遠(yuǎn)程計(jì)算或協(xié)同CAE是計(jì)算機(jī)輔助工程領(lǐng)域近些年的一個(gè)研究熱點(diǎn)，該模式可在某種協(xié)作方式下通過(guò)設(shè)計(jì)協(xié)作、分析協(xié)作和管理協(xié)作等手段進(jìn)行設(shè)計(jì)與仿真；同時(shí)，最近幾年云計(jì)算在CAE領(lǐng)域的研究也很活躍，它把基礎(chǔ)設(shè)施、IT資源、數(shù)據(jù)、應(yīng)用等作為服務(wù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)提供給用戶。

    如果對(duì)以上兩個(gè)研究領(lǐng)域進(jìn)行比較，可以發(fā)現(xiàn)它們都是為用戶提供某種服務(wù)。其中遠(yuǎn)程計(jì)算或協(xié)同CAE更偏重于應(yīng)用，其內(nèi)涵在于研究相關(guān)技術(shù)或系統(tǒng)(CAD、CAE、PDM、ERP等)如何通過(guò)設(shè)計(jì)協(xié)作、分析協(xié)作和管理協(xié)作等手段進(jìn)行相應(yīng)活動(dòng)（如外型設(shè)計(jì)、有限元分析等)并最終完成工程計(jì)算任務(wù)；而云計(jì)算更注重基礎(chǔ)性，其本質(zhì)在于通過(guò)網(wǎng)絡(luò)以按需、易擴(kuò)展的方式提供服務(wù)，且提供的服務(wù)領(lǐng)域更為寬泛，包括將基礎(chǔ)設(shè)施作為服務(wù)(lnfrastructure as a service，IaaS)，將平臺(tái)作為服務(wù)(Platform as a service，PaaS)，或是將軟件作為服務(wù)(Software as a service，SaaS）等。

    顯然，遠(yuǎn)程計(jì)算或協(xié)同CAE不能簡(jiǎn)單貼上云計(jì)算的標(biāo)簽，反之亦然。但如果以前者為理論基礎(chǔ)，建立一個(gè)實(shí)用的“CAE服務(wù)系統(tǒng)”，將基于網(wǎng)絡(luò)的CAE資源統(tǒng)一管理和調(diào)度，構(gòu)成一個(gè)CAE服務(wù)資源池，為用戶提供高附加值和低成本的CAE資源按需服務(wù)，以實(shí)現(xiàn)“仿真即服務(wù)”,可視為云計(jì)算思想在制造業(yè)仿真領(lǐng)域的體現(xiàn)和發(fā)展。

    此類(lèi)系統(tǒng)可為制造業(yè)信息化設(shè)計(jì)、仿真及數(shù)據(jù)服務(wù)提供嶄新的理念和模式，特別是礦山機(jī)械裝備企業(yè)，可以有效解決其技術(shù)需求和軟件需求。首先，礦山機(jī)械裝備企業(yè)多年來(lái)沒(méi)有特別重視基于先進(jìn)技術(shù)的科技研究，但隨著市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的加劇，企業(yè)自身為了提高設(shè)計(jì)效率，推進(jìn)創(chuàng)新設(shè)計(jì)，對(duì)先進(jìn)技術(shù)和研發(fā)工具的需求逐步提高；同時(shí)，由于資金和其他因素的困擾，礦山機(jī)械裝備企業(yè)技術(shù)人才獲得和研發(fā)工具資金投入上存在嚴(yán)重不足。因此，面向礦山機(jī)械裝備企業(yè)特別是中小企業(yè)，建立一個(gè)實(shí)用的“CAE服務(wù)系統(tǒng)”，有效解決其技術(shù)需求和軟件需求，顯得尤為必要。通過(guò)該類(lèi)平臺(tái)系統(tǒng)，可以為礦山機(jī)械裝備企業(yè)提供軟件調(diào)用、軟件租用、軟件共享、技術(shù)支持等設(shè)計(jì)與仿真服務(wù)。

