(shù)傳遞

    在模型參數(shù)化傳遞過程中,需將模型結(jié)構(gòu)參數(shù)傳遞到系統(tǒng)中,以使對應(yīng)邊界條件根據(jù)此參數(shù)作相應(yīng)變化。

    模型庫可將模型結(jié)構(gòu)參數(shù)輸出為txt格式文本,便于查看和調(diào)用。系統(tǒng)對此文本字符串作讀取并結(jié)合字符串操作函數(shù)處理得出有效信息,即可得到模型的結(jié)構(gòu)參數(shù)。

    3.4.2 邊界條件調(diào)整

    為使模型邊界條件隨脫粒裝置參數(shù)化變型自適應(yīng),需確定邊界條件參數(shù)化變型規(guī)則。

    以柵格式凹板上施加載荷為例,對柵格式凹板作參數(shù)化變型,此種變型為變異變型,故施加的載荷也需相應(yīng)變化。

    由凹板結(jié)構(gòu)參數(shù)確定柵格列數(shù)l和行數(shù)w。柵格載荷由載荷支撐對象和x,y,z方向的大小Fx,Fy,Fz確定。載荷支撐對象可由其通用命名標(biāo)識T表示,故將施加載荷過程封裝為關(guān)于載荷支撐對象的通用命名標(biāo)識T和在3個方向大小為Fx,Fy,Fz的函數(shù)f(T,Fx,Fy,Fz),即可實(shí)現(xiàn)載荷參數(shù)化適應(yīng)。

    3.5 計(jì)算與分析

    將工程分析前處理中添加的邊界條件作整合、計(jì)算,得到便于用戶總結(jié)、分析結(jié)果規(guī)律的圖像與數(shù)據(jù),并根據(jù)用戶給出的條件分析模型是否滿足設(shè)計(jì)要求,計(jì)算分析程序框圖如圖15所示。CATIA Automation中,5種圖像與其對應(yīng)名稱如表2所示。

    依據(jù)分析結(jié)果,判斷是否滿足給定工況下強(qiáng)度要求,當(dāng)米塞斯等效應(yīng)力最大值小于材料屈服極限,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合格。

    圖15 計(jì)算分析程序Fig.15 Computational analysis block diagram

    表2 圖像類型名稱Table 2 Name of the image type

    由于查看米塞斯等效應(yīng)力圖像過程中系統(tǒng)已創(chuàng)建此圖像,無需再創(chuàng)建。比較應(yīng)力值與材料屈服極限值關(guān)系,得出分析結(jié)果。最后,使用Excel VBA方法將分析結(jié)果生成報表并保存,將分析完成的模型保存至工程分析模型庫,以新的文件名保存文件,以便用戶后續(xù)調(diào)用。系統(tǒng)自動根據(jù)裝置類型生成文件路徑并根據(jù)模型工作參數(shù)生成分析模型的文件名稱,以利于模型管理與快速讀取其中信息,增強(qiáng)模型繼承性與可重用性。

    4 模態(tài)分析技術(shù)實(shí)現(xiàn)

    由于模態(tài)分析與靜態(tài)分析功能與實(shí)現(xiàn)的技術(shù)與方法部分相同,故本部分僅說明模態(tài)分析特有部分程序?qū)崿F(xiàn)。

    4.1 邊界條件載入

    利用AnalysisModel對象RunTransition方法由裝配設(shè)計(jì)工作臺進(jìn)入模態(tài)分析工作臺。

    模態(tài)分析中,除虛件和約束外,還需為裝配體添加連接特性。將作為連接關(guān)系的裝配約束轉(zhuǎn)換為可運(yùn)行工程分析的虛件間實(shí)際作用關(guān)系。

    創(chuàng)建一個新的分析實(shí)體并將其添加至分析實(shí)體集合中,通過索引或名稱返回一個約束,創(chuàng)建一個新連接特性,將其添加到指定模型約束上。

