基于cae的塑料注射成型教学系统的研究与开发

收稿日期:2003 - 05 - 16。中国博士后科学基金资助(2002031252) , 国家自然科学基金资助(50205011)。周华民,博士生,主要从事塑料注射 成型CAE方面的研究与开发。 基于CAE的塑料注射成型教学系统的研究与开发 周华民 姜勇道 李德群 (华中科技大学模具技术国家重点实验室 武汉430074) 摘 要 塑料注射成型技术的发展与注射模具设计人员需求的增长十分迅速,模具设计人员学习必要的塑料成型基本原理和规 律是掌握塑料注射模具设计方法的现实需要。本文在自主开发的注射成型CAE系统HSCAE的基础上,研究开发了一个基于Internet 的塑料注射成型教学系统,通过建立知识化、 数字化、 可视化的教学工具来提高设计人员的学习效率、 学习兴趣及对问题理解的深入 程度。 关键词 塑料注射成型 CAE 教学软件 RESEARCH AND DEVELOPMENT OF A CAE2BASED INSTRUCTION SYSTEM FOR PLASTIC INJECTION MOLDING Zhou Huamin Jiang Y ongdao Li Dequn ( State Key Lab1of Mold 流道平衡分析软件能帮助用户对一 模多腔模具的流道系统进行平衡设计,计算各个流道和浇口的 尺寸,以保证塑料熔体能同时充满各个型腔;冷却模拟软件能计 算冷却时间、 制品及型腔的温度分布,其分析结果可以用来优化 冷却系统的设计;刚度强度分析软件能对模具结构进行力学分 第21卷第9期 计算机应用与软件Vol121 ,No19 2004年9月 Computer Applications and SoftwareSep12004 析,帮助用户对型腔壁厚和模板厚度进行刚度和强度校核;应力 计算和翘曲预测软件则能计算出制品的收缩情况和内应力的分 布,预测制品出模后的变形。 由此可见,塑料注射成型CAE系统具有很好的培训作用, 能够有效地帮助模具工程师熟悉注射成型过程的特点和规律, 通过模拟结果的三维逼真显示使得学习过程非常直观,通过不 同方案的反复对比使得理解问题更加深刻。尤其是近年来,随 着基于实体/表面模型的塑料注射成型模拟技术的出现2 ,3,软 件的使用更加便捷,结果的显示更有真实感。同时,CAE软件作 为设计人员的辅助工具已逐步在设计实践中普及,塑料注射模 具的设计人员也必须掌握这一工具。 3 基于CAE的教学系统的构造 基于CAE的注射成型教学系统是面向网络环境开发的,既 可配置在局域网内供教学使用,也可以在互联网上运行,提供远 程的培训服务。系统的总体结构如图1所示。其特点是,基于 TCP/ IP协议,支持多用户并发操作,并对拨号用户提供RAS服 务。系统服务模式以C/ S(ClientServer)模式为主,B/ S(Browser Server)模式为辅,C/ S和B/ S共享服务器和数据库 ,B/ S模式需 要通过WEB服务器下载客户端控件。系统工作流程为: (1)客户(学员)在主服务器上登录,系统确认合法身份; (2)客户端选择预分析的制品模型并进行成型方案设计; (3)客户端将设计好的方案上传到FTP服务器,同时向主 服务器提交CAE分析定单; (4)主服务器接到定单后立即通知任务规划服务器,后者 通过控制分析单元来对收到的方案进行分析,分析完毕给主服 务器一个反馈信息; (5)根据客户的需求,主服务器确定是否进行专家评价,即 由教师(或专家)对设计此次操作进行分析评价; (6)主服务器通知客户端,C/ S模式客户从FTP服务器上下 载分析结果方案并在自己的本地机上观察该结果方案,B/ S模 式客户可直接通过浏览器查看分析结果。 其中CAE分析单元既可使用系统配置的高性能服务器,也 可使用客户端的本地机,如果采用本地机,方案的上传与下载流 程略有变化。系统模型中的数据库主要对客户(含学员信息、 邮 件收发)、 分析定单(含定单收发时间,地点,级别)、 材料(含塑料 材质,工艺参数,性能指标)、 任务(含方案信息,日志记录)和学 员操作日志等数据进行管理。 为了满足个别远程用户的需要,本系统还增设了RAS拨号 功能,客户端可以借助自己的MODEM或其它通信工具拨号进 入RAS服务器,实现远程登录和远程数据访问。其中,客户端 的远程连接是通过Windows 9x/ 2000提供的动态连接库文件 rasapi32. dll实现的,rasapi32. dll中与拨号相关的函数是RasDial ()和RasHangUp()。