基于Simdroid的V带轮无代码静力学仿真模型开发.pdf

2023 年第 3 期No.3,2023广东技术师范大学学报Journal of Guangdong Polytechnic Normal University基于Simdroid的V带轮无代码静力学仿真模型开发王永超1，李小颜2，何浩明2（1.广东技术师范大学 广东省现代职业教育虚拟现实创新应用工程技术研究中心，广东 广州 510665；2.广东技术师范大学 机电学院，广东 广州 510665）摘 要：低代码或无代码仿真建模是智能制造领域一个非常有潜力的发展方向.从无代码或低代码仿真建模技术的基本概念和应用情况出发，依托国产信创 Simdroid 仿真软件无代码开发仿真 APP 平台，并以 V 带轮为例介绍了机械零件静力学仿真 APP 开发的整体思路和基本流程.这种便捷开发与在线应用相结合的仿真 APP，给传统建模仿真试验提供了一种全新的形式.关键词：无代码建模；V 带轮；静力分析；仿真模型；仿真 APP中图分类号：TH136 文献标识码：A 文章编号：2096-7764（2023）03-0029-070 引言建模与仿真（Modeling&Simulation）分析在智能制造中扮演着越来越重要的角色，它可以优 化 产 品 设 计、降 低 成 本 和 风 险、缩 短 研 发 周期，是工业领域必不可少的创新技术手段.建模与 仿 真 软 件 是 计 算 机 辅 助 工 程 的 主 要 构 成 部分，它基于数据信息建立相匹配的数字模型，转为代码在计算机以数字化的形态存在，对系统模型进行分析、研究评估等工作，重现系统的状态、动态行为和性能特征.在此过程中，基于异构计算平台的并行仿真技术简化仿真程序开发的方法，是一个非常有潜力的发展方向，无代码或 低 代 码 仿 真 建 模 是 智 能 制 造 领 域 中 的 一 个方向1.1 无代码建模仿真无代码或低代码建模是指在可视化的应用开发环境中，通过内置组件或模块化功能，用已定义和配置代替原生代码的编写，一种快速生成软件的设计方式2.它基于图形用户界面和预制组件，将编码和设计分开，使得模型的创建过程变得更加简单和流畅，减少了模型制作的时间和复杂性，用户可以直观地理解仿真结果.这种方法适用于多种应用场景，利用紧密集成的建模平台，为开发特定目的的建模使用者提供巨大的附加价值参考3.无代码或低代码建模可以 让 设 计 人 员 更 加 专 注 于 产 品 开 发 或 零 件 设计，无需掌握编程知识或投入精力进行开发，从而提高产品设计质量.无代码或低代码建模技术推动了制造业数字化、智能化方向转型升级.在系统集成方面，王鹏针对传统制造业复杂生产状态研究了一种多源异构数据融合的低代码 MES 可视化系统，通过定义封装可视化组件库，以拖拽组件、场景和视图进行构造，实现系统数据实例化等功能，有 效 降 低 系 统 操 作 门 槛，具 有 较 强 的 实 用 价值4.在应用开发方面，王宇等人将深度学习技术应用于现代离散制造系统，在此基础上提出一种无代码开发平台方面的构建，降低了从业人员在深度学习功能开发方面的成本，为制造业智能化转型提供了的有力支撑5.在数据分析方面，黄思翰等人认为数据是未来制造业的核心要素，在培养新一代操作工人中大数据分析技术提供低代码分析、自助分析等工具，赋予了智能制造的关键6.无代码或低代码技术在智能制 造 领 域 的 快 速 发 展 凸 显 了 其 巨 大 的 应 用 价值，实现信息化、工业化更深度的融合.收稿日期：2023-02-27作者简介：王永超，博士，广东技术师范大学教授，硕士生导师.王永超，等：基于Simdroid的V带轮无代码静力学仿真模型开发第 3 期随着无代码或低代码建模技术的逐渐成熟，未来它们将在各行业中得到广泛应用.