    計(jì)算機(jī)及仿真領(lǐng)域的學(xué)者們針對(duì)該類(lèi)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)、設(shè)計(jì)模式、實(shí)現(xiàn)方法、體系結(jié)構(gòu)、運(yùn)行機(jī)制等進(jìn)行了大量理論研究，本文著重從實(shí)際應(yīng)用角度出發(fā)，以礦山機(jī)械裝備為工程背景。研究如何建立一個(gè)實(shí)用的“礦山機(jī)械裝備云仿真CAE服務(wù)系統(tǒng)”，討論其集成環(huán)境、物理結(jié)構(gòu)、體系結(jié)構(gòu)和功能結(jié)構(gòu)，并通過(guò)實(shí)例研究，討論如何快速、高效地集成現(xiàn)有成熟的CAD/CAE技術(shù)、方法與工具，構(gòu)建一個(gè)有效的礦山機(jī)械裝備云仿真CAE服務(wù)系統(tǒng)，為礦山機(jī)械行業(yè)、企業(yè)和產(chǎn)品提供遠(yuǎn)程CAE資源服務(wù)、計(jì)算服務(wù)、軟件服務(wù)與仿真服務(wù)等。

1 系統(tǒng)環(huán)境

1.1集成環(huán)境

    “系統(tǒng)”集成環(huán)境應(yīng)包括工具集成和數(shù)據(jù)集成（圖1）。

圖1 系統(tǒng)框架

    工具集成主要表現(xiàn)于CAD/CAE軟件的集成。在協(xié)同仿真環(huán)境中，通過(guò)封裝、接口等技術(shù)手段，主流CAD/CAE軟件高度集成，可雙向傳遞設(shè)計(jì)參數(shù)，與產(chǎn)品開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)緊密相關(guān)，可隨時(shí)校驗(yàn)設(shè)計(jì)并發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，以縮短設(shè)計(jì)周期。工具集成可為設(shè)計(jì)工程師提供集成于協(xié)同仿真環(huán)境下的、客戶化的CAD/CAE應(yīng)用程序，為分析人員提供功能強(qiáng)大的分析工具，為管理人員提供瀏覽器界面的CAE模型和結(jié)果檢查程序。

    數(shù)據(jù)集成主要表現(xiàn)于數(shù)據(jù)及信息處理系統(tǒng)與CAD/CAE的數(shù)據(jù)集成。要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)與CAD/CAE的數(shù)據(jù)集成，需要在數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)各子系統(tǒng)之間構(gòu)建集成接口，通過(guò)集成接口實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)間數(shù)據(jù)的交換和通信。集成接口包括CAD/CAE端向數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)端的集成和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)端向CAD/CAE端的集成。

    1.2 物理結(jié)構(gòu)

    從物理結(jié)構(gòu)與地理區(qū)域角度來(lái)討論，低層次CAE是面向多任務(wù)CAE的單機(jī)協(xié)作，中等層次的是局域網(wǎng)內(nèi)CAE仿真，高層次仿真是面向不同地域的單任務(wù)和多任務(wù)快速協(xié)同CAE服務(wù)，其物理結(jié)構(gòu)為基于云計(jì)算的的協(xié)同網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，由不同地域分布的計(jì)算結(jié)點(diǎn)（工作站、服務(wù)器、大型機(jī)、機(jī)群等）構(gòu)成，為異地用戶提供CAE計(jì)算、分析與數(shù)據(jù)服務(wù)；其邏輯結(jié)構(gòu)為多學(xué)科任務(wù)在不同物理地域計(jì)算結(jié)點(diǎn)上并行執(zhí)行，地位平等，同時(shí)不同物理地域的用戶平等的使用其提供的CAE服務(wù)，且計(jì)算結(jié)點(diǎn)與用戶對(duì)于協(xié)同環(huán)境也是平等的，彼此沒(méi)有控制關(guān)系與從屬關(guān)系。同時(shí)，它們通過(guò)協(xié)同環(huán)境相互聯(lián)系并與協(xié)同環(huán)境存在交互關(guān)系，如圖2所示。

圖2 物理結(jié)構(gòu)

