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浙江工业大学硕士学位论文 g a e 资源远程共享平台及其关键技术 摘要 c a e 技术经过近5 0 年的发展，已经将“基于物理样机试验的传统设计方法带 入“基于虚拟样机仿真的现代设计方法”，c a e 分析应用正在逐步成为制造业信息化的 关键技术要素，受到越来越多企业的关注和重视。 但对于资金、技术和人才力量较弱的中小型企业而言，受高价c a e 软件的购买、高性 能计算机的配置、高代价c a e 分析人员的培养与维持等客观因素的限制，在c a e 技术的 实施与应用上存在困难，尤其是在分析任务不多的企业里，矛盾更加突出。 随着网络技术的发展，使c a e 技术的远程协同分析服务变得切实可行，本文中利用 a n s y s 及其二次开发技术、a s p 技术以及编程语言v i s u a lb a s i c 6 0 的接口技术，建立具 有应用价值的c a e 资源共享平台，使得用户可以通过i n t e m e t 与c a e 资源共享服务平台 进行在线交互得到所需的c a e 分析服务，使企业免去添置昂贵c a e 分析设备与培养c a e 分析人员的烦恼，同时又能利用c a e 技术解决设计制造中的技术难点。主要工作如下： ( 1 ) 研究c a e 、a s p 及v b 6 0 技术的特点，组建c a e 资源共享服务系统框架； ( 2 ) 研究c a e 任务规划与调度，针对不同用户的不同分析需求，进行任务细分，并调 用分析工具进行分析，满足中小企业对c a e 分析不同层次、不同类型的需求； ( 3 ) 根据既定产品、零部件模型的特征，应用有限元参数化建模功能，实现参数化分析， 达到c a e 分析快速响应的目的； ( 4 ) 研究分析过程智能化与分析知识重用，收集整理c a e 分析实例库和c a e 分析知识 库，建立产品c a e 分析信息服务体系； ( 5 ) 根据有新产品分析需要的用户要求，提出了采用“提出合作申请签订技术保密协 议按要求进行服务”的服务模式来为用户进行服务； ( 6 ) 结合企业提供的机械零部件实例，对c a e 资源远程共享平台进行了性能测试。 关键词：c a e ，远程共享，中小企业，a n s y s ，a s p ，v i s u a lb a s i c 6 0 浙江工业大学硕士学位论文 t h er e m o t es h ar i n gp l a t f o r mo fc a e r e s o u r c ea n dn sk e yt e c h n o l o g i e s a bs t r a c t a f t e r5 0y e a r s d e v e l o p m e n to ft h ec a et e c h n o l o g y , t h et r a d i t i o n a ld e s i g nm e t h o dw h i c h i sb a s e do nt h ep h y s i c a lp r o t o t y p ee x p e r i m e n t h a sb e e nr e p l a c e db y t h em o d e md e s i g n m e t h o dw h i c hi sb a s e do nt h ed u m m ys p e c i m e ns i m u l a t i o n ”t h ec a e a n a l y s i sa n da p p l i c a t i o n a r eg r a d u a l l yb e c o m i n gt h ek e yt e c h n i c a le l e m e n to ft h ei n f o r m a t i o n i z a t i o no fm a n u f a c t u r i n g ， o b t a i n i n gm o r ea n dm o r ee n t e r p r i s e s a t t e n t i o n b u tt os m a l la n dm e d i u m - s i z e de n t e r p r i s e sw h i c ha l ec o m p a r a t i v e l yl a c ko ff u n d , t e c h n o l o g ya n dt a l e n t s ，a n dw i t ht h el i m i t a t i o no fo b j e c t i v ef a c t o r ss u c ha st h ep u r c h a s eo fh i g h p r i c ec a es o r w a r e ，t h ed i s p o s i t i o no fh i g hp e r f o r m a n c ec o m p u t e r s ，t h eh i g hc o s to fr a i s i n ga n d m a i n t a i n i n gc a ea n