为简化用户操作,本文直接将远程连接的 拨号功能嵌入在客户端程序内,此外,本文在RAS网络拨号服 务器设置了一组静态IP地址集,供没有固定IP的用户自动捕 获使用。 系统的主要模块包括:主服务器、 任务规划器、 分析单元、 FTP服务器和用户界面。 311主服务器 主服务器充当系统的中心控制器。如图1所示,主服务器 提供与客户端的Internet连接,它实际上是一个基于Java的过 程,允许多用户进行在线操作。除了网络系统通讯外,主服务器 还负责数据库操作。由于服务器端的硬件资源总是有限的,所 以主服务器允许系统管理者自由调整并行连接的最大数量。 图1 注射成型教学系统总体结构 一旦与客户端建立了联接,主服务器便启动与客户交互的 线程等待响应用户操作,用户提交分析订单后,主服务器便注册 此任务并将其发送给任务规划器等待处理。由于有限元的数值 模拟是十分费时的工作,根据零件的复杂程度,可能需要几分钟 到几个小时。因此,主服务器允许用户查看所提交任务的状态, 估算需等待的时间。 由于系统支持多用户,主服务器还提供了用户数据的保密 机制,同时要保持每一组数据的完整性,事实上,每一个用户必 须在系统内注册以获得一个用户ID和密码,系统所产生的每一 个数据都标识了用户ID和任务ID。 学员及教学的管理模块也在主服务器中通过操作数据库来 完成,主要包括学员基本信息的管理、 教材及教学进程的管理、 作业与考试的管理、 学员操作日志的管理等,通过学员操作日志 可以很方便地了解、 跟踪和检查学员的学习情况。 312任务规划器 任务规划器负责分配任务,创建并管理主服务器所提交的 任务队列,该队列采用先到先服务 (first 2come2first2serve)的原则。 任务规划器的另一主要目的是平衡所有分析单元的工作负荷, 以保证每一任务的平均响应时间最短,负荷分配的基本方式为: 任务规划器为每一个分析单元设置一个状态信号,“忙” 或 “空 闲”,当发送一个任务给某一分析单元时便将状态设为忙,分析 单元处理完任务后发送消息给规划器,规划器将其状态重设为 空闲,如果所有的分析单元都处于忙状态,规划器进入等待状 态。当然,如果分析工作在客户的本地机进行,任务规划器将通 过把客户端当作一类特殊的分析单元来统一处理。 313分析单元 分析单元是一个基于Java的程序,主要包含两个部分:一 部分负责同主服务器通讯,另一部分负责驱动、 控制本机上的数 值计算程序,基于计算效率的考虑,本机上的数值计算程序采用 C+语言开发。 314 FTP服务器 注射成型CAE方案的远程提交和结果返回以文件传输方 式进行。系统模型中,FTP服务器主要是在客户端和分析单元 之间起到一个桥梁作用,以实现分析方案的高效稳定互传 4 。 FTP客户端实现是基于套接字接口的。客户端和服务器通 过五元组全相关(客户机网络地址、 客户端口号、 协议号、 服务器 网络地址和服务器端口号)建立TCP的控制虚电路(即第一次握 手)。一旦第一次握手成功,双方便进入交互式会话状态。此 时,如果客户端用户向远程服务器提出一个FTP请求,系统就会 在客户机与服务器之间临时建立一个数据连接,用于客户方案 文件的传送。这种接口方式也适用于多个方案文件的同时传送 (借助多条数据链路实现 ) , 其结果是有效减少了系统延迟,提高 了数据传输效率。另外,本文还把超过5M的方案文件拆分成 第9期 周华民等:基于CAE的塑料注射成型教学系统的研究与开发7 多个小文件进行多线程同时传送,从而进一步提高数据传输效 率。 为了保证用户合法使用FTP服务器传送自己的方案文件, 本系统要求用户提供注册名和口令。同时,为了确保FTP服务 器的安全,用户注册名和口令副本将隐含在客户端程序中。 目前高性能的FTP服务器软件很多,不必另行开发。因此, 本系统的关键是正确地嵌入FTP客户程序。WinInet是Windows Internet扩展应用程序的接口,使用WinInet可以方便地给应用程 序添加连接Internet服务器的功能,而无需考虑基本通讯协议和 底层数据传输实现。WinInet支持文件传输协议(FTP) ,并提供相 应的FTP客户端系列函数和方便编程的MFC WinInet类。 4 文件压缩 对于客户端提交或服务器返回的每套分析方案,由于含有 有限元离散数据,所以,文件大小一般在10M以上,对于复杂的 注射成型分析方案,其文件大小甚至可超过100M。