湯俊 閆仕軍 盧冠宇

（泛亞汽車技術(shù)中心有限公司，上海200129）

主題詞：NX二次開(kāi)發(fā) CAD/CAE系統(tǒng) 鋁車輪 模態(tài)分析

1 前言

鋁車輪以重量輕、精度高、耐腐蝕性好、散熱快、時(shí)尚美觀的優(yōu)點(diǎn)占據(jù)80%以上的轎車以及載重量較低的商用車市場(chǎng)[1]。CAD設(shè)計(jì)和CAE分析是研究鋁車輪結(jié)構(gòu)靜態(tài)剛度、疲勞壽命性能參數(shù)的重要手段[2]。鋁車輪類型種類繁多，且隨著車型、成本、性能變化有著不同的要求，需要進(jìn)行多次重新設(shè)計(jì)與分析才能獲得符合設(shè)計(jì)目標(biāo)的結(jié)構(gòu)[3]。雖然使用正交試驗(yàn)等算法能減少人工計(jì)算次數(shù)，但結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與性能分析的重復(fù)性導(dǎo)致鋁車輪開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)工作周期長(zhǎng)、效率低[4]。

基于此，本文提出了鋁車輪的全參數(shù)化建模與分析集成系統(tǒng)的解決方案，實(shí)現(xiàn)了高效率的鋁車輪的參數(shù)化CAD設(shè)計(jì)與CAE仿真。

2 參數(shù)化CAD/CAE系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法

2.1 CAD/CAE集成系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法

CAD/CAE參數(shù)化集成系統(tǒng)是現(xiàn)代化設(shè)計(jì)研發(fā)的核心技術(shù)，縮短了產(chǎn)品的研發(fā)周期，提高了設(shè)計(jì)效率。仿真分析時(shí)，需要把CAD模型經(jīng)過(guò)離散化之后得到的抽象化的有限元計(jì)算模型[5]，然后把網(wǎng)格的數(shù)據(jù)和邊界條件全部映射到節(jié)點(diǎn)上，適應(yīng)CAE計(jì)算環(huán)境。很多學(xué)者使用軟件調(diào)用的方法實(shí)現(xiàn)CAE計(jì)算，溫祿淳[6]基于NX和ANSYS集成，分析了傳動(dòng)部件受載時(shí)的位移和應(yīng)力變化，實(shí)現(xiàn)了采煤機(jī)零部件參數(shù)化設(shè)計(jì)和有限元分析。高士豪等[7]使用MATLAB，CATIA與有限元商用軟件相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了齒向修形斜齒輪齒面扭曲機(jī)理分析CAD/CAE一體化。但是，不同的軟件映射的方法不同，可能存在前后信息丟失，模型轉(zhuǎn)換控制復(fù)雜[8]。使用自定義接口模塊或自主系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)模塊轉(zhuǎn)換，任浩楠等[9]通過(guò)CAPRI接口驅(qū)動(dòng)，基于CATIA和ANSYSWorkbench，搭建了水工結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)一體化平臺(tái)。Kirkwood R等[10]分析了CAD平臺(tái)遷移到其他平臺(tái)的風(fēng)險(xiǎn)，得到通過(guò)VPI(Virtual Persistent Identifi?ers)技術(shù)可實(shí)現(xiàn)CAD格式的高效集成、修復(fù)和數(shù)據(jù)遷移的結(jié)論。Yin等[11]開(kāi)發(fā)了1種基于統(tǒng)一數(shù)據(jù)體系結(jié)構(gòu)（Unified Driver Architecture，UDA）的 定 制CAD/CAE集成系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了行波管快速振動(dòng)分析和重設(shè)計(jì)。但定制化的系統(tǒng)開(kāi)發(fā)成本較高，對(duì)于種類復(fù)雜的工程零件，使用基于模型的CAD/CAE集成系統(tǒng)更敏捷高效[12]，并已在多個(gè)領(lǐng)域模塊成功應(yīng)用[13-16]。

本文基于NX平臺(tái)，CAD建模完成后調(diào)用NX Nastran計(jì)算模塊，開(kāi)發(fā)了鋁車輪設(shè)計(jì)與仿真集成系統(tǒng)，避免了不同軟件之前切換的數(shù)據(jù)丟失或模型處理復(fù)雜等問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了全參數(shù)化的CAD/CAE系統(tǒng)集成。