a l y s i ss t a f f sa n ds oo n , t h ed i f f i c u l t yi sr a i s e di nt h ec a et e c h n o l o g y s i m p l e m e n t a t i o na n da p p l i c a t i o n , p a r t i c u l a r l yi ne n t e r p r i s e s o fl e s s a n a l y z i n gt a s k s ，t h e c o n t r a d i c t i o ni sm o r ep r o m i n e n t a l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to fn e t w o r kt e c h n o l o g y , t h er e m o t e c o l l a b o r a t i v ea n a l y s i s s e r v i c e so fc a eb e c o m e sp r a c t i c a la n df e a s i b l e i nt h i sa r t i c l ea n s y sa n dt h er e - d e v e l o p m e n t t e c h n o l o g y , t h ea s pt e c h n o l o g y a sw e l la st h ep r o g r a m m i n gl a n g u a g ev i s u a lb a s i c 6 0 c o n n e c t i o nt e c h n o l o g ya r eu t i l i z e dt oe s t a b l i s hc a er e s o u r c es h a r i n gp l a t f o r mw h i c hh a st h e a p p l i c a t i o nv a l u e ，e n a b l i n gt h eu s e r st og e tt h ec a ea n a l y s i ss e r v i c et h r o u g hi n t e m e ta n dt h e c a er e s o u r c es h a r i n gs e r v i c ec e n t e r , a n dt h a ta l s oa v o i d st h ee n t e r p r i s e s w o r r i e so f p u r c h a s i n g t h ee x p e n s i v ec a ea n a l y z i n gf a c i l i t ya n dr a i s i n gt h ec a ea n a l y z i n gs t a f f s ，a n ds i m u l t a n e o u s l y m a k i n gu s eo f t h ec a et e c h n o l o g yt os o l v et h et e c h n i c a ld i f f i c u l t i e si nd e s i g na n d m a n u f a c t u r e t h ep r i m et a s k sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) s t u d yt h ec h a r a c t e r i s t i c so fc a e ，a s pa n d t h ev b 6 0t e c h n o l o g y , s e tu pt h es y s t e mf r a m eo f c a er e s o u r c es h a r i n gs e r v i c e ； i t 浙江工业大学硕士学位论文 ( 2 ) s t u d yt h ec a et a s kp l a na n dd i s p a t c h , a c c o r d i n gt od i f f e r e n tu s e r sd i f f e r e n ta n a l y s i s d e m a n d ，s u b d i v i d et a s k s ，a n dt r a n s f e r t h e a n a l y s i s t o o l s r e a l i z et h es m a l la n d m e d i u m - s i z e de n t e r p r i s e s d e m a n do fd i f f e r e n tl e v e l sa n dd i f f e r e n tt y p e st oc a e a n a l y s i s ； ( 3 ) b ya p p l y i n gt h ef e a t u r e so fg i v e np r o d u c t