这种快速构建和部署复杂的程序，使用者不必编写和调试大量的代码，降低了开发成本，也将进一步降低开发人员的门槛，让更多专业的人参与开发，从而提高企业的竞争力.2 Simdroid 仿真平台本文基于 Simdroid 仿真软件无代码开发功能，以 3 槽 SPB 直孔窄 V 带轮的通用静力分析为对象开发出仿真应用 APP.首先确定 V 带轮数据参数、建立实体模型、绑定材料属性，然后对V 带轮进行常态的静力分析，获取相应的应力云图，在此基础上对仿真模型进行无代码开发，形成仿真 APP.2.1 平台介绍工业软件是驱动制造业创新发展的重要动力，赋予智能制造丰富的内涵和应用前景7.在国内信创产业的推动下，自主可控的工业软件为 实 体 经 济 赋 能，基 础 能 力 逐 渐 夯 实，功 能 完善，有力推动了制造业数字化转型新突破，近年来中国工业软件市场保持高速增长的状态，市场需求增加直接提高国产工业软件的整体增长速度，不少国产的工业软件也迎来了发展的“黄金期”8.Simdroid 仿真软件作为国产 CAE 软件之一，是首款将安卓平台引入仿真领域，以“仿真平台+仿真 APP”的仿真云模式，将固定化的设计流程转为平台上的仿真 APP，具有统一、高效、开放的显著特点，达到大众化要求的仿真技术9.同 时 该 平 台 支 持 多 物 理 场 的 开 放 生 态 系统，采用“PaaS 平台+APP 应用”模式，以图形交互式开发环境进行全参数化的仿真，在航空航天、机械、电力、电子等领域中解决产品设计的快速评估、优化等问题.2.2 功能介绍Simdroid 平 台 是 基 于 工 业 互 联 网 的 仿 真 软件，包括仿真内核平台、仿真 APP 开发平台和仿真 APP 管理平台三层架构.如图 1 所示.在通用的仿真分析功能上，构建了仿真 APP 可视化开发的体系结构.仿真内核平台位于 PaaS 底层，是仿真功能的核心，针对几何建模、网格剖分、求解器和前后处理四个部分的求解，完成各种物理场和各种工程问题的仿真分析.仿真 APP开发环境位于 PaaS 中间层，可视化的开发环境提供建模定制接口、前处理定制接口和后处理定制接口，以“拖拽式开发”方式定制仿真 APP的各种功能，实现参数化调用.仿真 APP 管理平台 属 于 物 理 应 用 层，由 用 户 管 理、本 地 APP 管理、APP STORE 云端管理和仿真社区等组成，开发人员可将自身的工业知识和经验转化为 APP技术成果，通过仿真社区平台，分享交流仿真知识、仿真经验，提出仿真 APP 定制需求和开发建议等.2.3 基于 Simdroid 平台仿真开发流程Simdroid 仿真软件支持结构、电磁、流体和热等物理场的分析，以及多个物理场耦合仿真.以结构分析模块为例，从仿真到 APP 开发流程主要包括确定参数、建立几何模型、定义材料属性、网 格 剖 分 和 分 析 建 立 等，具 体 步 骤 如 图 2所示.主要包括 6 个阶段：在确定参数范围阶段，除了几何尺寸和网格尺寸等基本参数外，还要确定参数名称、范围以及描述等；在建立几何模型阶段，Simdroid 提供了三维建模功能，也可以导入其他平台建立的模型；定义材料属性中包括了金属材料、橡胶聚合物、玻璃树脂材料、岩土地质材料等，这些材料分为线弹性材料以及非线性材料；网格剖分阶段确定边界、单元形状和大小以及精度等参数；结构分析阶段提供了多种单元类型、连接装配方式、载荷约束施加方式以及静、动力学求解器等；APP 开发器是为封装 APP 创建便捷的图形化编程，设立可视化的交 互 界 面，包 括 界 面 的 基 础 控 件、视 图 窗 口 设图 1软件架构30第 3 期王永超，等：基于Simdroid的V带轮无代码静力学仿真模型开发置、功能预览与测试等内容的编辑.3 V 带轮静力分析仿真3.1 需求分析带轮作为一种重要的传动零件，依靠 V 带两侧 面 与 轮 槽 侧 面 压 紧 产 生 摩 擦 力 进 行 动 力 传递，因其传动平稳、缓冲吸振、传递功率大、结构简单、制作成本低等特点被广泛应用于各类机械设备中10.