2 體系結(jié)構(gòu)

    建立一個(gè)易用的“礦山機(jī)械裝備云仿真CAE服務(wù)系統(tǒng)”，可以以成熟的瀏覽器/服務(wù)器(Browser/server，B/S)模式為基礎(chǔ)，以具體的應(yīng)用模塊實(shí)現(xiàn)協(xié)同環(huán)境下的協(xié)同功能，并完成有效的數(shù)據(jù)與模型的管理。可使用圖3所示體系結(jié)構(gòu)。

圖3 體系結(jié)構(gòu)

    第一層為用戶層，通過(guò)WWW技術(shù)，應(yīng)用HTML、ASP.Net等Web頁(yè)面，VB、VC、VB.Net等程序語(yǔ)言以及CAD/CAE軟件的二次開(kāi)發(fā)語(yǔ)言相結(jié)合，為用戶提供圖形化用戶接口，通過(guò)接口，客戶端用戶完成對(duì)CAD/CAE模型和數(shù)據(jù)的操作、顯示，實(shí)現(xiàn)與功能層和服務(wù)層之間的交互。

    第二層是功能層或應(yīng)用服務(wù)器層，主要是服務(wù)器端的各功能模塊，以實(shí)現(xiàn)對(duì)CAD/CAE模型、設(shè)計(jì)知識(shí)、數(shù)據(jù)的存取與檢索等應(yīng)用邏輯，它是“系統(tǒng)”的核心，包含CAD系統(tǒng)、CAE系統(tǒng)、評(píng)價(jià)系統(tǒng)和管理系統(tǒng)等，以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)、分析、優(yōu)化和數(shù)據(jù)管理等功能。

    第三層是數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)層，提供遠(yuǎn)程CAE分析與服務(wù)過(guò)程中的模型、實(shí)例、資源、知識(shí)等數(shù)據(jù)資源。

3 功能結(jié)構(gòu)

    一個(gè)功能較完整的“礦山機(jī)械裝備云仿真CAE服務(wù)系統(tǒng)”，其核心功能應(yīng)能夠完成協(xié)同或遠(yuǎn)程CAE服務(wù)。從功能結(jié)構(gòu)上，核心功能應(yīng)能夠既包含不同CAD/CAE軟件的工具交互，又包含各不同專業(yè)領(lǐng)域的計(jì)算、分析、數(shù)據(jù)和資源的交互；既包含多學(xué)科領(lǐng)域的單機(jī)協(xié)作，又包含單領(lǐng)域的異地協(xié)作，以及多領(lǐng)域多地域的協(xié)作與交互。即可從工具協(xié)同、任務(wù)協(xié)同與異地系統(tǒng)等三個(gè)層次支持CAE服務(wù)，如圖4所示。

圖4 功能結(jié)構(gòu)

    3.1 工具協(xié)同

    主要表現(xiàn)于CAD-CAD、CAE-CAE以及CAD-CAE之間的數(shù)據(jù)整合、共享與交換。

    (1)CAD軟件(NX、Pro/E、SolidWK等)和模型數(shù)據(jù)的整合。通過(guò)CAD工具軟件的協(xié)同整合不同設(shè)計(jì)人員所建立的CAD零件模型，并實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一環(huán)境的任意模型裝配和CAE仿真，得到CAD模型庫(kù)，并通過(guò)集成技術(shù)實(shí)現(xiàn)與CAD軟件之間的共享。當(dāng)任何CAD和CAE人員對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行改變，都能立即反映到對(duì)方軟件環(huán)境中，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)-仿真的同步協(xié)同（圖4）。

    (2)CAE軟件(ANSYS、Nastran、MSC等)和模型數(shù)據(jù)的整合。CAE工具軟件進(jìn)行集成后，可解讀并轉(zhuǎn)換各種CAE軟件的模型數(shù)據(jù)，并轉(zhuǎn)換成分析人員所擅長(zhǎng)的CAE軟件模型數(shù)據(jù)。如解讀MSC的有限元模型（包括其中所有單元信息和相關(guān)參數(shù)），轉(zhuǎn)換成ANSYS的模型數(shù)據(jù)，或反之。即通過(guò)CAE工具的整合、共享、接口和交換技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)已有分析資源的轉(zhuǎn)換和共享（圖4）。