sa n dm o d e l so fc o m p o n e n t s ，t h ef i n i t ee l e m e n t p a r a m e t e r i z a t i o nm o d e l i n gf u n c t i o ni sa p p l i e d , t h ep a r a m e t e r i z a t i o na n a l y s i si sf u l f i l l e d ，a n d t h eg o a lo fc a ea n a l y s i st or e s p o n df a s ti sa c h i e v e d ( 4 ) s t u d yt h ea n a l y z i n gp r o c e s si n t e l l e c t u a l i z a t i o na n dt h ea n a l y s i sk n o w l e d g er e u s i n g ，c o l l e c t a n da r r a n g et h ec a ea n a l y s i se x a m p l es t o r ea n dt h ec a ea n a l y s i sk n o w l e d g eb a s e ， e s t a b l i s ht h ep r o d u c tc a e a n a l y s i si n f o r m a t i o ns e r v i c e ss t r u c t u r e ( 5 ) a c c o r d i n gt ot h eu s e r s r e q u i r e m e n t so fn e wp r o d u c ta n a l y s i s ，i n t r o d u c e st h em o t h o d o f h a n di nt h ec o o p e r a t i o na p p l i c a t i o n - - s i g nt e c h n o l o g yc o n f i d e n t i a la g r e e m e n t c a r r y o nt h es e r v i c ea c c o r d i n gt or e q u e s t s t os e r v et h eu s e r ( 6 ) u n i f yt h em e c h a n i c a ls p a r ep a r te x a m p l e ( s p a r ep a r t ss u c ha sf i r i n gp i n ) w h i c ht h e e n t e r p r i s ep r o v i d e st oc a r r y o u tt h ep e r f o r m a n c et e s to nt h ec a er e s o u r c es h a r i n gs y s t e m k e yw o r d s ：c a e ，r e m o t es h a r i n g , s m a l la n dm e d i u m - s i z e de n t e r p r i s e ，a n s y s ，a s p , v i s u a l b a s i c 6 0 i 浙江工业大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究工作 所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文不包含其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江工业大学或其它教育机构的 学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中 以明确方式标明。本人承担本声明的法律责任。 作者签名：王良日期：劬7 年肛月二e l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密囱。 ( 请在以上相应方框内打“ ) 日期：2 渺7 年2 月2z 日 日期硼年i v 月1 钐日 i 浙江工业大学硕士学位论文 1 1 课题研究背景 第1 章绪论 c a e ( c o m p u t e ra i d e de n g i n e e r i n g ) ，即计算机辅助工程技术，是计算机技术和工 程分析技术相结合形成的新兴技术。c a e 软件是由计算力学、计算数学、数字仿真技术、 工程管理学与计算机技术相结合，而形成一种综合性、知识密集型信息产品。它是用计 算机辅助求解复杂工程和产品结构强度、刚度、屈曲稳定性、动力响应、热传导、 三维多体接触等力学性能的分析计算以及结构性能的优化设计等问题的一种近似数 值分析方法。c a e 系统的核心思想是结构的离散化，即将实际结构离散为有限数目 的规则单元组合体，实际结构的物理性能可以通过对离散体进行分析，得出满足工 程精度的近似结果来替代对实际结构的分析，这样可以解决很多实际工程需要解决 而理论分析又无法解决的复杂问题。 