CN104077428A - 一种服务产业联盟的远程有限元分析方法 - Google Patents

Abstract

一种服务产业联盟的远程有限元分析方法，包括以下步骤：（1）有限元模板提取，对产业联盟内成员企业产品中需要有限元分析的零部件进行分类和分析，提取有限元模板，包括边界条件类型和分析过程参数；（2）几何模型构建，利用CAD系统对产业联盟内成员企业产品中需要有限元分析的零部件结构进行几何建模，主要分为参数化建模和用户自定义建模两种方式；（3）边界条件标定，通过在几何模型中对施加边界条件的图元作必要的标定，将几何模型作为有限元分析的参数输入接口；（4）有限元模型转换，通过ANSYS Workbench把几何模型转化为有限元模型；（5）远程有限元计算，通过命令流控制协同仿真环境完成对零部件的远程有限元分析；（6）有限元分析结果反馈，利用WebGL技术，实现有限元分析结果的三维可视化反馈；（7）公共服务平台实现。

Description

一种服务产业联盟的远程有限元分析方法

技术领域

本发明涉及参数化设计、有限元计算、远程分析服务、WebGL可视化等技术领域，通过对产业联盟内成员企业相似产品特征提取、参数化设计、几何模型构建、边界条件标定、有限元计算、可视化输出等步骤，实现对产业联盟内成员企业相似产品关键零部件的远程有限元分析服务，该系统平台以Web服务的方式部署在互联网上，产业联盟内成员企业可以通过远程软件服务的方式使用，提高了产业联盟内成员企业应用有限元分析的能力和对产品进行性能分析的水平。 

背景技术

随着对产品设计要求的不断提高和产品设计周期的不断缩短，有限元分析方法是企业为保证开发的产品达到设计性能要求的重要手段，但进行有限元分析的技术和成本都比较高，一般中小型企业、甚至部分大企业缺乏产品有限元分析的能力。 

中小企业通过组建产业联盟来提高产业的整体设计能力，是一种有效的合作模式。产业联盟有其自身的特点，联盟成员限于某一行业内的企业或是同一产业链各个组成部分的跨行业企业。产业联盟内成员企业产品功能具有相似性，力学模型也具有一致性。 

现有远程有限元分析方法大多面向单个或几个企业，主要对单一企业的产品分析或对产品进行尺寸上的优化。将某一行业不同企业相似产品共同特征提取出来做成通用模板来分析，将大大提高企业利用有限元分析的能力。为此，本发明专利提出了一种服务产业联盟的远程有限元分析方法并搭建服务平台，解决现有远程有限元分析方法无法服务于产业联盟的局限性。 

发明内容

本发明要克服现有技术的上述缺点，提供一种服务产业联盟的远程有限元分析方法及平台，以提高联盟成员企业利用有限元分析进行产品设计的能力。 

一种服务产业联盟的远程有限元分析方法，包括如下步骤： 

1）相似产品有限元模板提取；按照产品的结构特征和承力特点，分析特征结构的力学模型、材料属性、网格划分方法和边界条件等，将这些处理过程程序化，进行有限元模板提取，对边界条件类型固定化，分析过程参数化； 

1.1）边界条件类型固定化；有限元分析利用数学近似的方法对真实物理系统进行模拟，可简化成求解微分方程，而求微分方程需要限定的变量值称为边界 条件；在有限元分析当中边界条件分为约束和载荷两类；产业联盟内成员企业相似产品力学模型具有一致性，主要表现为图元类型一致性、约束类型一致性、载荷类型一致性。对产业联盟内成员企业相似产品进行分析处理，归纳边界条件类型，封装成固定的模板即原始有限元模型，储存在服务器端数据库； 

1.2）分析过程参数化；联盟成员企业相似产品具有一致性也具有差异性，差异性主要表现在几何模型差异性、材料差异性和载荷大小差异性；几何模型差异性又分为尺寸差异性和结构差异性，在CAD系统中建模过程中实现；而材料差异性和载荷差异性在CAE前处理过程中完成； 

几何模型、材料属性和载荷大小作为有限元分析的输入参数，将这些参数嵌入到命令流文件中，以便自动实现新产品的有限元分析；通过对CAE和CAE系统的二次开发，可对参数的动态修改，实现用户交互操作； 

2）几何模型构建；根据产品结构的特点，可进行固定结构的产品建模和变型结构的产品建模；对固定结构的产品建模可通过参数化建模和用户自定义建模两种方式实现；而变型结构的产品需要通过用户自定义建模完成；利用CAD系统进行几何模型的构建； 

