0 前言
全球化、網絡化、虛擬化和異地化是21世紀制造業的發展方向。激烈的市場競爭使得企業必須采用各種先進設計、制造技術和工具，快速開發高質量、低成本的創新產品。以有限元方法為代表的計算機輔助工程分析技術(CAE)作為保證產品性能、質量的先進設計方法，被廣泛應用于結構、熱力場、磁場和流體等分析，是保證產品質量、提高性能、降低成本的有效工具，受到越來越多企業的關注和重視。然而，昂貴的CAE系統以及復雜的建模和分析過程使多數企業在經濟和技術上難以承受。因此，研究基于網絡的有限元服務系統成為CAE技術發展與應用推廣的趨勢之一。
當前，產品個性化、多樣化已成為市場主導，大批量定制方式將取代大批量生產成為主流生產模式。大批量定制的目的是以大規模生產的效益（低成本和短交貨期）生產客戶化產品，在既定產品、零部件主模型基礎上進行變型設計和配置設計是大規模定制企業中的主要產品研發模式，這為實現基于網絡的協同產品CAE系統提供了基礎，即通過實現產品結構的模塊化、標準化，采用參數化、變量化分析技術，建立產品分析模型知識庫，使企業技術人員可根據設計需求，提取相應的標準結構及其分析模型，通過標準的分析過程，經網絡將分析需求數據提交到CAE服務器，使用系統提供的功能進行分析并獲得結果，以實現產品的快速響應設計與分析。基于此，提出開發面向產品大規模定制型企業的網絡化產品快速分析系統平臺，以滿足該類型企業進行高效、低成本和高質量產品分析的需求。
1 產品分析的標準化、模板化和知識化
1.1 產品有限元建模的標準化、參數化
前、后處理是有限元分析技術的重點和難點，建立有限元分析模型是前處理的主要任務，建模方法和質量影響著網絡環境下協同分析的方法以及分析的速度和質量。因此，針對特定產品和具體情況研究產品有限元建模的標準化、參數化的方法和工具是實現網絡環境下產品分析的第一步。
大規模定制模式的產品開發與設計為實現有限元建模標準化和參數化提供了基礎。面向大批量定制產品開發設計技術主要包含兩個方面的內容：一是開發技術，主要是通過完成產品及零部件結構與參數分析、分類等，建立零部件主模型，進而建立面向大批量定制的產品主模型（或產品主結構）。在大批量定制產品系統中，能夠標準化、通用化的零部件一般占總零部件數的60%以上，這種經過了產品零部件充分的結構分析和標準化將使有限元建模的標準化和參數化變得切實可行。第二，面向大批量定制的產品設計技術，即根據客戶需求，在既有產品模型基礎上，采用配置設計或變型設計等方法快速設計出定制化的產品。基于標準分析模型進行產品結構快速分析是實現快速配置和變型設計的基本要求之一。
實現產品零部件結構有限元模型標準化、參數化的要求和方法與大規模定制系統中產品零部件主模型的建立不盡相同。首先，對有限元建模的要求將影響分析目的的結構充分表達，這樣可以簡化分析復雜程度、提高效率：其次，有限元參數化建模一般需要根據所使用的CAE分析軟件平臺進行相應的二次開發以提高建模和管理的效率。如ANSYS提供了APDL語言，MSC.Patran提供了PCL語言，可用于相應的開發工作。
1.2 分析過程的模板化和規范化
有限元分析有著基本固定的執行順序，一般為幾何建模、網格劃分、施加載荷、選擇分析方法和程序、后處理等，但具體到每一個步驟，對于不同類型分析對象的不同條件，其實施的具體方法和過程也會不同，譬如一般的CAE軟件都會提供多種幾何建模方法，或通過標準接口從其他CAD模型中導入，或直接在CAE軟件界面中通過操作建模，或通過系統提供的編程語言進行建模等；而且由于分析水平和熟練程度的不同，使得CAE分析使用人員對分析過程的控制和參與程度不同；特別是對于不同的研究對象需要不同的功能需求，如對于焊接過程的仿真分析，由于涉及到熱一力一輻射等多個場耦合分析，其分析過程比一般結構分析過程復雜。
在網絡化CAE分析平臺中，需要針對不同情況、不同使用對象定制相應的分析模板，使不同的操作者可以根據自己的需要和習慣，在系統分析模板的導航下順利開展工作。從而提高網絡環境下進行產品協同分析的效率，降低分析過程的復雜程度。
1.3 分析智能化與知識重用
有限元分析過程是一個復雜的信息處理過程，該過程中需要使用者不但要處理大量數據，還要對分析過程中出現的現象、結果進行判斷，及時修正分析過程。因此，作為提供有限元分析服務的網絡化CAE系統應能夠為設計者提供分析過程的支持和幫助。
