自动化挖掘机动臂结构有限元分析策略研究

 动臂结构有限元分析是设计或优化动臂结构时评价结构性能的重要手段之一。针对当前动臂结构优化过程频繁调用有限元软件求解结构应力所存在的优化效率低、耗时长问题，有学者提出了利用黑箱模型预测动臂结构应力的方法[1][2]。但黑箱模型（如神经网络）的构建离不开训练样本的获取。动臂结构复杂，直接进行有限元建模难度大、效率低。利用ANSYS与Pro/Engineer的无缝数据接口[3][4][5]，通过人工频繁交互Pro/Engineer与ANSYS环境分析动臂结构应力构造神经网络训练教师样本的方法在一定程度上降低了获取样本的复杂度，但依然存在人工操作强度大，效率低下等问题。ANSYS与Pro/Engineer的无缝数据接口为发挥ANSYS的有限元分析计算能力和Pro/Engineer的实体建模能力提供了途径，APDL与Pro/TOOLKIT为自动化动臂结构实体建模和有限元建模提供了接口。因此，有必要研究能够有效自动进行动臂结构有限元分析的方法，降低人工操作强度，提高动臂结构有限元分析效率。
1 系统体系结构与工作流程
1.1 自动化分析原理 在研究VC++程序与ANSYS、Pro/Engineer环境之间集成方法的基础上，提出自动化动臂结构有限元分析原理，如图1所示。
自动化动臂结构有限元分析的关键是实现动臂结构有限元分析参数设置、有限元分析模型建立、求解及分析结果提取、保存等一系列动作的自动化运行。因此，引入基于APDL命令流及Batch工作模式，通过VC++环境下的数据组织管理程序根据动臂结构参数以命令行的形式后台运行ANSYS软件，载入APDL命令流进行有限元分析，并通过监控ANSYS运行时所产生的动态数据库判断ANSYS分析结果的自动化分析方法。为解决ANSYS环境下直接进行自动化动臂结构实体建模难度大，效率低下的问题，由数据组织管理程序通过Pro/TOOLKIT编程接口以异步模式自动化生成动臂结构三维实体模型，进而利用APDL命令通过无缝数据接口实现模型从Pro/Engineer环境到ANSYS环境的传递。
1.2 系统体系结构 从便于系统应用和开发的角度分析，自动化动臂结构有限元分析系统应具备易于交互、参数可配置、功能可扩展及系统模块化等性能。因此，设计集成VC++、Pro/Engineer、ANSYS的自动化动臂结构有限元分析系统体系结构如图2所示。
人机界面是系统的最上层，实现用户与系统的交互。数据组织管理协调三维实体建模模块、动态静力分析模块、有限元建模与分析模块实现自动化动臂结构有限元分析流程及各模块分析结果的储存。三维实体建模模块利用Pro/TOOLKIT工具箱，实现参数化动臂结构实体建模。动态静力分析为有限元建模提供边界条件。有限元建模与分析模块通过Batch运行模式与数据组织管理集成，基于APDL命令流实现有限元建模、分析及结果提取、保存。有限元分析过程监控模块通过分析动态数据库中的状态数据监控有限元分析过程。结果存储库用于系统运行过程中产生的结果文件。结果查看器实现对结果存储库的查看。
1.3 系统工作流程 根据自动化动臂结构有限元分析原理，结合上述系统体系结构，针对现有方法中多个模型分析时频繁交互ANSYS与Pro/Engineer环境导致有限元分析效率低下的问题，提出如图3所示的自动化动臂结构有限元分析系统工作流程，采用三维实体建模过程与有限元分析过程分开处理的方法，达到有效提高动臂结构分析速度的目标。
系统获取待分析模型数据后，提取结构参数形成待创建模型参数集，同时以简单异步模式将VC++程序与Pro/Engineer环境连接，载入动臂结构模型样板。进而不断从待创建模型参数集中提取模型参数传递给Pro/Engineer环境。若成功重生成模型则提取动态静力分析所需的模型重心位置、体积参数并保存三维实体模型和参数。否则，在人机界面上给出失败提示。当待创建模型参数集为空后则关闭Pro/Engineer环境，进入有限元分析阶段：根据现有实体模型生成待分析模型参数集；不断从待分析模型参数集提取模型参数进行动态静力分析并形成结构有限元分析APDL命令流文件；以Batch模式运行ANSYS载入APDL命令流文件进行分析；若分析成功则提取、保存分析结果，清除动态数据库，执行下一个模型的分析，否则在人机界面上给出失败提示。
在ANSYS通过接口读取Pro/Engineer实体模型时，需要调用nmsd.exe程序，而ANSYS分析结束后，该程序不会自动关闭，导致ANSYS对下一个模型的导入因无法重新运行该程序而导入失败。因此，ANSYS分析结束后必须终止“nmsd.exe”进程。
2 系统实例开发
针对具有双动臂液压缸的鹅颈式动臂的自动化结构有限元分析问题，根据自动化动臂结构有限元分析系统的体系结构及其工作流程，在VC++、Pro/Engineer及ANSYS集成环境下开发人机交互界面友好的自动化动臂结构有限元分析系统。图4为自动化动臂结构有限元分析模块的菜单，包括实体建模和有限元分析菜单，均能实现单个或多个动臂结构的实体建模和分析。图5为动臂结构有限元分析界面，满足单个分析或多个同时分析，其中动态静力分析中涉及的初始参数由“参数设置”菜单设置。图6为动臂结构参数查看器，用于查看动臂结构有限元分析结果。
3 结论
3.1 构建了自动化动臂结构有限元分析系统的体系结构，提出了该系统的工作流程，实现了动臂结构有限元分析过程的自动化。
3.2 初步开发了自动化动臂结构限元分析软件，解决了大容量动臂结构样本带来的人工操作强度大、计算效率低等问题，并为外部软件提供了CAD/CAE模块接口。
3.3 建立了参照关系简单的动臂结构样板模型，有效保证动臂结构模型的成功再生，解决了现有参数化动臂结构建模经常存在的模型再生失败问题。