自動化挖掘機(jī)動臂結(jié)構(gòu)有限元分析策略研究

 動臂結(jié)構(gòu)有限元分析是設(shè)計或優(yōu)化動臂結(jié)構(gòu)時評價結(jié)構(gòu)性能的重要手段之一。針對當(dāng)前動臂結(jié)構(gòu)優(yōu)化過程頻繁調(diào)用有限元軟件求解結(jié)構(gòu)應(yīng)力所存在的優(yōu)化效率低、耗時長問題，有學(xué)者提出了利用黑箱模型預(yù)測動臂結(jié)構(gòu)應(yīng)力的方法[1][2]。但黑箱模型（如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)）的構(gòu)建離不開訓(xùn)練樣本的獲取。動臂結(jié)構(gòu)復(fù)雜，直接進(jìn)行有限元建模難度大、效率低。利用ANSYS與Pro/Engineer的無縫數(shù)據(jù)接口[3][4][5]，通過人工頻繁交互Pro/Engineer與ANSYS環(huán)境分析動臂結(jié)構(gòu)應(yīng)力構(gòu)造神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練教師樣本的方法在一定程度上降低了獲取樣本的復(fù)雜度，但依然存在人工操作強(qiáng)度大，效率低下等問題。ANSYS與Pro/Engineer的無縫數(shù)據(jù)接口為發(fā)揮ANSYS的有限元分析計算能力和Pro/Engineer的實體建模能力提供了途徑，APDL與Pro/TOOLKIT為自動化動臂結(jié)構(gòu)實體建模和有限元建模提供了接口。因此，有必要研究能夠有效自動進(jìn)行動臂結(jié)構(gòu)有限元分析的方法，降低人工操作強(qiáng)度，提高動臂結(jié)構(gòu)有限元分析效率。
1 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)與工作流程
1.1 自動化分析原理 在研究VC++程序與ANSYS、Pro/Engineer環(huán)境之間集成方法的基礎(chǔ)上，提出自動化動臂結(jié)構(gòu)有限元分析原理，如圖1所示。
自動化動臂結(jié)構(gòu)有限元分析的關(guān)鍵是實現(xiàn)動臂結(jié)構(gòu)有限元分析參數(shù)設(shè)置、有限元分析模型建立、求解及分析結(jié)果提取、保存等一系列動作的自動化運(yùn)行。因此，引入基于APDL命令流及Batch工作模式，通過VC++環(huán)境下的數(shù)據(jù)組織管理程序根據(jù)動臂結(jié)構(gòu)參數(shù)以命令行的形式后臺運(yùn)行ANSYS軟件，載入APDL命令流進(jìn)行有限元分析，并通過監(jiān)控ANSYS運(yùn)行時所產(chǎn)生的動態(tài)數(shù)據(jù)庫判斷ANSYS分析結(jié)果的自動化分析方法。為解決ANSYS環(huán)境下直接進(jìn)行自動化動臂結(jié)構(gòu)實體建模難度大，效率低下的問題，由數(shù)據(jù)組織管理程序通過Pro/TOOLKIT編程接口以異步模式自動化生成動臂結(jié)構(gòu)三維實體模型，進(jìn)而利用APDL命令通過無縫數(shù)據(jù)接口實現(xiàn)模型從Pro/Engineer環(huán)境到ANSYS環(huán)境的傳遞。
1.2 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu) 從便于系統(tǒng)應(yīng)用和開發(fā)的角度分析，自動化動臂結(jié)構(gòu)有限元分析系統(tǒng)應(yīng)具備易于交互、參數(shù)可配置、功能可擴(kuò)展及系統(tǒng)模塊化等性能。因此，設(shè)計集成VC++、Pro/Engineer、ANSYS的自動化動臂結(jié)構(gòu)有限元分析系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)如圖2所示。
人機(jī)界面是系統(tǒng)的最上層，實現(xiàn)用戶與系統(tǒng)的交互。數(shù)據(jù)組織管理協(xié)調(diào)三維實體建模模塊、動態(tài)靜力分析模塊、有限元建模與分析模塊實現(xiàn)自動化動臂結(jié)構(gòu)有限元分析流程及各模塊分析結(jié)果的儲存。三維實體建模模塊利用Pro/TOOLKIT工具箱，實現(xiàn)參數(shù)化動臂結(jié)構(gòu)實體建模。動態(tài)靜力分析為有限元建模提供邊界條件。有限元建模與分析模塊通過Batch運(yùn)行模式與數(shù)據(jù)組織管理集成，基于APDL命令流實現(xiàn)有限元建模、分析及結(jié)果提取、保存。有限元分析過程監(jiān)控模塊通過分析動態(tài)數(shù)據(jù)庫中的狀態(tài)數(shù)據(jù)監(jiān)控有限元分析過程。結(jié)果存儲庫用于系統(tǒng)運(yùn)行過程中產(chǎn)生的結(jié)果文件。結(jié)果查看器實現(xiàn)對結(jié)果存儲庫的查看。