在传统的带轮设计加工过程中，检验带轮性能以实物试验的方式进行，不同的结构、材料性质在试验中产生的效果会有所差异.由于设计与试验分开进行，以反复生产试制来确认设计中难以发现的缺陷与不足，所以这种模式成本高效率低.Simdroid 为此提供了一种可行工具，它通过对 V 带轮进行几何建模、材料指定、力学分析等步骤建立仿真分析，并开发出可复用的 APP.这可以高效便捷地呈现不同尺寸、材料的试验结果，以减少重复的实体测试，帮助用户有效降低试错成本，从设计环节中清晰显现整体结构的仿真效果，为后续开发与设计提供参考.3.2 确定仿真参数V 带轮承受多种载荷和弯矩的传递，端面必须有足够的承受力，初拉力是保证 V 带与轮槽产生摩擦正常工作的临界点，在带传动额定功率时不打滑的前提下，保证带轮使用寿命为原则，计算 V 带轮的受力情况，单根 V 带初拉力的最小值为：F0=500Pczv(2.5Kv-1)+qv2轴力的最小值为：Fp=2 zF0sin(2)式中，Pc为功率，单位（kW），Kv为包角系数，z为V 带根数，q为 V 带单位长度质量，单位（kg/m），v为带速，单位（m/s）.窄 V 带轮适合于大功率、传动装置要求紧凑的动力传动机构，广泛应用于各种动力传递，如石油、冶金、化工、起重等工业设备.以某输送传动装置为例，采用 3 槽 SPB直孔 V 带轮，获得基本结构参数，设定工作环境在电动机额定功率 3.6kW 下每日平稳运行 16 小时，电机转速为 960r/min，带传动比为 2，选定 V带带型为 A 型，查得相关系数且进行计算，求得传送带根数为 3 根，根据以上公式求得该带轮传动中小带轮所受的单根 V 带初拉力F0为 169 N，压轴力Fp为 999.8N.综合以上因素，V 带轮的主要的结构参数具体如表 1 所示.操作中选择“参数定义”选项卡下的“参数”，以 TXT 文本方式将表 1 数据直接导入，参数定义步骤处理完成.3.3 建立三维模型Simdroid 结构分析模块与多数 CAD 软件外接，例如 Solidworks、AutoCAD、Pro/Engineer 等，导入和导出 STEP 类型的文件，但暂未支持外部模型尺寸的修改，本次模型以软件自带的建模命令建立，将基本尺寸设立为从动尺寸绑定，转化成后续 APP 可调整、更改的参数范围.图 3 为带轮的剖面尺寸图，该模型由基本的圆柱组成，切除中间分布的圆柱孔的结构得到.带轮外轮廓实体的绘制，利用矩形、线命令按尺寸绘制的图 2Simdroid 结构分析流程图表 1V 带轮定义的参数参数OPBDdLF值13713063861560999.8描述外圆直径基准直径带轮宽度凹圆直径中心孔直径凹圆宽度施加力单位mmmmmmmmmmmmN31王永超，等：基于Simdroid的V带轮无代码静力学仿真模型开发第 3 期二维草图，调整各线条的位置关系，待草图完全定义后，在尺寸修改对话框中输入“Parameters”，可选择参数定义表对应的基本尺寸.尺寸颜色变为橙色表示参数绑定成功，以此类推继续完成后续的参数绑定.接着以 x 轴为旋转轴经旋转获得外轮廓实体，剩余部分基于旋转后的实体底面为基准依次草绘，绘制中心孔圆进行局部拉伸建模，运用布尔运算，以旋转的实体作为源实体，工具实体为中心孔拉伸部分，差集命令后两实体重叠部分被切除，凹圆的创建如同以上 操 作 步 骤，最 终 建 立 V 带 轮 三 维 模 型 如 图 4所示.3.4 定义材料属性材料定义是搭建分析流程的重要环节.V 带轮 的 常 用 材 料 有 灰 铸 铁、钢、铝 合 金 或 工 程 塑料，常用的灰铸铁材料牌号为 HT150 或 HT200，可通过材料库、创建新的材料等功能定义常用材料的相关属性参数.选择“材料属性”中“创建材料”之后，点选模型实体，依据灰铸铁 HT150的 力 学 性 能 和 物 理 性 能 填 写 材 料 参 数，设 定同时绑定完成结果如图 5 所示.