    4.2 參數(shù)設(shè)置

    針對聯(lián)合收獲機(jī)脫粒裝置與清選裝置實(shí)際工況,設(shè)置兩個參數(shù),滾筒轉(zhuǎn)速和模態(tài)階數(shù)。滾筒轉(zhuǎn)速決定滾筒外部激振頻率設(shè)置模態(tài)階數(shù)可根據(jù)需求查看不同階數(shù)分析結(jié)果。

    由于在CATIA Automation中未設(shè)置模態(tài)階數(shù)方法,因此,采用程序模擬鍵盤操作調(diào)用CATIA“搜索”命令并通過“Frequency Solution Parameters(模態(tài)分析求解參數(shù))”自動完成參數(shù)設(shè)置。相比于調(diào)用Windows API函數(shù)模擬鼠標(biāo)操作,這種方法不受尋找對話框中按鈕、文本框等坐標(biāo)位置限制,設(shè)置模態(tài)階數(shù)程序流程如圖16所示。

    通過SendKeys(按鍵消息發(fā)送到)方法實(shí)現(xiàn)將一個或多個鍵盤消息發(fā)送到活動窗口,模擬用戶在鍵盤上操作。使用前,需創(chuàng)建WshShell(腳本)對象,實(shí)現(xiàn)運(yùn)行程序、操作注冊表、創(chuàng)建快捷方式、訪問系統(tǒng)文件等操作。模擬CATIA快捷鍵Ctrl+F快速打開“搜索”對話框和使用Clipboard(剪貼板)方法,將待搜索對象名稱添加到剪貼板中。在“搜索”對話框中,按Tab可使焦點(diǎn)移動到下一個控件,經(jīng)測試,按Tab鍵9次可使焦點(diǎn)移動到“搜索”命令,其他步驟所涉及方法與上述步驟相同。

    圖16 設(shè)置模態(tài)階數(shù)程序流程Fig.16 Procedure flow of setting the modal order

    4.3 計(jì)算與分析

    分析得到的固有頻率結(jié)果,判斷模型能否發(fā)生共振現(xiàn)象。系統(tǒng)分析結(jié)果程序流程如圖17所示。

    圖17 分析結(jié)果程序流程Fig.17 Process flow of analysis results

    由于CATIA Automation中無返回模型固有頻率方法,本系統(tǒng)中采用SendKeys方法在CATIA中調(diào)出固有頻率列表,如圖18所示。

    圖18 圖像編輯對話框Fig.18 Dialog of image editing

    為獲取CATIA分析得出的固有頻率值,以O(shè)CR技術(shù)為基礎(chǔ),開發(fā)頻率識別應(yīng)用程序,使用Python內(nèi)置方法open獲取含圖像參數(shù)的txt文件,調(diào)用PIL圖像處理工具包中ImageGrab.grab(圖像獲?。┓椒?,截取圖像參數(shù)對應(yīng)屏幕區(qū)域,并將獲取圖像根據(jù)用戶輸入的模態(tài)階數(shù),等分為相同數(shù)量單元圖像并適當(dāng)放大,以提高識別準(zhǔn)確性。使用OCR軟件開發(fā)工具包aip對每個單元圖像文字識別,通過write(寫入)方法將識別結(jié)果輸出為固有頻率數(shù)值的txt文件。利用Stream Reader(閱讀流)ReadToEnd方法,將txt文本中內(nèi)容讀取到系統(tǒng)并用Split(分割)函數(shù)處理文本,得到每階固有頻率數(shù)值。

    根據(jù)模態(tài)分析要求可知,激振頻率要遠(yuǎn)離整機(jī)固有頻率±10%,在脫粒裝置工作過程中,振源主要由脫粒滾筒旋轉(zhuǎn)振動產(chǎn)生,其激振頻率為

    式中,f為激振頻率(Hz);n為滾筒轉(zhuǎn)速(r·min-1);N為紋桿個數(shù)。在交互式系統(tǒng)中,將根據(jù)計(jì)算得到激振頻率與系統(tǒng)得出模型固有頻率作比較,得出分析結(jié)果:若激振頻率位于模型固有頻率±10%以外,則滿足要求,反之則不滿足。