c a e 技术从上个世纪6 0 年代初在工程上开始应用到今天，已经历了近五十年 的发展历史，其理论和算法都经历了从蓬勃发展到日趋成熟的过程，现已成为工程 和产品结构分析中必不可少的数值计算工具，同时也是分析连续力学各类问题的一 种重要手段，而c a e 软件分析的对象逐渐由线性系统发展到非线性系统，由单一的物理 场发展到多场耦合系统，并在航空、航天、机械、建筑、土木工程、爆破等领域获得了成 功的应用。并随着计算机技术、c a d 技术、c a p p 技术、c a m 技术和p d m 技术的发展， c a e 技术逐渐与它们相互渗透，向多种信息技术的集成方向发展，形成一种综合性、知 识密集型信息产品，它将“基于物理样机试验的传统设计方法”带入“基于虚拟样机仿真的 现代设计方法”，已经被视为产品设计中最主要手段之一【堙】。 它的广泛应用使得设计水平发生了质的飞跃，主要体现在如下几个方面【3 4 】： 浙江工业大学硕士学位论文 c a e 技 术 优 势 1 2 课题研究意义 增加设计功能，减少设计成本 缩短设计和分析的循环周期 增加产品和工程的可靠性 采用优化设计，降低材料的消耗或成本 在产品制造前预先发现潜在的问题 模拟试验方案，减少试验时间和经费 进行机械事故分析，查找事故原因 图1 - 1c a e 技术优势 虽然目前c a e 技术的先进性及其重要性已经成为不争的事实，但在其应用上也同样 存在着诸多的不足之处，如图1 2 所示： 图1 - 2 传统c a e 技术缺点 除此之外，c a e 类软件本身也具有一些独特的性质： ( 1 ) 软件本身价格昂贵，非一般用户所能承受； ( 2 ) 软件系统所依附的硬件环境要求苛刻，对平台的容量、速度和处理能力等要求 都很高； ( 3 ) 软件系统庞大，耗费大量的资源； ( 4 ) 仿真分析的计算量很大，运行时间长。 ( 5 ) 软件功能强大，但专用性不足。 浙江工业大学硕士学位论文 特别对于资金、技术和人才力量较弱的中小型企业而言，受c a e 软硬件配置成本过高 及分析专业人才缺乏等客观因素的限制，在c a e 技术的实施与应用上存在困难，尤其是 在分析任务不多的企业里，矛盾更加突出。因此很难将该技术很好的运用到企业产品的设 计研发当中去，从而严重制约了企业的进一步发展，也影响了c a e 技术的推广。 基于以上情况，本文将利用相关技术，开发出操作方便、具有应用价值的c a e 资源 共享服务平台，使得有分析需求的用户可以在客户端通过注册、登陆服务平台，按要求填 写零部件参数后提交或上传已编辑完成的分析命令流，服务器端接收到用户提交的任务 后，处于伺服状态的应用程序将自动调用有限元软件进行分析计算。待分析完成后，用户 可在客户端对分析结果进行查看或下载，以便于指导设计。此外，用户还可以进行工程咨 询，通过与服务平台专业分析人员的沟通，签订服务相关协议后，平台可根据用户要求对 用户的分析任务进行服务。 通过以上技术服务，让更多的企业可以在没有c a e 资源的情况下进行相关的有限元 分析，降低有限元分析的技术门槛，解决企业在产品开发过程中的问题，同时，加快c a e 技术的普及进度。 1 3 国内外研究现状 1 3 1 国外远程应用技术研究现状 无论是c a e 技术还是计算机技术，最初都是从国外发展起来的。因此，国外目前在 远程应用技术方面比较成熟。 如在远程共享方面，美国的l i ，y ，e s c h e ，s k & c h a s s a p i s ，c 为了使越来越多的学生能够 远程共享实验室中的资源，利用w e b 技术建立起一个实验室资源共享服务平台，该平台 通过对系统结构的设计，使得系统可以对资源的分配进行有效的管理，提高实验室资源使 用效率【5 1 。又如巴伦西亚理工大学的j a i m el l o r e t 等人为增加每个学生的实际实验时间， 通过对校园计算机网络的改造，建立起了远程实验室一即允许学生远程访问现实中的实验 设备，通过这一举措，不仅大大提高了实验设备的价值，也使得学生在走向工作岗位时能 够尽快的进入角色 8 1 。 在远程协作方面，法国的b e n j a m i np e t i t 等人建立了三维远程协作及远程呈现建模系 统，该远程协作系统可使两个远距离的用户，实时的对三维模型的材质渲染、通过物理模 拟引擎计算模型与虚拟物体的相互作用进行互动、协作，提高工作效率【7 】。日本的y a s u a k i 浙江工业大学硕士学位论文 k i s h i m o t o 等人为了帮助大型的模拟研究项目研究者从不同的地点进行协作，开发了基于 客户机服务器系统控制的远程协作系统，称为s i m o n 系统。通过该系统，最新的研究结果 都可以通过服务器提供给w e b 浏览器，从而使得项目的合作者可以在任何地方对项目的 进展进行监控，提高合作者彼此间的工作效率【引。 在网络化c a e 方面【9 ，1 0 1 ，美国的j t a n g ，vo g a r e v i c 和c s t s a i 等人为了帮助工 程师在耐用性和可靠性分析方面实现快速便捷的计算，开发出一个基于网络层的c a e 计 算服务，实现了工程工作站和高速的服务器计算机之间可靠的数据传输和远程计算，利用 网络来快速的解决了许多工程实际问题。 