定义材料有创建材料、从库添加、导入材料等多种方式，定义材料后模型显示的颜色改变，表示模型材料设置成功.3.5 网格剖分网格剖分是精准计算的重要步骤，将实体划分为近似的小网格，把模型离散化、求解域分解成可得到精确解的适当数量单元11.Simdroid 系统中以剖分选择面为基准，划分为整体剖分、单体剖分、映射剖分和扫掠剖分，以剖分的界限控制包含体控制、面控制、边控制等.由于 V 带轮结构不存在复杂的曲面，选择整体剖分并选择自动优化边缘内部网格密度.为了保证求解精度，网格剖分控制在最大尺寸为 3mm、最小尺寸为1mm，点 选 优 化、近 边 加 密 设 置 以 提 高 网 格 质量.最后划分的整体效果如图 6 所示，节点数为1555649，边数为 5442，面数为 24254.3.6 结构分析与结果展示结构分析是仿真流程的核心步骤，是实现对相关分析的选择与设置、模拟现实环境的重要过程.在模型创建约束后，选择相应的分析类型，Simdroid 的 分 析 包 含 着 通 用 类 和 线 性 摄 动图 3V 带轮剖面尺寸图图 4V 带轮三维模型图 5V 带轮的材料参数图 6网格剖分32第 3 期王永超，等：基于Simdroid的V带轮无代码静力学仿真模型开发类.通用类一般为通用静力分析、准静力分析、非线性屈曲分析以及隐式动力分析，线性摄动类有线性静力分析、频率分析、反应谱分析、随机响应分析等七大类分析.以通用静力分析常见的应力应用举例，如压力、重力、离心荷载、静水压力，点选应力选项并设置相关的参数，然后对此进行绑定，后续可动态调整参数.首先，建立初始条件，对带轮中心孔内壁进行了耦合连接与带轮轴相接，选择“常规约束”，把各轴方向的自由度勾选；其次，创建通用类中的通用静力分析，选择力分析，确立受力面，如图 7 所示，绿色面为选中的受力面，模拟轮槽与 V 带的接触面，箭头方向为轴向力的方向，参数定义中的 F值，并对此进行绑定.设置完成后可进行一键计算，分析计算总耗时为 10s，结果展示中选择等值线、云图、切片等方式显示仿真效果.V 带轮计算相应的位移云图（如图 8 所示）、应力云图（如图 9 所示），颜色由蓝到红，表明所受压力从小到大.从分析结果可以看出，V 带轮最大变形量为 0.12mm，分布在轮槽两侧.应力值最大为 4.28MPa，位于中心孔位置，远小于材料的抗拉强度 150MPa，所以该 V带轮的材料强度、结构性能满足要求.4 V 带轮静力分析 APP 封装与测试4.1 APP 封装过程APP 封装是系统内置无代码开发功能，创建定制化的交互式界面，将仿真过程与结果进行封装，完成一款可复用的仿真 APP.内含各属性控件，基础控件设立计算等按钮，对模块功能进行排布；布局控件可以合理使用标签、分割线、按钮的功能，以便美观整洁；集成控件调整各模块样式窗口调整功能；测试 APP 功能预览封装界面功能预检测，设置完毕后 APP 导出.在 V 带轮 APP 设计中，首先进入“APP 开发器”，依次新建几何尺寸、网格、位移云图、应力云图表单，使用表单集合命令将新建立的表单合并在同一窗口，利用按钮控件生成结果，布局控件中分割线将参数划分为几何尺寸设置、材料设置、网格尺寸设置、施加力设置四个分类区域，发挥标签导入图片功能，将 V 带轮剖面尺寸图、三维建模图导入界面对参数的释义补充说明，最后调整各部 分 的 摆 放 位 置、优 化 整 体 界 面.设 置 完 成 的APP 界面如图 10 所示.4.2 APP 测试与发布工业 APP 的质量测评是提升开发质量、完善与维护技术的有效途径，主要有自评测、用户测评和专业测评，三者的差异主要是不同的测评主体，针对实现的功能与预定开发目标进行自我检查评12.本次测评采取的方法是自评测和图 8位移云图图 7受力面与受力方向图 9应力云图33王永超，等：基于Simdroid的V带轮无代码静力学仿真模型开发第 3 期用户测评.自测评是从软件开始界面选择“本地APP”，打开 V 带轮仿真 APP，调整界面上参数如图 11（a）图所示，几何尺寸、网格剖分、计算结果均能正常运行，（b）图为计算的云图，均能达到预期效果.