3）边界条件标定；将几何模型转化成有限元模型前在几何模型中做必要的标定，通过在几何模型中插入相应的局部坐标系来查找施加边界条件的图元； 

根据局部坐标系查找图元的具体方法为：先指定图元类型、坐标及尺寸，由于边界条件主要施加在点线面上，可以将图元类型分为点、直线、曲线、平面、柱面和球面等；由于图元类型为点、线、面，不存在质量分布不均的问题，根据图元类型可求出质心坐标；图元尺寸可用长度（线图元）和面积（面图元）进行度量；最后插入局部坐标系。 

4）有限元模型转换；完成产品的分析计算需要将几何模型转换成有限元模型，将标定了边界条件的几何模型导入到有限元协同环境中的Design Modeler，实现几何模型的共享，并在Design Simulation进行前处理、分析计算和后处理； 

4.1）Workbench调用；通过操作系统命令执行ANSYS Workbench，还可以实现命令的参数化，以便实现分析自动化，通过下面的命令行实现平台的启动： 

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

协同平台启动的同时需要指定执行行为，对边界条件相同、结构不同产品的 远程有限元分析是在批处理模式下实现分析，有限元分析处理主要通过脚本文件实现；因此指定的行为可总结为：在批处理模式下，运行执行指定的命令流，并在完成命令流执行后关闭控制台窗口，实现此功能的命令行如下： 

-B-R<installation path>\example.wbjn； 

将启动Workbench和指定操作封装成一个Web Service的方法，供远程调用； 

4.2）命令流实现；模型转换通过参数化的命令流实现，命令流调用SDK对象实现对Workbench各个模块的操作，Workbench提供的SDK对象是基于COM(Component Object Model)的对象,它可以直接被脚本程序访问；参数化的命令涉及到Workbench的Design Modeler和Design Simulation两个模块。 

几何模型、材料属性和载荷大小作为有限元分析的输入参数，可根据用户需要对参数修改，实现交互操作；首先打开原始有限元模型，将几何模型导入有限元协同仿真环境；然后根据用户输入的有限元参数设置材料属性和载荷大小，对有限元模型重新划分网格和施加边界条件完成模型转换； 

5）远程有限元计算；利用命令流对转换后的有限元模型求解并输出结果，根据有限元模板中设定的分析计算方法和步骤对新模型求解，并在Design Simulation环境中调用宏命令将节点应力和位移输出； 

6）可视化输出；利用WebGL三维可视化技术将分析结果转换成三维图形或图像显示给用户； 

6.1）数据分类与处理。有限元分析结果的数据可分为几类储存在数据库中，主要的表信息如下： 

(1)结构基本表：记录有限元模型每个节点的坐标（x,y,z）； 

(2)单元基本表：记录划分网格的类型，以及每个单元含有的节点编号及排列顺序； 

(3)应力基本表：记录有限元计算的每个节点的应力值； 

(4)位移基本表：记录每个节点的变型尺寸； 

(5)可见点基本表:记录表面可见的所有节点的编号，可见点的标定可通过在原始有限元模型指定图元类型来实现，设定面图元即可选择所有的表面； 

为了便于将数据从服务器传输到客户端，先将数据库中的数据按照一定方式 转换为XML格式。网格划分将实体划分成小的立体结构，WebGL基本构建块是三角形，因此在生成XML格式之前对数据进行预处理，将体数据转化成面数据，将同一面上的数据按照相应的顺序存储为XML文档的子元素，方便在客户端对数据解析。 

6.2）可视化模型的构造与显示；WebGL提供三种基本图元：点、线、三角形，从3D图形硬件角度来看，三角形是最基本的构建块，因此，将有限元结果模型分解成三角形图元； 

用户发送请求后，首先从服务器端调用模型显示的网页，然后数据以XML格式传到客户端，浏览器通过对XML的解析得到相应的数据完成三维模型的显示渲染；绘制步骤为： 

第一步绘制顶点，根据节点坐标(<coor>)画出节点； 

第二步节点着色，将应力或位移(<stre>)转化为相应的颜色； 

第三步图元装配，根据单元内的节点排序(<elem>)，连接节点装配成三角形； 

第四步，光栅化三角形图元片段，将三角形图元连接成体； 

6.3）结果模型简化；有限元分析每个模型单元个数都是十分庞大的，因此三角形数量也是巨大的；对用户而言，隐藏在模型内部的三角形是不可见的，可以将这些三角形对应的数据剔除掉，从而不对这些三角形进行渲染，大大提高了图形或图像的显示速度；如何判断三角形的可见性是可视化环节的关键，云图三角形可见性判断算法的步骤是： 