1 3 2 国内远程应用技术研究现状 近年来，在国家的大力支持下，国内许多高校和研究所以及各级生产力促进中心在网 络化远程系统方面，开展了大量的研究工作，同时也提出了不同的应用模式。 如在远程共享方面：太原理工大学奥丰源等人在掌握了大型科学仪器共享方法、方式、 最新进展和吸收其他地区大型科学仪器共享平台建设经验的基础上，对大型科学仪器的远 程共享机制进行了拓展，提出了一种大型科学仪器虚拟化远程共享的思路，其核心思想就 是将大型科学仪器的功能通过w e bs e r v i c e s 技术虚拟化为一种w e b 服务，使用户对大型 科学仪器的使用从传统的共享模式提升到按需要使用服务的模式，在进一步保证大型科学 仪器系统自身的安全性的同时，实现大型科学仪器的跨平台远程共享，从而有效的提高大 型科学仪器的综合利用掣u 】。 在远程服务协作方面：武汉理工大学的刘刚等人为了解决项目运行过程中管理混乱的 问题，利用d e l p h i 开发出基于网络的协同c a e 管理系统，使得项目组的每个成员通过该 系统可以实时的进行交流、协作，从而大大提高分析效率【1 2 1 。此外，大连海事大学的王 小妹等人为解决当前产品设计过程中，设计者与需求者不能实时地进行产品设计合作的问 题，利用c s c w 开发了基于w e b 的远程协同产品设计的服务环境，使得产品的设计者 与需求者通过可视化协同工作环境进行交谈、共享电子白板、视频会话和应用程序共享， 让需求者直接参与设计，使设计的产品更个性化，同时需求者可在设计的某些阶段对产品 进行远程监督检查，这样可以使产品的设计生产周期相对缩矧玎】。 再如，上海c a e 技术公共服务平台，便是在上海市科委的领导下，由上海科学院联 合大连理工大学共同筹建的面向中小企业、以装备结构分析为主的专业服务机构，以具有 自主知识版权的c a e 软件j i f e x ( 工程版) 为主，其他国际主流软件为辅，联合、整 一4 - 浙江工业大学硕士学位论文 合上海的资源，建设一个开放的技术交流、工程咨询、人才培养、技术研究的服务环境。 但是整体来讲，目前国内c a e 技术发展的比较缓慢，虽然中国正在成为世界的制造 中心，但是实际上中国制造企业的产品创新能力、性能、质量等指标等都还很低。因此， 建立一个能够让更多的制造企业了解c a e ，应用c a e ，真正帮助企业提高研发能力和产品 质量的共享平台，显得十分的有意义。 1 4 本文所傲的主要研究内容 本文受浙江工业大学校级重点科研基金资助。项目名称：基于a s p 的中小企业远程 c a e 服务系统的研究与实现 论文以a s p 为平台，采用a n s y s l1 0 作为服务器端c a e 分析软件，a c c e s s 作为数 据库软件，结合工具语言v i s u a lb a s i c 6 0 ，开发该c a e 资源共享系统。主要研究内容如 下： 根据实际需要，研究了c a e 、a s p 及v b 6 0 技术的特点，得出了c a e 资源共享服务 技术的优势，提出了共享平台的框架及服务流程。 研究了有限元参数化建模分析技术，利用a n s y s 的二次开发语言a p d l ，实现了机 械产品的有限元参数化建模以及c a e 分析软件与服务平台的数据交换，实现了系列化和 需重复分析机械产品的有限元分析。 根据c a e 分析软件_ a n s y s 的特点，对用户所提交的分析任务进行了排序处理。 同时对分析结果文件进行了相关处理，将用户所需要的后处理结果文件经过自动压缩可供 用户进行下载查看。 根据有新产品分析需求的用户要求，提出了采用【提出合作申请一签订技术保密协议 按要求进行服务】的服务模式来为用户进行服务。 结合企业提供的机械零部件实例( 如撞针等零部件) ，对a s p 的远程c a e 分析功能的 应用进行性能测试。 1 5 本文结构 本论文的组织结构如图1 3 所示t 浙江工业大学硕士学位论文 第一章绪论 上 【第一章系统实现的技术支撑】 土 第三章资源共享服务模式及后处理研究 u 第四章c a e 资源远程共享关键技术及其应用 上土 第血章实例运行 弋7 第六章总结及展望 图1 0 3 论文组织结构图 浙江工业大学硕士学位论文 第2 章系统实现的技术支撑 2 1 服务器端c a e 分析软件a n s y s c a e 的技术种类有很多，其中包括有限元法( f e m 。即f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ) ，边 界元法( b e m ，即b o u n d a r ye l e m e n tm e t h o d ) ，有限差分法( f d m ，即f i n i t ed i f f e r e n c e e l e m e n tm e t h o d ) 等。每一种方法各有其应用的领域，而其中有限元法应用的领域越 来越广，现已应用于结构力学、热力学、流体力学、电路学、电磁学等。 2 1 1a n s y s 概述 a n s y s 软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析 软件。