用户测评则是基于软件的第三方管理平台，打开 Simapp 登录用户后，进入 APP 管理上传所开发的带轮仿真 APP，填写相关信息提交等待审核，在“上传管理”中可查看与管理仿真 APP，审核通过后可分享给其他用户或等待他人购买，使用方法直接“双击”APP，在弹出的人机交互界面进行计算，同时支持分享至手机端进行云计算.结果显示，开发的 V 带轮仿真APP 满足通用需求，运行快速响应，实现无代码自主仿真技术的“大众化”.5 结语本文阐述了 Simdroid 整体体系架构和建模仿真过程，并以 V 带轮为例，详细介绍了机械零件结构建模与仿真的过程，将设计与试验的过程以 APP 的形式封装，开发出了可独立复用的 （a）（b）图 11APP 测试图 10APP 界面34第 3 期王永超，等：基于Simdroid的V带轮无代码静力学仿真模型开发带轮通用分析仿真 APP.该仿真模型不但能够有效减少设计过程的实体验证成本，提高设计效 率，在 设 计 过 程 中 不 断 优 化，而 且 通 过 仿 真APP，降低仿真应用技术门槛，减少重复仿真开发，积累和共享仿真成果，有助于进一步提高知识经验的传承与技术的分享，更好服务于制造业数字化智能化升级改造.参考文献：1 张霖，王昆玉，赖李媛君等.基于建模仿真的体系工程J.系统仿真学报，2022，34（2）：179-190.2 王备，张建通.轻量级业务定制服务在中台架构中的研发与应用J.中国管理信息化，2022，25（17）：116-119.3 Manuela Dalibor，Malte Heithoff，Judith Michael，et al.Generating Customized Low-code Development Platforms for Digital TwinsJ.Journal of Computer Languages，2022，70：101-117.4 王鹏.基于多源异构数据融合的低代码 MES 可视化系统设计与实现D.武汉：华中科技大学，2021.5 王宇，王挺，宋纯贺等.面向离散制造业的深度学习无代码开发平台J.计算机集成制造系统，2022，28（7）：2091-2101.6 黄思翰，王柏村，张美迪等.面向人本智造的新一代操作工：参考架构、使能技术与典型场景J.机械工程学报，2022，58（18）：251-264.7 王昭洋，池程，许继平等.工业软件一体化与标识解析 路 径 研 究 J.中 国 工 程 科 学，2022，24（2）：96-105.8 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ITAI(information technology application innovation industry)Simdroid simulation software,this paper takes the V-belt pulley as an example and introduces the overall idea and basic process of the development of statics simulation APP for mechanical parts.This simulation APP,which combines convenient development and online application,provides a new form for traditional modeling and simulation experiments.Key words：codeless modeling;V-belt pulley;static analysis;simulation model;simulation APP35