    (3)CAD/CAE數(shù)據(jù)共享與交換。CAD/CAE工具軟件以接口、封裝或集成的方式共享模型數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)協(xié)同環(huán)境下雙向參數(shù)互動(dòng)。CAD人員修改CAD軟件中的幾何設(shè)計(jì)參數(shù)則立即刷新CAE軟件中的分析模型，CAE人員修改CAE軟件中的分析模型參數(shù)則立即刷新CAD軟件中的幾何模型（圖4）。

    3.2 任務(wù)協(xié)同

    一項(xiàng)礦山機(jī)械裝備設(shè)計(jì)任務(wù)，可能涉及機(jī)械、電子、力學(xué)、材料、控制、液壓、軟件和結(jié)構(gòu)等單領(lǐng)域；或者在某一領(lǐng)域，如礦山機(jī)械裝備CAE，可能涉及強(qiáng)度分析、剛度分析、屈曲分析、振動(dòng)分析、接觸分析、熱分析與耦合分析等。這些不同領(lǐng)域或不同任務(wù)之間可能存在著不可忽略的耦合關(guān)系，要對(duì)這些復(fù)雜產(chǎn)品（或系統(tǒng)）進(jìn)行完整、準(zhǔn)確地仿真分析，很顯然采用傳統(tǒng)的CAE計(jì)算，單靠某一個(gè)領(lǐng)域的單機(jī)單任務(wù)仿真是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。要對(duì)其整體系統(tǒng)性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，必須對(duì)其進(jìn)行多學(xué)科或多任務(wù)的協(xié)同仿真與研究。

    3.3 異地協(xié)同

    異地協(xié)同可基于成熟的B/S模式與技術(shù)，針對(duì)不同地域的計(jì)算結(jié)點(diǎn)，利用跨越平臺(tái)和提供遠(yuǎn)距離服務(wù)的底層結(jié)構(gòu)如WWW進(jìn)行協(xié)作，實(shí)現(xiàn)廣域網(wǎng)內(nèi)不同用戶的計(jì)算協(xié)作與數(shù)據(jù)共享，部分事務(wù)邏輯在前端實(shí)現(xiàn)，主要事務(wù)邏輯在服務(wù)器端實(shí)現(xiàn)。

    異地協(xié)同一方面可支持多種類(lèi)型的協(xié)作，集成眾多協(xié)作功能，可提高系統(tǒng)的通用性；另一方面可增強(qiáng)系統(tǒng)的開(kāi)放性、擴(kuò)充能力和可伸縮性，便于集成現(xiàn)有計(jì)算結(jié)點(diǎn)，數(shù)據(jù)應(yīng)用并可開(kāi)發(fā)新的應(yīng)用，滿足用戶的特殊需求，以有效解決CAE服務(wù)系統(tǒng)的通用性和用戶特殊需求之間的矛盾。

    3.4 功能結(jié)構(gòu)分析

    從結(jié)構(gòu)上講，“礦山機(jī)械裝備云仿真CAE服務(wù)系統(tǒng)”應(yīng)是一種由各種應(yīng)用技術(shù)、底層技術(shù)以及數(shù)據(jù)管理維護(hù)平臺(tái)與標(biāo)準(zhǔn)組成的支持礦山機(jī)械裝備CAD/CAE設(shè)計(jì)知識(shí)、設(shè)計(jì)、建模、仿真的集成技術(shù)：從功能上來(lái)講，“礦山機(jī)械裝備云仿真CAE服務(wù)系統(tǒng)”能夠以一體化多學(xué)科多任務(wù)耦合協(xié)同設(shè)計(jì)與仿真為核心，以并行設(shè)計(jì)思想為指導(dǎo)，將不同領(lǐng)域的開(kāi)發(fā)模型相結(jié)合，從外形、功能與行為上對(duì)真實(shí)礦山機(jī)械產(chǎn)品進(jìn)行模擬。