由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国a n s y s 公司开发，它能与多数c a d 软件接口，实现数据的共享和交换，如p r o e n g i n e e r ，i - d e a s ，a u t o c a d 等，是现代产 品设计中的高级c a e 工具之一。 a n s y s 有近三十年的发展历史，经过多年的发展，目前已有许多国际化大公司以 a n s y s 软件作为其标准，a n s y s 的用户包括未来杂志“g l o b a l1 0 0 中排名前十位的工 业公司。a n s y s 程序一直在不断地进行发展，其逐渐增加的功能具体如下：结构高度非 线性分析、电磁分析、计算流体动力学分析、设计优化、接触分析、自适应网格划分、大 应变和有限转动功能以及利用a n s y s 参数设计语言( a p d l ) i 约扩展宏命令功能。其菜单系 统使用户能够通过对话框、下拉式菜单和子菜单进行数据输入和功能选择，为用户使用 a n s y s 提供了导航。实体建模特性包括基于m 瓜b s 的几何表示法、几何体素及布尔运 算。a n s y s 还具有多物理场耦合的功能，它允许在同模型上进行各式各样的耦合计算， 如；热一结构耦合、磁一结构耦合以及电一磁、流体一热耦合等 1 4 , 1 5 】。 a n s y s 设计数据访问模块( d d a ) 能够将使用c a d 建立的模型输入到a n s y s 程序中， d d a 为与设计数据密切相关的分析求解提供保证，并可通过先进的接口访问分析结果。 a n s y sd d a 接口产品支持许多领先的c a d 软件。 下面分几个方面对a n s y s 进行详细介绍： 1 、用户界面一a n s y s 程序功能强大，涉及范围广，它的图形用户晃面( g u i ) 友好、 浙江工业大学硕士学位论文 程序构架易学易用； 2 、图形显示完全交互式图形已成为a n s y s 程序中不可分割的组成部分，图形对于 校验前处理数据和在后处理中检查求解结果都是非常重要的； 3 、处理器按不同的功能作用可将a n s y s 分为若干个处理器：一个前处理器、一个 求解器、两个后处理器以及几个辅助处理器( 如设计优化器等) 。a n s y s 前处理器用于生成 有限元模型，指定随后求解中所需的选择项；a n s y s 求解器用于施加载荷及边界条件， 然后完成求解运算；a n s y s 后处理器用于获取并检查求解结果，从而对模型做出评价以 及进行其它感兴趣的计算； 4 、数据库一a n s y s 程序使用统一的集中式数据库来存贮所有模型数据及求解结果。 模型数据( 包括实体模型和有限元模型、材料等) 通过前处理器写入数据库；载荷和求解结 果通过求解器写入数据库；后处理结果通过后处理器写入数据库。数据一旦通过某一处理 器写入数据库中，即可被其它处理器使用。例如，通用后处理器不仅能读取求解数据，而 且能读取模型数据，然后利用它们进行后处理计算； 5 、文件格墨；一文件可用于将数据从程序的某一部分传输到另一部分、存贮数据库以 及存贮程序输出。a n s y s 文件包括数据库文件、计算结果文件、图形文件等等。程序生 成的文件或者是a s c i i 格式( 该格式易于阅读或编辑) ，或者是二进制格式。在缺省设置下， a n s y s 程序生成外部格式的二进制文件，该格式允许在不同硬件系统中移置，当某一个 用户在某一计算机系统中生成模型几何数据后，该数据可方便地传输给另一系统中的另一 个a n s y s 用户。 2 1 2a n s y s 前处理模块p r e p 7 a n s y s 分析过程包括三个阶段：前处理、求解及后处理。前处理用于定义求解所需 的数据。用户可选择坐标系统、单元类型、定义实常数和材料特性、建立实体模型并对其 进行网格剖分、控制节点和单元、以及定义耦合和约束方程。通过运行一个统计模块，用 户还可预测求解过程所需的文件大小及内存需求【1 4 , 1 5 】。 在a n s y s 程序中，坐标系统用于定义空间几何结构的位置、节点自由度的方向、材 料特性的方向以及改变图形的显示和列表。程序中可用的坐标系统类型有：笛卡尔坐标、 柱坐标、球坐标、椭球坐标及环坐标。所有这些坐标系统均能在空间的任意位置和任意方 向设置。用户在前处理阶段输入的数据将成a n s y s 集中数据库的部分，该数据库由一 系列表组成：坐标系表、单元类型表、材料特性表、关键点表、节点表以及载荷表等，一 旦某个表中的数据被定义，该数据即可通过表项编号被引用。例如用户定义了几个坐标系 8 浙江工业大学硕士学位论文 之后，就可通过简单地引用相应的坐标系编号( 表项编号) 来激活它们。另外，一套数据库 控制命令可用于选择数据库的部分数据，以完成特定操作。基于一定的标准，诸如几何位 置、实体模型图元、单元类型、材料类型以及节点和单元编号等，用户可选择其所需的数 据。例如基于几何位置比基于节点和单元的编号更易于定义或改变复杂的边界条件。虽然 用户可输入与模型有关的多方面的信息，但在求解过程中，程序只使用特定分析所需的那 部分数据。