    區(qū)別于靜態(tài)分析,模態(tài)分析使用AnalysisImage(分析圖像)對象SetCurrentOccurrence(設(shè)置當(dāng)前值)方法,設(shè)置圖像顯示階數(shù)。通過人機(jī)交互界面,根據(jù)需求查看對應(yīng)模態(tài)階數(shù)圖像。

    5 工程分析模型庫

    建立工程分析模型庫,對分析完成的模型分類、存儲、管理,從而增加模型繼承性與可重用性,避免大量重復(fù)性勞動。

    5.1 模型檢索

    工程分析模型庫中存在大量分析模型,當(dāng)用戶需分析目標(biāo)模型時,可先在工程分析模型庫中根據(jù)所需分析參數(shù)檢索,采用模糊檢索方式可得到與用戶需求相似的模型,供用戶參考使用。根據(jù)與用戶需求相近度方式檢索系統(tǒng)內(nèi)模型,相近度計(jì)算公式如下:

    式中,k為檢索精確度;i為參數(shù)索引;xi為用戶需求模型參數(shù);yi為模型庫中待檢索模型參數(shù);n為參數(shù)個數(shù)。設(shè)置檢索精確度k,檢索精確度為0~1,精確度越高則檢索結(jié)果越接近目標(biāo)參數(shù),但得到的相似模型數(shù)量越少。系統(tǒng)默認(rèn)檢索精確度為0.5,用戶可根據(jù)工作需求及模型庫規(guī)模自行設(shè)定檢索精度。

    依據(jù)檢索順序,檢索模型分為定性檢索與定量檢索兩個步驟。定性檢索即根據(jù)模型裝置類型、模型名稱、分析類型等信息作初次檢索,將完全符合要求模型編碼定義為數(shù)組,編碼中含有模型分析所需參數(shù)信息。檢索過程即利用程序?qū)?shù)組中所有元素與用戶需求信息作循環(huán)比較。首次檢索完成后,檢索結(jié)果被定義在中間數(shù)組中。對得到結(jié)果定量檢索,即根據(jù)轉(zhuǎn)速、喂入量、綜合搓擦系數(shù)等信息檢索,并利用檢索精確度k篩選檢索結(jié)果。最后將得到結(jié)果通過人機(jī)交互界面向用戶展示。

    5.2 模型管理

    模型遍歷是工程分析模型庫與系統(tǒng)之間實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互的基礎(chǔ)。在CATIA環(huán)境下對模型作工程分析,得到的模型將保存為“*.CATAnalysis”格式文件。用Directory.GetFiles(獲取文件)方法,返回指定目錄中包含文件路徑文件名,并得到包含模型庫中所有文件名稱字符串類型的一維數(shù)組。當(dāng)模型庫中模型改變時,數(shù)組也隨之發(fā)生改變,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與模型庫之間數(shù)據(jù)動態(tài)傳遞。

    在工程分析模型庫中,需對分析完成的模型進(jìn)行管理,即實(shí)現(xiàn)模型增刪改查功能。使用IO.File.Add(增加)方法和IO.File.Delete(刪除)方法實(shí)現(xiàn)模型庫中模型增加和刪除;如需實(shí)現(xiàn)模型變更操作,首先需判斷當(dāng)前對象是否存在,存在則開展變更操作;查找模型即為檢索模型。

    調(diào)用模型時,使用VB.net中Start(啟動)方法實(shí)現(xiàn)打開模型所在位置功能。查看模型信息包括裝置類型、模型名稱、分析類型、喂入量、滾筒轉(zhuǎn)速、模型編碼等。若用戶需使用模型編碼,使用Clipboard方法可實(shí)現(xiàn)字符串的復(fù)制。