    將工具協(xié)同、任務(wù)協(xié)同與異地協(xié)同三個(gè)層次的CAE服務(wù)應(yīng)用于礦山機(jī)械裝備設(shè)計(jì)領(lǐng)域，可充分體現(xiàn)CAE服務(wù)的手段、結(jié)構(gòu)、功能與目標(biāo)。其中各種應(yīng)用技術(shù)與底層支撐包括ANSYS、NX、Pro/E等CAE/CAD工具軟件、ASP.Net、VB.Net、APDL等開(kāi)發(fā)平臺(tái)、開(kāi)發(fā)語(yǔ)言以及其他相關(guān)應(yīng)用程序或標(biāo)準(zhǔn)（如STEP、IGES等）；實(shí)現(xiàn)手段與應(yīng)用目標(biāo)為通過(guò)異地協(xié)同與工具協(xié)同，以知識(shí)資源、數(shù)據(jù)服務(wù)、選型服務(wù)、強(qiáng)度與剛度分析、參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)、接觸分析、模態(tài)分析、譜分析和屈曲分析等CAE服務(wù)為基礎(chǔ)，進(jìn)行多任務(wù)耦合協(xié)同環(huán)境CAE仿真，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)目標(biāo)，如圖3所示。

    工具協(xié)同、任務(wù)協(xié)同與異地協(xié)同并非各自孤立支持CAE服務(wù)，它們之間互相聯(lián)系、互相滲透并具備相對(duì)層次關(guān)系。其中，任務(wù)協(xié)同是“礦山機(jī)械裝備云仿真CAE服務(wù)系統(tǒng)”的核心、關(guān)鍵與目標(biāo)。處于最高層次；工具協(xié)同支持建立的幾何模型與有限元模型對(duì)具體CAD/CAE對(duì)象提供模型與工具支持；以硬件設(shè)備和應(yīng)用技術(shù)封裝建立的異地協(xié)同環(huán)境，對(duì)工具協(xié)同與任務(wù)協(xié)同提供底層支撐與信息交互平臺(tái)，處于最底層，如圖1、4所示。

4 應(yīng)用實(shí)例

    基于上文“礦山機(jī)械裝備云仿真CAE服務(wù)系統(tǒng)”的集成環(huán)境、物理結(jié)構(gòu)、體系結(jié)構(gòu)與功能結(jié)構(gòu)分析，建立了“礦山機(jī)械CAE技術(shù)公共服務(wù)平臺(tái)。在技術(shù)上，“平臺(tái)”基于軟件資源虛擬化技術(shù)，封裝各類(lèi)仿真模型、計(jì)算資源與數(shù)據(jù)資源，通過(guò)高性能計(jì)算結(jié)點(diǎn)提供快速設(shè)計(jì)、仿真與數(shù)據(jù)服務(wù)。用戶在系統(tǒng)上注冊(cè)后，可自動(dòng)提出問(wèn)題，系統(tǒng)自動(dòng)構(gòu)成用戶所需要的仿真模型，并實(shí)現(xiàn)異構(gòu)的應(yīng)用軟件之間的協(xié)同運(yùn)行，滿足用戶的各類(lèi)設(shè)計(jì)、仿真與數(shù)據(jù)等需求。

    在功能上，“平臺(tái)”主要面向礦山機(jī)械裝備企業(yè)采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)、掘進(jìn)機(jī)、提升機(jī)、電除塵器等礦山機(jī)械裝備，提供基于網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程CAE服務(wù)，包括以下幾點(diǎn)。

    (1)礦山機(jī)械CAE技術(shù)公共服務(wù)平臺(tái)網(wǎng)上合作技術(shù)知識(shí)資源。該部分主要面向礦山機(jī)械裝備提供設(shè)計(jì)資源服務(wù)，包括：計(jì)算資源、數(shù)據(jù)資源與服務(wù)資源等。