算法循环判断各个单元里的每个节点是否在可见点基本表中，当某个单元的节点的可见点个数少于n（一个面上的节点数）时舍去此单元，当大于n（一个面上的节点数）时，按照各个面上节点的顺序查找节点是否全部在可见点数组中，若有一点不在即跳出对此面节点的查找。 

7)服务平台实现；根据产业联盟的特点，建立了产业联盟内力学模型一致、结构参数不同的零部件远程有限元分析服务平台，系统采用Browser/Server，浏览器/服务器模式；从结构上将远程有限元服务平台大体可分为终端客户层、服务功能层和数据资源层3个层次；终端客户层，产业联盟成员企业进行有限元分析的信息交互界面；服务功能层，该层是平台的核心部分，将功能划分为几何模 型构建模块、命令流文件生成模块、有限元模型转换模块、分析计算模块和结果可视化模块，共5个模块，各个模块通过平台统一调配。数据资源层，数据资源层包括联盟成员企业信息库、几何模板库、有限元模板库、分析结果数据库。 

本发明的优点 

本发明将几何模型作为有限元分析的参数输入接口，实现了产品数字化设计与产品有限元性能分析一致性，克服了参数化APDL命令流文件有限元操作的不足；同时，本发明建立了产业联盟内力学模型一致、结构参数不同的零部件远程有限元分析服务平台，提高了产业联盟内成员企业利用有限元计算进行产品性能分析的水平。 

附图说明

图1本发明的远程有限元服务工作流程 

图2本发明的有限元分析过程示意图 

图3本发明的有限元后处理运行方案 

图4本发明的结果模型简化方法 

图5本发明的用户操作主页面 

图6本发明的可视化输出 

图7局部坐标系查找图元 

具体实施方案

实施例一 

参照附图1～附图7： 

一种服务产业联盟的远程有限元分析方法，包括如下步骤： 

1）相似产品有限元模板提取；按照产品的结构特征和承力特点，分析特征结构的力学模型、材料属性、网格划分方法和边界条件等，将这些处理过程程序化，进行有限元模板提取，对边界条件类型固定化，分析过程参数化； 

1.1）边界条件类型固定化；有限元分析利用数学近似的方法对真实物理系统进行模拟，可简化成求解微分方程，而求微分方程需要限定的变量值称为边界条件；在有限元分析当中边界条件分为约束和载荷两类；产业联盟内成员企业相似产品力学模型具有一致性，主要表现为图元类型一致性、约束类型一致性、载荷类型一致性。对产业联盟内成员企业相似产品进行分析处理，归纳边界条件类 型，封装成固定的模板即原始有限元模型，储存在服务器端数据库； 

1.2）分析过程参数化；联盟成员企业相似产品具有一致性也具有差异性，差异性主要表现在几何模型差异性、材料差异性和载荷大小差异性；几何模型差异性又分为尺寸差异性和结构差异性，在CAD系统中建模过程中实现；而材料差异性和载荷差异性在CAE前处理过程中完成； 

几何模型、材料属性和载荷大小作为有限元分析的输入参数，将这些参数嵌入到命令流文件中，以便自动实现新产品的有限元分析；通过对CAE和CAE系统的二次开发，可对参数的动态修改，实现用户交互操作； 

2）几何模型构建；根据产品结构的特点，可进行固定结构的产品建模和变型结构的产品建模；对固定结构的产品建模可通过参数化建模和用户自定义建模两种方式实现；而变型结构的产品需要通过用户自定义建模完成；利用CAD系统进行几何模型的构建； 

3）边界条件标定；将几何模型转化成有限元模型前在几何模型中做必要的标定，通过在几何模型中插入相应的局部坐标系来查找施加边界条件的图元； 

根据局部坐标系查找图元的具体方法可根据图7进行，先查找图元类型、质心坐标及尺寸，图元类型可分为点、直线、曲线、平面、柱面和球面。对于线图元来说尺寸对应长度，而对于面图元来说尺寸是面积；然后插入坐标系，准确查找这些元素无需表中所有元素； 

4)有限元模型转换；完成产品的分析计算需要将几何模型转换成有限元模型，将标定了边界条件的几何模型导入到有限元协同环境中的Design Modeler，实现几何模型的共享，并在Design Simulation进行前处理、分析计算和后处理； 

4.1）Workbench调用；通过操作系统命令执行ANSYS Workbench，还可以实现命令的参数化，以便实现分析自动化，通过下面的命令行实现平台的启动： 

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

协同平台启动的同时需要指定执行行为，对边界条件相同、结构不同产品的远程有限元分析是在批处理模式下实现分析，有限元分析处理主要通过脚本文件实现；因此指定的行为可总结为：在批处理模式下，运行执行指定的命令流，并在完成命令流执行后关闭控制台窗口，实现此功能的命令行如下： 