把模型划分成组元是选择模型数据的另一个便利方法，所谓组元是指用户为了 清晰或组织合乎逻辑而定义的几何图元组，为了清楚显示一个复杂模型的各个部分，组元 可以显示成不同颜色。a n s y s 程序提供了广泛的模型生成功能，从而使用户可快捷地建 立实际工程系统的有限元模型。a n s y s 本身强大的建模功能为其参数化分析的实施提供了 有力的支持。 a n s y s 程序提供了三种不同的建模方法：模型导入、实体建模及直接生成。每种方 法有其独特的特性和优点。用户可选择其一或其组合来建立分析模型【1 6 1 。 2 1 3a n s y s 求解模块s o l o n 在前处理阶段完成建模后，用户在求解阶段以通过求解器来获得分析结果。在a n s y s 分析的该阶段，用户可以定义分析类型、分析选项、载荷数据和载荷步选项，然后开始有 限元求解。直接求解器，如波前求解器，可计算出线性联立方程组的精确解。a n s y s 程 序还提供了一个有效的稀疏矩阵求解器，它既可用于线性分析，也可用于非线性分析。即 要求求解精度又要求求解时间的静态及瞬态分析中，该求解器可代替迭代求解器。由于稀 疏矩阵求解器基于方程的直接消去，因而可容易地处理病态矩阵。对于接触状态可改变拓 扑结构并影响波前宽度的非线性分析，以及模型为具有多个波前的多分支结构的任何分 析，如涡轮发动机的叶片以及汽车的排气系统，该求解器都较为适用。稀疏矩阵求解器只 能用于真正的对称矩阵，与波前及其它直接求解器相比，稀疏矩阵求解器能显著加速求解 速度。 作为直接求解器的代替，用户可激活一个迭代求解器，这在求解大规模问题时，可节 省计算机资源，减少计算时间。几乎所有的分析问题都是求解一系列的线性联立方程组， 迭代求解器通过迭代求出近似解。 a n s y s 程序提供了三个迭代求解器：预条件共扼梯度( p c g ) 求解器，它是一个被称为 p o w e r s o l v e r 的高效求解器，j a c o b i 共轭梯度( j c g ) 求解器。以及不完全：c h o l e s k y 共扼梯度 ( i c c o ) 求解器。针对特定的问题，用户可从三个不同的求解器中任选一个最合适的求解器 进行求解，从而最大限度地提高效率。一般地说，迭代求解器更适用于大而复杂的问题。 浙江工业大学硕士学位论文 对于求解场问题( 包括声、传热以电磁场问题) 以及具有对称、稀疏、正定矩阵的其它大型 问题，迭代求解器更为有效。 a n s y s 软件提供的分析类型如下： l 、结构静力分析 a n s y s 程序中的结构静力分析，用来求解外载荷引起的位移、应力和力。静力分析 很适合于求解惯性及阻尼的时间相关作用对结构响应的影响并不显著的问题。这种分析类 型广泛应用于机械工程和结构工程。 a n s y s 程序中的静力分析包括非线性，如塑性、蠕变、膨胀、大变形、大应变及接 触分析等。 2 、结构动力分析 结构动力分析用来求解随时间变化的载荷对结构或部件的影响不同于静力分析，动力 分析要考虑载荷随时间的变化以及阻尼和惯性影响这类载荷包括：交变力、冲击力、随机 力及其它的瞬态力。 a n s y s 程序可求解下列类型的动态分析问题：瞬态动力学、模态、谐波响应及随机 振动。 3 、结构非线性 结构非线性导致结构或部件的响应随外载荷不成比例变化。a n s y s 程序可求解静态和 瞬态非线性问题，包括材料非线性、几何非线性和单元非线性三种。 4 、动力学分析 a n s y s 程序可以分析大型三维柔体运动。当运动的积累影响起主要作用时，可使用这 些功能分析复杂结构在空间中的运动特性，并确定结构中由此产生的应力、应变和变形。 5 、热分析 程序可处理热传递的三种基本类型：传导、对流和辐射。热传递的三种类型均可进行 稳态和瞬态、线性和非线性分析。热分析还具有可以模拟材料固化和熔解过程的相变分析 能力以及模拟热与结构应力之间的热一结构祸合分析能力。 6 、电磁场分析 主要用于电磁场问题的分析，如电感、电容、磁通量密度、涡流、电场分布、磁力线 分布、力、运动效应、电路和能量损失等。还可用于螺线管、调节器、发电机、变换器、 磁体、加速器、电解槽及无损检测装置等的设计和分析领域。 7 、流体动力学分析 1 0 浙江工业大学硕士学位论文 a n s y s 流体单元能进行流体动力学分析，分析类型可以为瞬态或稳态。分析结果可以 是每个节点的压力和通过每个单元的流率。并且可以利用后处理功能产生压力、流率和温 度分布的图形显示。另外，还可以使用三维表面效应单元和热一流管单元模拟结构的流体 绕流并包括对流换热效应 8 、声场分析 程序的声学功能用来研究在含有流体的介质中声波的传播，或分析浸在流体中的固体 结构的动态特性。这些功能可用来确定音响话筒的频率响应，研究音乐大厅的声场强度分 布，或预测水对振动船体的阻尼效应 9 、压电分析 用于分析二维或三维结构对a c ( 交流) 、d c ( 直流) 或任意随时间变化的电流或机械载荷 的响应。这种分析类型可用于换热器、振荡器、谐振器、麦克风等部件及其它电子设备的 结构动态性能分析。可进行四种类型的分析：静态分析、模态分析、谐波响应分析和瞬态 响应分析。 2 1 4a n s y s 后处理模块p o s t l 和p o s 亿 a n s y s 程序的后处理过程紧接在前处理和求解过程之后，它可以通过友好的用户界 面，很容易地获得求解过程的计算结果并对这些结果进行运算。