1.3 系統(tǒng)工作流程 根據(jù)自動化動臂結(jié)構(gòu)有限元分析原理，結(jié)合上述系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，針對現(xiàn)有方法中多個模型分析時頻繁交互ANSYS與Pro/Engineer環(huán)境導(dǎo)致有限元分析效率低下的問題，提出如圖3所示的自動化動臂結(jié)構(gòu)有限元分析系統(tǒng)工作流程，采用三維實體建模過程與有限元分析過程分開處理的方法，達(dá)到有效提高動臂結(jié)構(gòu)分析速度的目標(biāo)。
系統(tǒng)獲取待分析模型數(shù)據(jù)后，提取結(jié)構(gòu)參數(shù)形成待創(chuàng)建模型參數(shù)集，同時以簡單異步模式將VC++程序與Pro/Engineer環(huán)境連接，載入動臂結(jié)構(gòu)模型樣板。進(jìn)而不斷從待創(chuàng)建模型參數(shù)集中提取模型參數(shù)傳遞給Pro/Engineer環(huán)境。若成功重生成模型則提取動態(tài)靜力分析所需的模型重心位置、體積參數(shù)并保存三維實體模型和參數(shù)。否則，在人機(jī)界面上給出失敗提示。當(dāng)待創(chuàng)建模型參數(shù)集為空后則關(guān)閉Pro/Engineer環(huán)境，進(jìn)入有限元分析階段：根據(jù)現(xiàn)有實體模型生成待分析模型參數(shù)集；不斷從待分析模型參數(shù)集提取模型參數(shù)進(jìn)行動態(tài)靜力分析并形成結(jié)構(gòu)有限元分析APDL命令流文件；以Batch模式運(yùn)行ANSYS載入APDL命令流文件進(jìn)行分析；若分析成功則提取、保存分析結(jié)果，清除動態(tài)數(shù)據(jù)庫，執(zhí)行下一個模型的分析，否則在人機(jī)界面上給出失敗提示。
在ANSYS通過接口讀取Pro/Engineer實體模型時，需要調(diào)用nmsd.exe程序，而ANSYS分析結(jié)束后，該程序不會自動關(guān)閉，導(dǎo)致ANSYS對下一個模型的導(dǎo)入因無法重新運(yùn)行該程序而導(dǎo)入失敗。因此，ANSYS分析結(jié)束后必須終止“nmsd.exe”進(jìn)程。
2 系統(tǒng)實例開發(fā)
針對具有雙動臂液壓缸的鵝頸式動臂的自動化結(jié)構(gòu)有限元分析問題，根據(jù)自動化動臂結(jié)構(gòu)有限元分析系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)及其工作流程，在VC++、Pro/Engineer及ANSYS集成環(huán)境下開發(fā)人機(jī)交互界面友好的自動化動臂結(jié)構(gòu)有限元分析系統(tǒng)。圖4為自動化動臂結(jié)構(gòu)有限元分析模塊的菜單，包括實體建模和有限元分析菜單，均能實現(xiàn)單個或多個動臂結(jié)構(gòu)的實體建模和分析。圖5為動臂結(jié)構(gòu)有限元分析界面，滿足單個分析或多個同時分析，其中動態(tài)靜力分析中涉及的初始參數(shù)由“參數(shù)設(shè)置”菜單設(shè)置。圖6為動臂結(jié)構(gòu)參數(shù)查看器，用于查看動臂結(jié)構(gòu)有限元分析結(jié)果。
3 結(jié)論
3.1 構(gòu)建了自動化動臂結(jié)構(gòu)有限元分析系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，提出了該系統(tǒng)的工作流程，實現(xiàn)了動臂結(jié)構(gòu)有限元分析過程的自動化。
3.2 初步開發(fā)了自動化動臂結(jié)構(gòu)限元分析軟件，解決了大容量動臂結(jié)構(gòu)樣本帶來的人工操作強(qiáng)度大、計算效率低等問題，并為外部軟件提供了CAD/CAE模塊接口。
3.3 建立了參照關(guān)系簡單的動臂結(jié)構(gòu)樣板模型，有效保證動臂結(jié)構(gòu)模型的成功再生，解決了現(xiàn)有參數(shù)化動臂結(jié)構(gòu)建模經(jīng)常存在的模型再生失敗問題。