-B-R<installation path>\example.wbjn； 

将启动Workbench和指定操作封装成一个Web Service的方法，供远程调用； 

4.2）命令流实现；模型转换通过参数化的命令流实现，命令流调用SDK对象实现对Workbench各个模块的操作，Workbench提供的SDK对象是基于COM(Component Object Model)的对象,它可以直接被脚本程序访问；参数化的命令涉及到Workbench的Design Modeler和Design Simulation两个模块。 

几何模型、材料属性和载荷大小作为有限元分析的输入参数，可根据用户需要对参数修改，实现交互操作；首先打开原始有限元模型，将几何模型导入有限元协同仿真环境；然后根据用户输入的有限元参数设置材料属性和载荷大小，对有限元模型重新划分网格和施加边界条件完成模型转换； 

5）远程有限元计算；利用命令流对转换后的有限元模型求解并输出结果，根据有限元模板中设定的分析计算方法和步骤对新模型求解，并在Design Simulation环境中调用宏命令将节点应力和位移输出； 

6）可视化输出；利用WebGL三维可视化技术将分析结果转换成三维图形或图像显示给用户； 

6.1）数据分类与处理。有限元分析结果的数据可分为几类储存在数据库中，主要的表信息如下： 

(1)结构基本表：记录有限元模型每个节点的坐标（x,y,z）； 

(2)单元基本表：记录划分网格的类型，以及每个单元含有的节点编号及排列顺序； 

(3)应力基本表：记录有限元计算的每个节点的应力值； 

(4)位移基本表：记录每个节点的变型尺寸； 

(5)可见点基本表:记录表面可见的所有节点的编号，可见点的标定可通过在原始有限元模型指定图元类型来实现，设定面图元即可选择所有的表面； 

为了便于数据传输将基本表中的数据按照一定规则转换为XML格式，首先从结果数据库中读取数据以数组形式构建结果数据之间的关系，然后读取数组中的数据生成相应格式的XML文件；以十节点四面体为例，四面体单元四个面组成每个面由六个节点组成。以下是四面体单元的数组结构： 

Long[,]elemt=new Long[ele.Length,10];单元编号和节点排序 

Double[,]coord=new Double[coo.Length,3];节点编号和节点坐标 

Double[,]load=new Double[loa.Length,2];节点点编号和节点应力 

根据四面体四个面上的节点排序，进一步将单元数组整理成面数组，行数变为原来的4倍，列数减少为6，结构是Long[,]elemt=new Long[4*ele.Length,6];面编号和面节点排序； 

6.2）可视化模型的构造与显示；WebGL提供三种基本图元：点、线、三角形，从3D图形硬件角度来看，三角形是最基本的构建块，因此，将有限元结果模型分解成三角形图元； 

用户发送请求后，首先从服务器端调用模型显示的网页，然后数据以XML格式传到客户端，浏览器通过对XML的解析得到相应的数据完成三维模型的显示渲染；绘制步骤为： 

第一步绘制顶点，根据节点坐标(<coor>)画出节点； 

第二步节点着色，将应力或位移(<stre>)转化为相应的颜色； 

第三步图元装配，根据单元内的节点排序(<elem>)，连接节点装配成三角形； 

第四步，光栅化三角形图元片段，将三角形图元连接成体； 

6.3）结果模型简化；有限元分析每个模型单元个数都是十分庞大的，因此三角形数量也是巨大的；对用户而言，隐藏在模型内部的三角形是不可见的，可以将这些三角形对应的数据剔除掉，从而不对这些三角形进行渲染，大大提高了图形或图像的显示速度；如何判断三角形的可见性是可视化环节的关键，云图三角形可见性判断算法用于四面体单元的步骤是： 

算法循环判断各个单元里的每个节点是否在可见点表格里面，当某个单元的节点在可见点个数少于6时舍去此单元，当大于6时，按照各个面上节点的顺序查找节点是否全部在可见点数组中，若有一点不在即跳出对此面节点的查找。简化后的数组结构为： 

Long[,]elemt=new Long[ele1.Length,6];可见面编号和节点排序 

Double[,]coord=new Double[coo1.Length,3];可见节点编号和节点坐标 

Double[,]load=new Double[loa1.Length,2];可见点编号和可见点应力； 

7)服务平台实现；根据产业联盟的特点，建立了产业联盟内力学模型一致、结构参数不同的零部件远程有限元分析服务平台，系统采用Browser/Server，浏览器/服务器模式；从结构上将远程有限元服务平台大体可分为终端客户层、服务功能层和数据资源层3个层次；终端客户层，产业联盟成员企业进行有限元分析的信息交互界面；服务功能层，该层是平台的核心部分，将功能划分为几何模型构建模块、命令流文件生成模块、有限元模型转换模块、分析计算模块和结果可视化模块，共5个模块，各个模块通过平台统一调配。数据资源层，数据资源层包括联盟成员企业信息库、几何模板库、有限元模板库、分析结果数据库。 