如此巨大的 数据量在网上传输,尽管采用了FTP技术,但数据的传输效率和 稳定性并不理想。在网络硬件不变的情况下,较好的解决办法 就是压缩文件,以减少数据传输量。本系统借助Huffman算 法5实现了数据的压缩和解压缩。 字符是数据存储和传送的基本单位,计算机系统采用定长 编码(如ASCII)表示字符。由于各字符的使用频率不同,因此, 以定长码的方式存储和传送字符集往往会造成空间和时间的浪 费。根据字符的使用频率进行不等长编码是解决空间和时间浪 费的有效途径之一。用不等长编码压缩的原理是:以最短的二 进制位串表示使用频率最高的字符,较长的二进制位串表示使 用频率低的字符,从而使字符的平均码长缩短,数据的存储和传 送量得以减少(压缩 ) ; 解压缩过程与之相反,将二进制位串表示 的 “字符” 按压缩的相反方向还原,即可得到原始编码的字符。 应用Huffman算法和Huffman树可以较好地完成借助不等 长编码进行数据的压缩和解压缩工作。假设所需编码的字符集 合D = d1 ,d2 ,. . . ,dn ,字符在D中出现的频率W = W1 ,W2 , 111,Wn ,则对D中字符进行二进制编码的基本要求是 : (1) 数 据编码总长最短 ;(2) 若di不等于dj ,则di的编码不应是dj的开 始部分(前缀)。虽然编码时每个字符的码长可变,但译码仍是 逐位进行的,故不需另加分隔符。这种编码方式称为前缀编码。 为使不等长编码转换成前缀编码,应将字符集中的每个字符 作为叶结点生成一棵带权的编码二叉树(完全二叉树 ) , 其中的权 即为该字符在对应数据中出现的频率。理论上,对于一棵带权二 叉树,运用Huffman算法总可以获得最优二叉树(Huffman树 ) , 该 树代表了最短的数据编码。因此,求解不等长编码问题转化成了 构造Huffman树 (di 为结点,Wi为权值)问题。显然,在生成Huff2 man树之前要扫描一遍数据,以统计各字符的出现频率。 Huffman编码:以di为结点,Wi为权,构造最小WPL的二叉 树,把每个结点同其左子树相连的边标上位0 ,同右子树相连的 边标上位1 ,从根结点到每个叶结点路径上的位值连接起来的 位串,即为该叶结点所代表字符的二进制编码。压缩时,对每个 字符输出其在编码表中的二进制码。 Huffman译码:从Huffman树的根结点开始,用已压缩数据的 二进制位串值 (0 或 1) 逐个与Huffman树上所标的位0、1相匹 配,确定一条到达叶结点的路径,到达叶结点则译出一个字符, 再回到根,从二进制串的下一位开始继续译码,直到译码结束。 用上述原理编写的压缩程序对HSCAE系统传送的方案文 件包的压缩率达到50 %以上,与WinZip、WinRar等软件压缩率 相近。 5 开发实例 基于上述的系统结构和关键技术,开发了C/ S和B/ S两种 模式的教学系统。基于B/ S结构的用户界面具有以下功能 :(1) 用户可以提交需要上载的制品图形文件 ;(2) 提供一个交互环境 以便用户进行前置处理(如选择塑料材料牌号和设置工艺参数 等)和显示分析结果,同时还应提供一些控件(如按钮、 编辑框和 选择列表等 ) , 以便用户对图形进行缩放、 平移、 旋转等操作。为 了满足上述需求,采用Java JDK来开发基于浏览器的用户界面 (如图2所示 ) , 图形显示窗口如图3所示。对于CS结构的用 户界面,由于需要用户下载客户端程序,因此与一般的CAE界 面程序没有本质区别,只是需要增加网络方面的功能,系统提供 的主界面如图4所示。 图2 BS结构的系统主页面(提交任务界面) 图3 分析窗口(a)前处理中显 示的几何模型 ;(b) 分析结果 图4 CS结构的系统主页面 6 结束语 本文从理论和实践的结合上研究了基于CAE的塑料注射 (下转第111页) 8 计算机应用与软件2004年 机科学的一个分支,它的目标是构造能表现出一定智能行为的 代理。美国Stanford大学计算机科学系的Hays - Roth在IJCAI 95的特邀报告中谈到:“智能的计算机代理既是人工智能最初 的目标,也是人工智能最终的目标。 ” 目前,一般认为,代理应当具有以下四个基本特性: 自治 性:代理可以在没有人或其它代理直接干预的情况下运作,而且 对自己的行为和内部状态有控制能力; 社会性:代理和其它代 理可以通过代理语言进行信息交流; 反应性:代理能够理解周 围的环境,并对环境的变化作出实时的响应; 能动性:代理不 仅简单地对其环境作出反应,也能够通过接受某些启动信息,表 现出有目标的行为。