基于模型庫脫粒裝置交互式工程分析系統(tǒng)

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)。