    (2)基于Web的礦山機(jī)械裝備關(guān)鍵零部件CAE分析系統(tǒng)。該部分主要面向礦山機(jī)械裝備提供CAE分析服務(wù)，包括：采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)、掘進(jìn)機(jī)、礦井提升機(jī)、電除塵器等，可提供的遠(yuǎn)程CAE分析服務(wù)包括：靜態(tài)分析、無(wú)預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析、有預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析、諧響應(yīng)分析、瞬態(tài)分析等。

    (3)基于Web的礦山機(jī)械裝備關(guān)鍵零部件遠(yuǎn)程參數(shù)化建模系統(tǒng)。該部分主要面向礦山機(jī)械裝備提供遠(yuǎn)程參數(shù)化設(shè)計(jì)與變型設(shè)計(jì)服務(wù)，包括：采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)、掘進(jìn)機(jī)、礦井提升機(jī)等。

    (4)基于網(wǎng)絡(luò)的礦山機(jī)械選型設(shè)計(jì)服務(wù)系統(tǒng)。該部分主要面向礦山機(jī)械裝備提供遠(yuǎn)程選型設(shè)計(jì)服務(wù)，包括：采煤機(jī)、礦井提升設(shè)備、排水設(shè)備、通風(fēng)設(shè)備、刮板輸送機(jī)、壓氣設(shè)備、電機(jī)車(chē)、供電系統(tǒng)與膠帶輸送機(jī)等。

    (5)基于網(wǎng)絡(luò)的礦山機(jī)械設(shè)備運(yùn)行服務(wù)系統(tǒng)。該部分主要面向礦山機(jī)械裝備提供遠(yuǎn)程運(yùn)行服務(wù)，包括：設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)、技術(shù)測(cè)定與分析服務(wù)、故障診斷服務(wù)和管理系統(tǒng)服務(wù)等。

    目前該系統(tǒng)還在不斷完善和擴(kuò)充中，本例以第(2)部分“基于Web的礦山機(jī)械裝備關(guān)鍵零部件CAE分析系統(tǒng)”-“基于Web的采煤機(jī)關(guān)鍵零部件CAE分析系統(tǒng)”-“采煤機(jī)內(nèi)牽引部關(guān)鍵零部件”無(wú)預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析為例，對(duì)“礦山機(jī)械裝備云仿真CAE服務(wù)系統(tǒng)”用于礦山機(jī)械裝備的遠(yuǎn)程CAE計(jì)算服務(wù)進(jìn)行簡(jiǎn)要說(shuō)明。

    4.1 設(shè)計(jì)原理

    對(duì)于遠(yuǎn)程快速CAE仿真，一般來(lái)講有三種典型形式：①遠(yuǎn)程軟件包共享；②遠(yuǎn)程操作開(kāi)發(fā)獨(dú)立的跨平臺(tái)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作；③通過(guò)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來(lái)擴(kuò)展傳統(tǒng)的可交互的軟件，對(duì)軟件進(jìn)行異地調(diào)用。

    本例采用第3種方法，應(yīng)用B/S結(jié)構(gòu)模式，通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)、ASP.Net技術(shù)、VB.Net技術(shù)等實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程CAE計(jì)算應(yīng)用服務(wù)。底層CAE軟件采用通用大型有限元分析軟件ANSYS，系統(tǒng)將用戶在ANSYS環(huán)境下所進(jìn)行的操作封裝為宏，供用戶進(jìn)行遠(yuǎn)程調(diào)用，以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程CAE應(yīng)用。

    首先，CAE分析服務(wù)中心接收到用戶提交的產(chǎn)品分析任務(wù)包，注冊(cè)此任務(wù)后，以友好的圖形界面引導(dǎo)用戶輸入或選擇分析所用到的參數(shù)，用戶不需要了解命令文件的產(chǎn)生過(guò)程。從模型的建立，到網(wǎng)格的劃分，以及約束和載荷的施加，系統(tǒng)自動(dòng)生成可以執(zhí)行的命令文件。系統(tǒng)采用完全的功能封裝方式，將用戶在ANSYS環(huán)境下所要用到的所有功能進(jìn)行封裝，在客戶端用戶按照設(shè)計(jì)步驟填入?yún)��?shù)，系統(tǒng)自動(dòng)編制成分析命令批處理腳本文件，將生成的命令文件提交給分析求解器，求解器自動(dòng)執(zhí)行命令文件，完成有限元分析。后處理過(guò)程也采用批處理命令流方式，一次性提取用戶關(guān)心的所有分析結(jié)果，如表格、數(shù)據(jù)、圖形、動(dòng)畫(huà)等，最后由CAE分析服務(wù)中心返回給用戶。