    模型信息根據(jù)編碼規(guī)則被標(biāo)識于模型上,編碼有利于計(jì)算機(jī)識別并讀取抽象信息。但對于用戶來說,模型的語義編碼難以理解,需提取將模型語義編碼中的信息,以人機(jī)交互形式向用戶可視化展現(xiàn),實(shí)現(xiàn)信息傳遞。

    通過模型遍歷,得到包含工程分析模型庫中所有模型文件全部編碼信息的模型數(shù)組ModelArray。應(yīng)用相應(yīng)字符串函數(shù)處理模型數(shù)組,可將模型中語義編碼信息轉(zhuǎn)化為用戶可理解文字信息。在本系統(tǒng)中,將轉(zhuǎn)化完成后信息存儲于VB.NET中表格控件DataGridView,便于用戶查看與計(jì)算機(jī)處理。模型信息查看結(jié)果如圖19所示。

    圖19 模型信息查看Fig.19 Model information view

    6 系統(tǒng)集成與實(shí)例測試

    6.1 人機(jī)交互界面

    以簡約性、一致性、容錯性和迅速響應(yīng)性的界面設(shè)計(jì)原則設(shè)計(jì)脫粒裝置交互式工程分析系統(tǒng)。系統(tǒng)一級界面為主界面;二級界面為功能模塊,如靜態(tài)分析、模態(tài)分析、模型瀏覽等;三級界面實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)輸入與響應(yīng),用戶可通過主界面實(shí)現(xiàn)與其他系統(tǒng)交互。

    脫粒裝置交互式工程分析系統(tǒng)主界面如圖20所示,用戶可根據(jù)需求選擇模型開展工程分析。

    圖20 系統(tǒng)主界面Fig.20 System main interface

    模型檢索界面如圖21所示。系統(tǒng)通過模糊查詢方式檢索模型庫中現(xiàn)有工程分析模型,并對檢索出的模型作排序,將檢索結(jié)果在工程分析模型庫中展示給用戶。若檢索得到目標(biāo)模型,直接調(diào)用即可;若未檢索到所需模型,系統(tǒng)彈出對話框提示用戶并跳轉(zhuǎn)到主界面,“靜態(tài)分析”與“模態(tài)分析”變?yōu)榭蛇x擇狀態(tài),通過文件打開由參數(shù)化模型庫生成的模型,按需求選擇對應(yīng)的分析類型操作。

    圖21 模型檢索界面Fig.21 Interface of model retrieval

    6.2 實(shí)例分析測試

    以福田雷沃GE40型聯(lián)合收獲機(jī)脫粒裝置為工程分析驗(yàn)證對象。系統(tǒng)通過結(jié)構(gòu)模型庫驅(qū)動參數(shù)化模型生成與產(chǎn)品一致模型,在最大工況即以喂入量為4 kg·s-1,滾筒轉(zhuǎn)速為1 050 r·min-1,綜合搓擦系數(shù)為0.72[25]的實(shí)際工作參數(shù)開展分析。分別以柵格式凹板為靜態(tài)分析對象、軸流式滾筒為模態(tài)分析對象,開展脫粒裝置交互式工程分析實(shí)例驗(yàn)證。因低階固有頻率對脫粒滾筒影響較大,僅計(jì)算分析求解結(jié)果前6階模態(tài)頻率。

    6.2.1 靜態(tài)分析系統(tǒng)測試

    在主界面中打開柵格式凹板三維模型,進(jìn)入靜態(tài)分析模塊。為凹板柵條添加65 Mn材料,框架添加Q235鋼材料;默認(rèn)系統(tǒng)自動劃分網(wǎng)格;輸入喂入量為4 kg·s-1,滾筒轉(zhuǎn)速為1 050 r·min-1,綜合搓擦系數(shù)為0.72工作參數(shù),系統(tǒng)自動完成邊界條件計(jì)算并載入,計(jì)算與分析結(jié)果如圖22所示。