实施例二 

参照图1、图2、图3、图4、图5和图6，以连杆为例对本发明作进一步说明，连杆是连接发动机活塞与曲轴的一个重要零件，主要分为平切口连杆和斜切口连杆。发动机产业内连杆的功能和力学模型具有相似性，本文以平切口连杆为例。 

一种服务产业联盟的远程有限元分析方法，此发明的使用步骤如下： 

1）相似产品有限元模板提取。按照产品的结构特征和承力特点，分析特征结构的力学模型、材料属性、网格划分方法和边界条件等，将这些处理过程程序化，进行有限元模板提取，对边界条件类型固定化，分析过程参数化。 

1.1）边界条件类型固定化。有限元分析利用数学近似的方法对真实物理系统（几何和载荷工况）进行模拟，可简化成求解微分方程，而求微分方程需要限定的变量值称为边界条件。在有限元分析当中边界条件分为约束和载荷两类。对产业联盟内成员企业相似产品进行分析处理，归纳边界条件类型，封装成固定的模板即原始有限元模型，储存在服务器端数据库。连杆在工作中承受拉伸、压缩和弯曲等交变载荷的作用。连杆的边界条件主要分布在大、 小孔内表面，小孔施加固定约束，大孔施加拉力或压力。 

1.2）分析过程参数化。产业联盟内成员企业相似产品具有一致性也具有差异性，差异性主要表现在几何模型差异性、材料差异性和载荷大小差异性。几何模型差异性又分为尺寸差异性和结构差异性，在CAD系统中建模过程中实现。而材料差异性和载荷差异性在CAE前处理过程中完成。 

连杆结几何模型差异主要表现在加强筋结构的差异性和连杆尺寸差异性。连杆常用的材料有以下几种，45号钢（中碳钢）、40Cr、42Cr（中碳合金钢）、40CrMo以及采用可锻铸铁GTS65和/或球墨铸铁GGG70，用户既能选择上述常用材料又可根据需要输入材料参数主要包括弹性模量、泊松比和密度等。由于发动机动力不同，载荷的不同主要是最大压缩力和最大拉伸力的不同。 

2）几何模型构建。根据产品结构的特点，可进行固定结构的产品建模和变型结构的产品建模。对固定结构的产品建模可通过参数化建模和用户自定义建模两种方式实现；而变型结构的产品需要通过用户自定义建模完成。本方法是利用CAD系统进行几何模型的构建。 

为了节省分析时间且不影响分析精度,建模时省略了一些不重要的环节，对连杆模型的大头端做了简化处理,忽略了连杆螺栓、轴瓦和衬套和螺栓的预紧力，把连杆体和连杆盖作为一个整体建模，保留了包括油孔、圆角、倒角、加强筋等几何特征。 

3）边界条件标定。几何模型作为有限元分析的一个输入参数与其他参数相比具有独特性，其他参数可通过修改数值或选项实现，而几何模型存在结构差异性，不宜通过修改数值或选项实现，需要设计者自定义建模。然而设计者自定义建模时绘制图元的顺序和方法不同导致无法准确定位施加边界条件的图元，因此将几何模型转化成有限元模型前需要在几何模型中做必要的标定，可通过在几何模型中插入相应的局部坐标系来查找施加边界条件的图元。 

连杆边界条件主要施加在大、小头孔的内表面，查找施加边界条件的两个柱面的方法为，在底面圆心位置插入局部坐标系，指定图元类型为柱面质心坐标在拉伸方向为0，无需指定质心其他两个坐标和柱面面积。 

4）有限元模型转换。完成产品的分析计算需要将几何模型转换成有限元模型，将标定了边界条件的几何模型导入到有限元协同环境中的Design Modeler，实现几何模型的共享，并在Design Simulation进行前处理、分析计算和后处理。 

4.1）Workbench调用。通过操作系统命令执行ANSYS Workbench，还可以实现命令的参数化，以便实现分析自动化，通过下面的命令行实现平台的启动： 

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

协同平台启动的同时需要指定执行行为，对边界条件相同、结构不同产品的远程有限元分析是在批处理模式下实现分析，有限元分析处理主要通过脚本文件实现。因此指定的行为可总结为：在批处理模式下，运行执行指定的命令流，并在完成命令流执行后关闭控制台窗口，实现此功能的命令行如下： 