代理除了具备以上基本特性外,还应具备 一些人类才具有的特性,如知识、 信念、 义务、 意图等。 单个Agent的智能是有限的,我们通过适当的体系结构把 Agent组织起来形成多Agent的系统(MAS - Multi - Agent Sys2 tem) ,从而弥补单个Agent的不足,使得整个系统的能力超过单 个的Agent。MAS系统的关键有两个方面:一个是代理之间的协 作;另一个就是代理对信息环境的适应。 智能Agent的心智和社会特性使得Agent是智能的和自主 的,同时又是健壮的。将多Agent技术应用到在线培训中来,可 以克服现阶段在线培训系统的局限和不足。利用Agent软件管 理学员的信息。可以动态跟踪学员的学习行为,当学员下一次 登录学习时,软件Agent可以根据以前的学习记录提出学习建 议,自动组织学习内容,克服现阶段学习内容松散的超文本结 构。Agent的社会属性能够满足建构主义协同学习的需要,每一 个学习者可以看成一个Agent ,学习者之间通过Agent的协同机 制完成协同学习;另外,在线辅导老师也可以理解成一个Agent , 同样可以和学生交流信息,教师之间还可以协同工作。 3 基于智能Agent技术的Web2Based Training 系统 所谓基于智能Agent和WBT系统是指在原有的系统中加入 智能Agent模块,使整个系统具有智能性、 协同性和自主性。在 基于智能Agent的Web - Based Training系统中,系统为学员提供 一种智能、 交互、 协同的培训环境,智能地为学员建构 “培训情 景”,提供 “会话” 和 “协作”,最终达到提高培训效果的目的。 在整个系统中,与最终学员直接进行交互的是学习界面代 理,它综合后台的各种信息,例如培训策略代理、 培训内容代理、 协同工作代理、 学习者的模型数据库等多种信息,向培训者提供 个性化的培训内容界面,实现真正的因材施教。学习界面代理 直接和最终用户交互,实现系统的各种功能,记录整个交互过程 并将学习者的个性化数据写入学生模型,存入学生模型数据库 中。将学习者的交互信息交给后台适当的代理处理。 用户的个性化数据及学习模型通过数据库接口存入学生模 型数据库中,为系统的个性化、 智能化提供基础。 培训策略代理根据学生模型数据库中关于学生学习进度和 学生的历史记录来自动地确定培训策略,通过策略知识库中关 于各个策略代理的数据决定相应的模式代理,与培训内容代理 协商自动的组织培训内容。 培训内容代理负责将整个培训内容按照某种策略进行组 织,由培训内容代理进行管理和自动更新,培训活动的组织者和 培训内容代理交互,完成培训内容的更新。培训内容代理在接 收到培训策略代理的指令后,根据某种策略组织内容,交给学习 界面代理。协同工作代理负责与登录到系统中的其它学习者或 者辅导人员或者其他系统中的Agent进行协调,达到协同工作 的目的。 在常见的Windows平台下,整个系统可以采用Java语言来 实现系统模块可以采用Java Applet的方式实现。 4 结 论 智能Agent的思想运用到在线培训系统中去是今后发展的 一个方向,具有很好的现实意义,系统的运行环境是普通的浏览 器可以较好的克服现阶段在线培训系统的局限和不足之参考。 参考文献 1董武绍,“关于基于多Agent的远程教学模式研究”,电化教育研究 J ,2001(9)1 2 Web - Based Training EBOL. http :www. bridgewriter. comagttraining. Html. (上接第5页) 参考文献 1 JavaT M2 Platform Enterprise Edition Specification ,Version1. 4 ,http :java. productsj2EE. 2 Enterprise JavaBeansTM Specification ,Version 2. 0 ,http :java. sun. com productsejb. 3 Enterprise JavaBeansTM Specification ,Version 2. 1 ,http :java. sun. com productsejb. 4 JavaServer Pages ,Specification Version 2.0 ,http :java. products J