    圖22 凹板靜態(tài)分析結(jié)果Fig.22 Result of concave static analysis

    系統(tǒng)得出模型最大應(yīng)力與材料屈服強(qiáng)度,并顯示“模型的強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求”。根據(jù)分析需求查看模型5種工程分析圖像,并完成報表生成與保存,內(nèi)容如圖23所示。確認(rèn)保存后,系統(tǒng)自動將凹板靜態(tài)分析模型與結(jié)構(gòu)模型保存到工程分析模型庫中。

    圖23 凹板靜態(tài)分析結(jié)果報表Fig.23 Report of concave static analysis result

    6.2.2 模態(tài)分析系統(tǒng)測試

    在主界面中打開軸流式滾筒三維模型,進(jìn)入模態(tài)分析。為滾筒紋桿添加50 Mn,框架添加Q235鋼材料;默認(rèn)系統(tǒng)自動劃分網(wǎng)格;輸入轉(zhuǎn)速ω為1 050 r·min-1,模態(tài)階數(shù)h為6,系統(tǒng)自動完成邊界條件計(jì)算并載入,檢查無誤后,計(jì)算分析。顯示分析結(jié)果“外部激振頻率位于滾筒固有頻率±10%之外,滿足設(shè)計(jì)要求”,如圖24所示。通過人機(jī)交互界面查看模型指定模態(tài)階數(shù)對應(yīng)5種工程分析圖像。最后完成報表生成與保存,確認(rèn)保存后,系統(tǒng)自動將滾筒模態(tài)分析模型與結(jié)構(gòu)模型保存于工程分析模型庫。

    6.3 系統(tǒng)成效

    系統(tǒng)驅(qū)動參數(shù)化模型生成模型與實(shí)際產(chǎn)品一致,采用交互式工程分析系統(tǒng)分析結(jié)果與實(shí)際產(chǎn)品試驗(yàn)結(jié)果一致。由于模型復(fù)雜,細(xì)節(jié)較多,導(dǎo)致操作繁瑣,對于傳統(tǒng)手動進(jìn)行工程分析,即使熟悉此類模型且熟練掌握工程分析軟件的設(shè)計(jì)人員,由分析模型建立到完成靜態(tài)分析也需2 h以上,模態(tài)分析約需1.5 h以上,且勞動強(qiáng)度大,效率低,準(zhǔn)確性不易保證。而采用該系統(tǒng)開展工程分析操作簡便,直接調(diào)用工程分析模型庫中模型作靜態(tài)與模態(tài)分析,均可在20 min以內(nèi)完成。傳統(tǒng)手動分析與交互式工程分析工時對比如圖25所示,交互式分析系統(tǒng)可極大提高工作效率,減輕勞動強(qiáng)度,且大幅降低對操作人員專業(yè)知識與水平限制,同時避免因用戶專業(yè)水平不足而導(dǎo)致結(jié)果錯誤與偏差。

    圖24 滾筒模態(tài)分析結(jié)果Fig.24 Result of cylinder modal analysis

    圖25 工時對比Fig.25 Comparison of working hours

    7 結(jié)論

    a.采用自動化對象編程CATIA Automation技術(shù),利用VB.NET編程語言設(shè)計(jì)脫粒裝置交互式工程分析系統(tǒng),對工程分析工程中專業(yè)知識封裝,可以實(shí)現(xiàn)代替直接操作CATIA運(yùn)行工程分析,且為脫粒裝置工程分析提供友好的人機(jī)交互模式。

    b.利用Windows API函數(shù)返回需識別位置坐標(biāo),結(jié)合調(diào)用光學(xué)字符識別程序方法,可識別CATIA分析得到的固有頻率值,這是解決通過CATIA Automation方法無法返回所需參數(shù)問題的有效途徑。

    c.基于模型庫的脫粒裝置交互式工程分析系統(tǒng)充分利用雙向交互信息,實(shí)現(xiàn)對脫粒裝置三維模型快速工程分析,縮短產(chǎn)品研發(fā)周期,提高分析專業(yè)性與準(zhǔn)確性,同時為農(nóng)機(jī)裝備智能化設(shè)計(jì)平臺建立奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

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