-B-R<installation path>\example.wbjn。 

将启动Workbench和指定操作封装成一个Web Service的方法，供远程调用。 

4.2）命令流实现。模型转换通过参数化的命令流实现，命令流调用SDK对象实现对Workbench各个模块的操作，Workbench提供的SDK对象是基于COM(Component Object Model)的对象,它可以直接被脚本程序访问。参数化的命令涉及到Workbench的Design Modeler和Design Simulation两个模块。 

几何模型、材料属性和载荷大小作为有限元分析的输入参数，可根据用户需要对参数修改，实现交互操作。启动有限元批处理模型后，首先打开原始有限元模型后，将连杆的几何模型导入有限元协同仿真环境，然后根据用户输入有限元参数设置材料属性和载荷大小，对有限元模型重新划分网格和施加边界条件完成模型转换。以下是实现有限元模型转换的部分代码： 

…… 

Open(FilePath="D:/ANSYSLink/Link.wbpj")//调用原始有限元模型 

template1=GetTemplate(TemplateName="Static Structural",Solver="ANSYS") 

system1=template1.CreateSystem() 

geometry1=system1.GetContainer(ComponentName="Geometry") 

geometry1.SetFile(FilePath="D:/ANSYSLink/Link.SLDPRT")//导入几何模型 

system1=GetSystem(Name="SYS") 

engineeringData1=system1.GetContainer(ComponentName="Engineering Data") 

matl1=engineeringData1.GetMaterial(Name="Material")//设置材料属性 

matlProp1=matl1.GetProperty(Name="Density") 

matlProp1.SetData(Variables=["Density"],Values=[["ρ[kg m^-3]"]]) 

matlProp2=matl1.GetProperty(Name="Elasticity") 

matlProp2.SetData(Variables=["Young's Modulus"],Values=[["E[Pa]"]]) 

matlProp2.SetData(Variables=["Poisson's Ratio"],Values=[["μ"]]) 

designPoint1=Parameters.GetDesignPoint(Name="0") 

parameter1=Parameters.GetParameter(Name="P1") 

designPoint1.SetParameterExpression(Parameter=parameter1,Expression="F[N]")//载荷 

Update()//划分网格、施加边界条件 

5）远程有限元计算。利用命令流对转换后的有限元模型求解，根据有限元模板中设定的分析计算方法和步骤对新模型求解，并在Design Simulation环境中调用宏命令将节点应力和位移输出。 

以下是调用宏命令输出结果的部分代码： 

…… 

setup1=system1.GetContainer(ComponentName="Setup") 

setup1.Edit() 

setup1.SendCommand(Command="WB.AppletList.Applet(\"DSApplet\").App. 

Script.doToolsRunMacro(\"E:\\\\export_multiple_nodal_results_XLS.js\")")//输出结果数据 

…… 

6）可视化输出。有限元分析结果产生大量的数据，往往超出了人脑分析解释这些数据的能力，用户从海量数据中直接获得想要的数据是十分困难的。本发明利用WebGL三维可视化技术将分析结果转换成三维图形或图像显示给用户。 

6.1）数据分类与处理。有限元分析结果的数据可分为几类储存在数据库中，连杆模型共有单元数为423015，节点数为265325。主要的表信息如下： 

(1)结构基本表：记录有限元模型每个节点的坐标（x,y,z）； 

(2)单元基本表：记录划分网格的类型，以及每个单元含有的节点编号及排列顺序； 

(3)应力基本表：记录有限元计算的每个节点的应力值； 

(4)位移基本表：记录每个节点的变型尺寸； 

(5)可见点基本表:记录表面可见的所有节点的编号，可见点的标定可通过在原始有限元模型指定图元类型来实现，设定面图元即可选择所有的表面。 

为了便于数据传输将基本表中的数据按照一定规则转换为XML格式。网格划分将实体划分成小的实体，而WebGL基本构建块是三角形，因此在生成XML格式之前对数据进行整理，可将体数据转化成面数据传输，将同一面上的数据按照相应的顺序构成XML文档的子元素，以方便在浏览器端对数据解析，从而提 高显示效率。 

6.2）可视化模型的构造与显示。WebGL提供三种基本图元(点、线、三角形)，从3D图形硬件角度来看，三角形是最基本的构建块，因此，将有限元结果模型分解成三角形图元。 