大規模定制型產品內的多數零部件是基于主模型的參數變型或功能變型組合零部件，對這類產品或零部件的分析可以采用變量化方法事先分析得到其結構與性能參數之間的關系，這種關系可以以具體的參數數據形式存儲到數據庫中，為后續分析提供支持和參考。
圖1描述的就是這種經過變量化分析得到的數控機床立柱基本結構的參數一性能關系，其結構內部圓柱面直徑d和元結構端面的邊長口為關鍵尺寸，分析其比值d/a與結構固有頻率之間的關系（見圖1中曲線圖）可以為設計和分析提供指導和幫助，當d/a從0.1到1變化時，對應的元結構的前3階固有頻率，在頻率最低點A附近，元結構的振型發生變化，之前為沿元結構對角線方向的搖擺振動，之后是元結構前后、左右面方向的搖擺振動。將圖1中的分析實例及其參數一性能數據作為設計知識以一定的格式存入數據庫中已備后續設計分析參考、使用，將有效提高設計、分析效率。
圖1 機床立柱基本結構及其固有頻率變化曲線圖
由此可見，分析實例、經驗和數據的有效重用也是輔助分析的重要方法。企業可以根據情況建立產品分析實例庫，將以往一些典型零部件、產品的分析結果和過程作為知識存儲在數據庫中，也可以通過分析專家對產品或零部件進行分析獲得數據，這將有利于設計知識和經驗的繼承，而且通過直接提取相似實例得到產品結構性以滿足產品快速報價的需求。
2 面向MC的產品網絡化CAE平臺
基于網絡的CAE系統是在上述思想指導下開發的一個為大規模定制型企業提供產品快速分析和相關技術支持的服務平臺。
2.1 Web-Based-CAE系統構架
圖2為系統基本層次結構示意圖，采用基于B/S(Browser/Server)模式的三層功能體系結構，其中應用層是系統通過瀏覽器為企業或用戶提供CAE服務功能的交互接口，用戶通過瀏覽器可以使用系統提供的CAE分析功能并獲得專家知識服務。中間層主要功能是將用戶操作過程和提交的模型分析參數及相關數據翻譯成系統可識別的語言和數據格式，并提交到底層完成相應操作；同時將操作結果翻譯成用戶語言并發送到用戶瀏覽器。系統的核心是執行層，其主要功能是根據用戶需求和控制指令完成相應的有限元分析任務，包括模型提取，根據任務要求進行模型修改，然后交求解器計算，后處理過程中也是將所需參數、結果圖形提取出來返回專家評價或直接通過網絡返回用戶，上述過程是在企業產品模型與分析知識庫（主要包括模型庫、材料庫和知識庫等）和系統的分析過程實例知識庫（實例數據和分析過程信息等）的支持下完成的，模型分析過程的實現是基于MSC.Patran的開發語言PCL和VC++完成的。
圖2 系統平臺框架結構
2.2 模板化、參數化和智能化分析過程的實現
為實現分析過程的模板化和參數化，按照有限元分析的過程、階段組織產品分析過程中用到的模型和數據，如圖3所示，將參數化分析模型劃分為參數定義、幾何建模、網格劃分、載荷施加以及求解、后處理幾個部分。之所以將建模過程分為這幾個部分，是為了便于數據管理和與操作者的信息交互。ANSYS為分析模型參數化建模提供了APDL語言，MSC.Patran提供了PCL語言，二者都是類似于C和Fortran的用于二次開發的編程語言，因此都可以實現分析對象的參數化建模和對分析過程的控制。
下面以MSC.PCL為例說明系統如何實現上述標準化的分析過程。
首先將參數化分析模型中的所有參數提取出來，這些參數分為結構參數、材料屬性參數、網格控制參數和載荷參數等，將其作為模型數據存入相應數據庫中，同時與這些參數相關的信息如參數取值約束、經驗數據等也被存入相應數據庫中，這樣就可以在分析過程中為操作者提供相關的知識信息支持。
圖3 有限元遠程分析基本流程
客戶通過網頁選取需要分析的模型并定義相關的參數數據，將這些數據信息通過網絡提交給分析服務器，CAE分析服務器中采用以VC++開發的服務器組件從數據庫中提取相應數據，并根據所存儲的信息實時反饋給客戶，以修改相關數據，直至客戶確認信息無誤，所有數據將經過服務器組件處理，生成Patran所需要的文件格式，然后由客戶端發出控制指令控制相應的服務器組件啟動分析軟件進行分析計算。分析計算結束，服務器組件提取結果數據，并將其按照一定格式發回客戶端。計算結果的提取是根據分析對象和分析方法確定的，如對于結構靜態分析，用戶關心的一般是應力、應變的最大值及其發生部位等。