    設(shè)計(jì)原理如圖5所示，主頁(yè)面如圖6所示。

圖5 設(shè)計(jì)原理

圖6 主頁(yè)面

    4.2 底層工具

    (1)ASP.Net。ASP.Net是微軟在ASP之后推出的全新一代動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁(yè)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)，是.Net開(kāi)發(fā)平臺(tái)的重要組成部分，基于微軟.Net平臺(tái)架構(gòu)，在服務(wù)器后端為用戶提供建立強(qiáng)大的企業(yè)級(jí)Web應(yīng)用服務(wù)的編程框架。

    ASP.Net與現(xiàn)存的ASP保持語(yǔ)法兼容，但是并不是ASP的簡(jiǎn)單升級(jí)。其與ASP的主要區(qū)別表現(xiàn)于以下幾個(gè)方面：①開(kāi)發(fā)語(yǔ)言不同：ASP僅局限于使用腳本語(yǔ)言來(lái)開(kāi)發(fā)；ASP.Net允許用戶選擇并使用功能完善的編程語(yǔ)言，也允許使用潛力巨大的.Net Framework；②運(yùn)行機(jī)制不同：ASP是解釋運(yùn)行的編程框架：ASP.Net是編譯執(zhí)行，效率更高：③開(kāi)發(fā)方式不同：ASP把界面設(shè)計(jì)和程序設(shè)計(jì)混在一起；ASP.Net把界面設(shè)計(jì)和程序設(shè)計(jì)以不同的文件分離開(kāi)，復(fù)用性和維護(hù)性得到了提高。

    (2)VB.Net。Visual Basic.Net(VB.Net)是基于微軟.Net Framework之上的面向?qū)ο蟮闹虚g解釋性語(yǔ)言，可以看做是Visual Basic6.0在.Net Framework平臺(tái)上的升級(jí)版本，增強(qiáng)了對(duì)面向?qū)ο蟮闹С郑��?Net框架的支柱，同時(shí)更是語(yǔ)言演變過(guò)程中的又一個(gè)進(jìn)步。

    與VB相比，VB.Net不但具備了任何面向?qū)ο缶幊陶Z(yǔ)言所具有的抽象性、封裝性、多態(tài)性，而且在繼承性上完全支持繼承VB版本。引入完全繼承后，VB.Net是真正的面向?qū)ο笳Z(yǔ)言，在保證功能強(qiáng)大的前提下可大大提高開(kāi)發(fā)速度。

    (3)APDL。ANSYS參數(shù)化設(shè)計(jì)語(yǔ)言(ANSYS parametric design language，APDL)是一個(gè)功能強(qiáng)大的專用描述性、解釋性語(yǔ)言，類(lèi)似于FORTRAN，它可以實(shí)現(xiàn)模型的參數(shù)化，可以獲取ANSYS數(shù)據(jù)庫(kù)信息，可以進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算（包括矢量及矩陣運(yùn)算），可以定義經(jīng)常使用的命令或宏的縮寫(xiě)（快捷鍵），可以用if-then-else分支結(jié)構(gòu)和do循環(huán)及用戶指令生成執(zhí)行一系列任務(wù)的宏。簡(jiǎn)言之，APDL可以實(shí)現(xiàn)有限元分析的參數(shù)化建模、加載、求解和后處理，可以定制人機(jī)數(shù)據(jù)和信息交互界面，可以用其開(kāi)發(fā)特殊分析功能的有限元專用分析系統(tǒng)，是實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程CAE分析服務(wù)的有效手段。