用户发送请求后，首先从服务器端调用模型显示的网页，然后数据以XML格式传到客户端，浏览器通过对XML的解析得到相应的数据完成三维模型的显示渲染。绘制步骤为： 

第一步绘制顶点，根据节点坐标(<coor>)画出节点； 

第二步节点着色，将应力或位移(<stre>)转化为相应的颜色； 

第三步图元装配，根据单元内的节点排序(<elem>)，连接节点装配成三角形； 

第四步，光栅化三角形图元片段，将三角形图元连接成体。 

6.3）结果模型简化。有限元分析每个模型单元个数都是十分庞大的，因此三角形数量也是巨大的。对用户而言，隐藏在模型内部的三角形是不可见的，可以将这些三角形对应的数据剔除掉，从而不对这些三角形进行渲染，大大提高了图形或图像的显示速度。如何判断三角形的可见性是可视化环节的关键。为此，本发明设计设计了云图三角形可见性判断算法，本发明以四面体单元为例。 

算法循环判断各个单元里的每个节点是否在可见点表格里面，当某个单元的节点在可见点个数少于6时舍去此单元，当大于6时，按照各个面上节点的顺序查找节点是否全部在可见点数组中，若有一点不在即跳出对此面节点的查找。简化后模型可见三角形数为102355，可见节点数为51355，由此可知大大减小了三角形的渲染，进而缩减模型绘制的时间，同时也为计算机节省内存。尤其是用户进行旋转、移动、缩放等操作时，这些操作通过变换矩阵堆栈实现，三角形数目下降后变换矩阵也大大减少，提高了操作的时效性和灵活性。7)服务平台实现。根据产业联盟的特点，本发明建立了产业联盟内力学模型一致、结构参数不同的零部件远程有限元分析服务平台，系统采用B/S结构（Browser/Server，浏览器/服务器模式）。从结构上将远程有限元服务平台可分为终端客户层、服务功能层和数据资源层3个层次。产业联盟内成员企业注册并获取权限后，通过平台提供友好的操作界面完成分析，成员企业通过服务平台完成对连杆参数的输入、有限元分析计算以及可视化展示。 

Claims (1)

1.一种服务产业联盟的远程有限元分析方法，包括如下步骤：

1）相似产品有限元模板提取；按照产品的结构特征和承力特点，分析特征结构的力学模型、材料属性、网格划分方法和边界条件等，将这些处理过程程序化，进行有限元模板提取，对边界条件类型固定化，分析过程参数化；

1.1）边界条件类型固定化；有限元分析利用数学近似的方法对真实物理系统进行模拟，可简化成求解微分方程，而求微分方程需要限定的变量值称为边界条件；在有限元分析当中边界条件分为约束和载荷两类；产业联盟内成员企业相似产品力学模型具有一致性，主要表现为图元类型一致性、约束类型一致性、载荷类型一致性。对产业联盟内成员企业相似产品进行分析处理，归纳边界条件类型，封装成固定的模板即原始有限元模型，储存在服务器端数据库；

1.2）分析过程参数化；联盟成员企业相似产品具有一致性也具有差异性，差异性主要表现在几何模型差异性、材料差异性和载荷大小差异性；几何模型差异性又分为尺寸差异性和结构差异性，在CAD系统中建模过程中实现；而材料差异性和载荷差异性在CAE前处理过程中完成；

几何模型、材料属性和载荷大小作为有限元分析的输入参数，将这些参数嵌入到命令流文件中，以便自动实现新产品的有限元分析；通过对CAE和CAE系统的二次开发，可对参数的动态修改，实现用户交互操作；

2）几何模型构建；根据产品结构的特点，可进行固定结构的产品建模和变型结构的产品建模；对固定结构的产品建模可通过参数化建模和用户自定义建模两种方式实现；而变型结构的产品需要通过用户自定义建模完成；利用CAD系统进行几何模型的构建；

3）边界条件标定；将几何模型转化成有限元模型前在几何模型中做必要的标定，通过在几何模型中插入相应的局部坐标系来查找施加边界条件的图元；

根据局部坐标系查找图元的具体方法为：先指定图元类型、坐标及尺寸，由于边界条件主要施加在点线面上，可以将图元类型分为点、直线、曲线、平面、柱面和球面等；由于图元类型为点、线、面，不存在质量分布不均的问题，根据图元类型可求出质心坐标；图元尺寸可用长度（线图元）和面积（面图元）进行度量；最后插入局部坐标系。

4）有限元模型转换；完成产品的分析计算需要将几何模型转换成有限元模型，将标定了边界条件的几何模型导入到有限元协同环境中的Design Modeler，实现几何模型的共享，并在Design Simulation进行前处理、分析计算和后处理；