例如，这些结果可能包括 位移、温度、应力、应变、速度及热流等，输出形式有图形显示和数据列表两种。交互式 后处理过程中，图形可联机输出到显示设备上，也可以脱机输出到绘图仪上。由于后处理 阶段完全同a n s y s 前处理和求解阶段集成在一起，故求解结果已存于数据库且能立即查 看。在求解阶段，分析结果写入a n s y s 数据库及结果文件。单个子步的结果作为数据集存 贮。每个数据集可用的数据量和类型由所完成的分析类型及求解阶段设置的选项来控制。 对于某个分析的每一载荷步，用户可指定每个子步、最终子步、或最终子步和中间子步的 组合写数据集，用户同样可以选择写什么范围的数据组，如位移、应力及反作用力。 后处理访问数据集的方法有两种，一是用通用后处理器p o s t l 检查整个模型或模型的 某一部分中任意一个特定数据集的结果；另一个是用时间历程后处理器p o s t 2 6 跨多个数 据集检查选择出的部分模型的数据，如特定节点的位移或单元应力。当数据从结果文件读 出后，数据存于a n s y s 程序数据库。后处理中允许访问所有输入数据( 几何模型、材料、 载荷等) ，使用交互方式可很方便地进行数据库操作并立即提供结果图形和结果列表【1 6 1 。 2 1 5a n s y sw o r k b e n c h 概述 a n s y sw o r k b e n c he n v i r o n m e n t ( a 、砸) 是a n s y s 公司新近开发的新代前后处理 浙江工业大学硕士学位论文 环境，该环境提供了与c a d 软件及设计流程无与伦比的集成性，从而最大限度的发挥c a e 对设计流程的贡献。 a n s y sw o r k b e n c h 作为世界唯一一款协同仿真平台，旨在搭建基于网络的仿真工作 统一环境，将百家争鸣的仿真技术和纷繁复杂的仿真数据完美整合，与仿真相关的人、部 门、技术及数据在统一环境中协同工作【1 7 1 。如图2 - 1 所示： 聋搏糯l e f 攀燕 缆。蛰一 日嚼瞪对 参羹 图2 1w o r k b e n c h 协同分析不葸图 a n s y sw o r k b e n c h 仿真协同环境的目标是，通过对产品研发流程中仿真环境的开发 与实施，搭建一个具有自主知识产权的、集成多学科异构c a e 技术的仿真系统。以产品 数据管理p d m 为核心，组建一个基于网络的产品研制虚拟仿真团队，基于产品数字虚拟样 机，实现产品研制的并行仿真和异地仿真：所有与仿真工作相关的人、技术、数据在这个 统一环境中协同工作，各类数据之间的交流、通讯和共享皆可在这个环境中完成【1 8 1 。 其主要特点有以下几点： ( 1 ) 与c a d 软件的相关性及双向相关性 a w e 通过独特的插件构架与c a d 系统中的实体及面模型双向相关，具有更高的c a d 几何导入成功率，当c a d 模型变化时，不需对所施加的载荷和支撑重新施加；a w e 与 c a d 系统的双向相关性还意味着可通过a w e 的参数管理器可方便地控制c a d 模型的参数， 从而将设计效率更加向前推进一步；a w e 的这一特性，还可对多个设计方案进行分析，自 动修改每一设计方案的几何模型。 ( 2 ) 完全参数化分析环境 1 0 年前参数技术被引入c a d 软件，并对提高设计效率发挥了极大的作用，采用参数， 仅仅简单的改变几个值，即可完成多种设计方案，软件自动修正几何模型；但在仿真软件 中，这一技术迟迟没有被采用。 a w e 在分析软件中率先引入这一技术，可同时控制c a d 几何参数和材料、力方向、 温度等分析参数，这一创新使得a w e 与多种c a d 软件具有真正的双向相关性，通过交 互式的参数管理器可方便地输入多种设计方案，点击一下鼠标，参数可自动传回c a d 软 1 2 浙江工业大学硕士学位论文 件，自动修改几何模型，模型一旦重新生成，修改后的模型可自动无缝地返回a w e 中，一 系列新的分析即可开始。 ( 3 ) 鲁棒的网格剖分 许多c a e 用户都化大量的时间在网格生成上，a w e 在大型复杂装配的网格生成上独 具特色，自动网格生成技术可大大节省用户的时间。 ( 4 ) 基于知识的自动化 根据分析类型不同，有很多因素影响分析的精度，传统的专职分析人员花大量的时间 和培训来掌握各种分析，手工地处理模型以保证分析精度；而对于设计人员来讲，他所关 注的应该是自己的产品设计，而不是有限元方法，因此需要一个可靠的工具来替代传统的 工具，以尽可能实现自动化。a w e 正是基于这一出发点开发的，以下所述为这一产品智 能化的方面，以尽可能确保分析精度。 自适应网格划分，自动细分精度要求高的区域 智能化网格划分，生成形状特性较好的单元，保证网格的高质量 自动收敛技术，是自动迭代过程，通过自适应网格划分以使指定的结果达到要求 的精度，例如，如果感兴趣装配中某一个零件的最大应力，可指定该零件的收敛精度 自动求解器选择：a w e 根据所求解问题的类型自动选择适合的求解器求解 智能化的载荷和边界条件自动处 ( 5 ) 自动接触识别 a w e 易用性的另一个具体体现是识别邻近的零件并自动设置接触关系，从而可节省 模型设置时间