    4.3 功能模塊

    (1)前處理。人機(jī)交互模塊采用Microsoft公司推出的Web應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)技術(shù)——ASP.Net技術(shù)，實(shí)現(xiàn)客戶端與服務(wù)器的信息交互。它的主要功能是實(shí)現(xiàn)幾何模型（參數(shù)）調(diào)入，輸入模型實(shí)際工作時(shí)的各種載荷數(shù)值、約束條件（加載位置與約束位置在APDL中已預(yù)先定義）與有限元模型網(wǎng)格大小等。服務(wù)器端即可獲得用戶輸入的幾何信息和有限元模型信息。

    (2)求解。由人機(jī)交互前處理頁(yè)面輸入的參數(shù)存放到一個(gè)文本文件中。利用VB.Net文本處理函數(shù)以文本追加的方式將界面輸入的參數(shù)讀入到進(jìn)行分析所必需的APDL文本文件中，實(shí)現(xiàn)為APDL參數(shù)宏文件中的宏參變量賦值。從而組合成供VB.Net調(diào)用的ANSYS命令流文件。具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下。

    1)在人機(jī)交互前處理頁(yè)面輸入分析所需參數(shù)，并保存到文本文件中。

    2)將該文本文件追加寫(xiě)入到APDL文件中，為文件中的宏參變量賦值，作為ANSYS自動(dòng)讀入的分析文件。

    3)通過(guò)VB.Net中Process組件的Start方法，以后臺(tái)運(yùn)行的方式實(shí)現(xiàn)VB．Net對(duì)ANSYS的調(diào)用，自動(dòng)讀入分析文件，進(jìn)行求解。

    (3)后處理。求解完成后，用戶可根據(jù)需要索取節(jié)點(diǎn)自由度結(jié)果及位移云圖等，通過(guò)客戶端瀏覽和下載，如圖7所示。用戶可對(duì)結(jié)果進(jìn)行判斷，確定結(jié)構(gòu)是否滿足設(shè)計(jì)與分析要求。若不符，則可通過(guò)參數(shù)頁(yè)面修改參數(shù)值重新生成分析模型并進(jìn)行設(shè)計(jì)和計(jì)算。

圖7 返回結(jié)果供用戶瀏覽或下載

5 結(jié)論

    (1)為解決礦山機(jī)械裝備企業(yè)技術(shù)力量弱、資金不足但需求旺盛的矛盾，建立“礦山機(jī)械裝備云仿真CAE服務(wù)系統(tǒng)”，為其提供軟件調(diào)用、租用、共享和技術(shù)支持的重要驅(qū)動(dòng)。

    (2)“礦山機(jī)械裝備云仿真CAE服務(wù)系統(tǒng)”功能結(jié)構(gòu)可從工具協(xié)同、任務(wù)協(xié)同與異地協(xié)同等三個(gè)層次支持礦山機(jī)械裝備CAE設(shè)計(jì)、計(jì)算與數(shù)據(jù)服務(wù)。

    (3)“礦山機(jī)械裝備云仿真CAE服務(wù)系統(tǒng)”基于軟件資源虛擬化技術(shù)，封裝各類(lèi)數(shù)據(jù)資源、工具軟件與仿真模型，通過(guò)高性能計(jì)算結(jié)點(diǎn)提供快速設(shè)計(jì)與仿真服務(wù)。用戶在系統(tǒng)上注冊(cè)后，可自動(dòng)提出問(wèn)題，系統(tǒng)自動(dòng)構(gòu)成用戶所需要的仿真模型，并實(shí)現(xiàn)異構(gòu)的應(yīng)用軟件之間的協(xié)同運(yùn)行，解決用戶的各類(lèi)設(shè)計(jì)與仿真需求，為礦山機(jī)械裝備制造企業(yè)提供遠(yuǎn)程CAE資源服務(wù)、計(jì)算服務(wù)、軟件服務(wù)和仿真服務(wù)等。

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本文標(biāo)題：礦山機(jī)械裝備云仿真CAE服務(wù)系統(tǒng)研究與應(yīng)用

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