4.1）Workbench调用；通过操作系统命令执行ANSYS Workbench，还可以实现命令的参数化，以便实现分析自动化，通过下面的命令行实现平台的启动：

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

协同平台启动的同时需要指定执行行为，对边界条件相同、结构不同产品的远程有限元分析是在批处理模式下实现分析，有限元分析处理主要通过脚本文件实现；因此指定的行为可总结为：在批处理模式下，运行执行指定的命令流，并在完成命令流执行后关闭控制台窗口，实现此功能的命令行如下：

-B-R<installation path>\example.wbjn；

将启动Workbench和指定操作封装成一个Web Service的方法，供远程调用；4.2）命令流实现；模型转换通过参数化的命令流实现，命令流调用SDK对象实现对Workbench各个模块的操作，Workbench提供的SDK对象是基于COM(Component Object Model)的对象,它可以直接被脚本程序访问；参数化的命令涉及到Workbench的Design Modeler和Design Simulation两个模块。

几何模型、材料属性和载荷大小作为有限元分析的输入参数，可根据用户需要对参数修改，实现交互操作；首先打开原始有限元模型，将几何模型导入有限元协同仿真环境；然后根据用户输入的有限元参数设置材料属性和载荷大小，对有限元模型重新划分网格和施加边界条件完成模型转换；

5）远程有限元计算；利用命令流对转换后的有限元模型求解并输出结果，根据有限元模板中设定的分析计算方法和步骤对新模型求解，并在Design Simulation环境中调用宏命令将节点应力和位移输出；

6）可视化输出；利用WebGL三维可视化技术将分析结果转换成三维图形或图像显示给用户；

6.1）数据分类与处理。有限元分析结果的数据可分为几类储存在数据库中，主要的表信息如下：

(1)结构基本表：记录有限元模型每个节点的坐标（x,y,z）；

(2)单元基本表：记录划分网格的类型，以及每个单元含有的节点编号及排列顺序；

(3)应力基本表：记录有限元计算的每个节点的应力值；

(4)位移基本表：记录每个节点的变型尺寸；

(5)可见点基本表:记录表面可见的所有节点的编号，可见点的标定可通过在原始有限元模型指定图元类型来实现，设定面图元即可选择所有的表面；

为了便于将数据从服务器传输到客户端，先将数据库中的数据按照一定方式转换为XML格式。网格划分将实体划分成小的立体结构，WebGL基本构建块是三角形，因此在生成XML格式之前对数据进行预处理，将体数据转化成面数据，将同一面上的数据按照相应的顺序存储为XML文档的子元素，方便在客户端对数据解析。

6.2）可视化模型的构造与显示；WebGL提供三种基本图元：点、线、三角形，从3D图形硬件角度来看，三角形是最基本的构建块，因此，将有限元结果模型分解成三角形图元；

用户发送请求后，首先从服务器端调用模型显示的网页，然后数据以XML格式传到客户端，浏览器通过对XML的解析得到相应的数据完成三维模型的显示渲染；绘制步骤为：

第一步绘制顶点，根据节点坐标(<coor>)画出节点；

第二步节点着色，将应力或位移(<stre>)转化为相应的颜色；

第三步图元装配，根据单元内的节点排序(<elem>)，连接节点装配成三角形；

第四步，光栅化三角形图元片段，将三角形图元连接成体；

6.3）结果模型简化；有限元分析每个模型单元个数都是十分庞大的，因此三角形数量也是巨大的；对用户而言，隐藏在模型内部的三角形是不可见的，可以将这些三角形对应的数据剔除掉，从而不对这些三角形进行渲染，大大提高了图形或图像的显示速度；如何判断三角形的可见性是可视化环节的关键，云图三角形可见性判断算法的步骤是：

算法循环判断各个单元里的每个节点是否在可见点基本表中，当某个单元的节点的可见点个数少于n（一个面上的节点数）时舍去此单元，当大于n（一个面上的节点数）时，按照各个面上节点的顺序查找节点是否全部在可见点数组中，若有一点不在即跳出对此面节点的查找。

7)服务平台实现；根据产业联盟的特点，建立了产业联盟内力学模型一致、结构参数不同的零部件远程有限元分析服务平台，系统采用Browser/Server，浏览器/服务器模式；从结构上将远程有限元服务平台大体可分为终端客户层、服务功能层和数据资源层3个层次；终端客户层，产业联盟成员企业进行有限元分析的信息交互界面；服务功能层，该层是平台的核心部分，将功能划分为几何模型构建模块、命令流文件生成模块、有限元模型转换模块、分析计算模块和结果可视化模块，共5个模块，各个模块通过平台统一调配。数据资源层，数据资源层包括联盟成员企业信息库、几何模板库、有限元模板库、分析结果数据库。