服務器對客戶端所提交功能操作的響應是通過后臺運行的自動化Com組件實現的。其中，處理客戶與服務器數據庫之間數據信息的管理和操作由數據庫管理組件DataManage負責，其主要的接口方法包括負責與數據庫的通信，根據客戶需求實現對數據庫的讀寫操作，數據庫采用SQL Server；對分析知識的管理和操作由知識管理組件KnowldgeManage完成，知識庫采用面向對象數據與關系數據庫結合的方法組織；另外，對相關CAE軟件及其二次開發模塊的操作則有分析控制組件AnalysisManage實現，該組件主要是根據客戶提交以及系統數據庫處理結果實現對CAE軟件的相關操作和控制，最終實現CAE分析過程。使用ASP腳本可調用Com組件的相關方法和屬性，用戶登陸系統后，使用Server對象的CreateObject方法創建一個分析過程組件的實例，然后將該組件實例存放在內置的Session對象中，這樣在整個Session中ASP頁面都可以使用此組件實例。
3 應用實例
以大規模定制化生產的摩托車產品為對象，并以其組成部件一車把的分析為例闡述實現網絡化CAE的實現過程。圖4所示為某型號摩托車車把模型，由六個基礎零件組成。以該型號為基型可衍生出多個派生產品。
圖4 某型號摩托車車把模型
對于注冊用戶，系統根據分析對象類型和用戶類型提供多種交互方法實現產品的遠程分析，其中最常用的有以下兩種：①對于已定義并注冊的零部件或產品模型，用戶可以通過選擇相應的標準分析模型開始分析定義過程，這種標準分析模型是預定義的一些具有標準幾何拓撲結構的零部件或產品的有限元分析模型，這些模型在大規模定制化產品中占有比例較高，基于網絡按照標準的分析過程對這些預定義的分析模型進行變型設計和分析，將大大提高產品設計分析的效率。②對于專用零部件或具有復雜結構的分析模型，系統可通過網頁將客戶分析要求和相應的CAD或CAE模型上傳至服務器由專業人員進行分析。
以圖5所示的某車把模型為例說明第一種分析方法的具體實現過程。該模型是圖4所示摩托車車把的變型產品，為已在系統中注冊的標準模型，即用戶可直接從應用服務器數據庫中提取該零件的分析模型文件及相應的數據進行分析。該模型為參數化分析模型，其參數分為：幾何結構參數r如圖5中所示參數，由于視圖限制圖中只標注部分參數）、材料屬性參數、網格控制參數和載荷參數等。根據零部件結構分析，上述參數又可分為主參數（設計要求驅動的獨立參數）和被驅動參數（參數鏈驅動的參數）。這些參數已在模型注冊時輸入服務器系統的數據庫和文件庫中。
本例為計算圖5所示車把的固有頻率。首先，用戶在客戶端根據設計參數進行分析模型查詢，服務器將相應分析模型的相關參數和信息通過網絡傳遞給用戶，由用戶根據系統提示和幫助來定義模型分析過程中涉及到的所有參數的取值，在此過程中，這些信息數據被提交給服務器，并由系統后臺控制程序響應用戶操作生成分析所需要的數據文件，并提交Patran/Nastran進行處理計算。
圖5 某車把有限元分析模型及其關鍵參數
下表第二列為系統分析結果。圖6所示為該車把的一階振型圖。上述分析結果可以以數據、圖片和動畫等形式通過網頁返回給用戶。另外，表中還列出該模型經專家分析計算的結果，與應用遠程CAE系統進行標準化分析的結果比較，可見兩者的分析結果基本吻合。
表1 車把有限元分析結果對比
圖6 車把有限元計算一階振型
實際應用表明，該系統可根據不同企業需求定制相應的服務，實現大規模定制化產品的遠程分析與技術服務。下一步研究的重點是，在完善對大規模定制產品的標準參數化分析模型的處理之后，提高系統對分析對象模型的適應能力，即提高用戶和系統服務器的交互能力，使之能夠處理具有一定復雜程度結構模型的能力。
4 結論
當前，網絡對產品的營銷、服務以及開發、設計和制造等幾乎生命周期所有活動產生著越來越廣泛和深入的影響，網絡化制造、CPC(網絡協同商務)和網絡協同設計等都對成為研究熱點和發展趨勢。以大規模定制產品為對象，介紹了實現網絡化協同CAE和提供CAE服務的方法和技術，目的在于探討提高CAE技術在我國中小型企業的普及使用和技術服務的水平，同時也希望能夠對于提高定制化產品的協同設計、協同分析與服務技術水平提供借鑒。
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