2.2 系統(tǒng)工作流程

鋁車輪設(shè)計(jì)與仿真集成系統(tǒng)設(shè)計(jì)架構(gòu)如圖1所示。首先，輸入模型參數(shù)變化范圍，程序自動(dòng)生成參數(shù)化的三維模型。然后，加載材料屬性和網(wǎng)格劃分建立有限元Fem模型，讀取配置表自動(dòng)添加載荷約束等邊界條件生成Sim模型。邊界條件加載完畢后，提交NX NASTRAN處理器計(jì)算，自動(dòng)提取輸出結(jié)果。當(dāng)前工況計(jì)算結(jié)束后，程序自動(dòng)跳轉(zhuǎn)重新完成建模，分析等過(guò)程。最后，對(duì)所有工況進(jìn)行結(jié)果分析，選取出性能最優(yōu)的CAD的模型并輸出分析報(bào)告。

圖1 鋁車輪設(shè)計(jì)與仿真集成系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程

因整個(gè)涉及到Modeling、Pre/post、NX NASTRAN多個(gè)模塊之間的切換，傳統(tǒng)UI界面難以適應(yīng)多模塊的無(wú)間斷調(diào)用。本文使用魯棒性更好的MFC界面，完成數(shù)據(jù)輸入和結(jié)果輸出[17]。

如圖2所示，系統(tǒng)界面包含初始設(shè)置、CAD設(shè)置、CAE設(shè)置和計(jì)算輸出4個(gè)部分。通過(guò)Application?SwitchRequest()和ApplicationSwitchImmediate()函數(shù)實(shí)現(xiàn)模塊切換。用戶選擇模塊后，輸入待優(yōu)化的結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)預(yù)估范圍。

圖2 用戶界面

3 CAD/CAE集成實(shí)現(xiàn)

鋁車輪CAD/CAE集成系統(tǒng)設(shè)計(jì)核心思想是將鋁車輪的設(shè)計(jì)和分析過(guò)程的經(jīng)驗(yàn)融入程序架構(gòu)，形成智能設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)決策自動(dòng)化?；贜X平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)全參數(shù)化CAD模型設(shè)計(jì)和參數(shù)化CAE性能分析。

NX采用統(tǒng)一的模型對(duì)象描述內(nèi)部對(duì)象及操作，包含多種應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)包（API）對(duì)其進(jìn)行訪問(wèn)。本系統(tǒng)基于C++語(yǔ)言，通過(guò)使用易用性和可擴(kuò)展性比其他類型API更具優(yōu)勢(shì)的NXOpen開(kāi)發(fā)[18]。

3.1 參數(shù)化CAD模型設(shè)計(jì)

參數(shù)化的鋁車輪CAD模型，通過(guò)程序?qū)崿F(xiàn)模型幾何自動(dòng)創(chuàng)建和更新，如圖3所示?；A(chǔ)模型的參數(shù)化的核心是尺寸驅(qū)動(dòng)。用戶在界面輸入各個(gè)參數(shù)變化范圍后，程序?qū)⒆詣?dòng)生成正交表，將模型的創(chuàng)建特征和其結(jié)構(gòu)的核心參數(shù)用表達(dá)式關(guān)聯(lián)。CAD模塊調(diào)用UF_MODL_ask_exp()實(shí)現(xiàn)表達(dá)式讀取,調(diào)用函數(shù)UF_MODL_edit_exp()實(shí)現(xiàn)表達(dá)式值編輯,調(diào)用函數(shù)UF_MODL_eval_exp()實(shí)現(xiàn)表達(dá)式計(jì)算。最后，通過(guò)函數(shù)UF_MODL_update()實(shí)現(xiàn)模型自動(dòng)更新。

圖3 鋁車輪模型

3.2 參數(shù)化CAE性能分析

CAE部分程序主要通過(guò)Journal日志錄制完成。調(diào)用錄制的代碼，將標(biāo)記定位的參數(shù)化模型自動(dòng)完成前處理的網(wǎng)格劃分工作，如圖4所示。網(wǎng)格自動(dòng)生成后通過(guò)參數(shù)定位點(diǎn)創(chuàng)建RBE3約束，如圖5所示。程序生成(*.dat)文件后，調(diào)用NASTRAN計(jì)算處理器計(jì)算自動(dòng)完成頻譜圖疊加，如圖6所示。最后自動(dòng)提取模態(tài)頻率和模態(tài)振型分析結(jié)果。

圖4 網(wǎng)格劃分

圖5 約束加載

圖6 頻譜圖疊加

4 系統(tǒng)應(yīng)用案例—鋁車輪模態(tài)分析

以鋁車輪模態(tài)及頻響分析為例，進(jìn)行系統(tǒng)應(yīng)用說(shuō)明。用戶激活系統(tǒng)界面的計(jì)算控件，系統(tǒng)將自動(dòng)完成所有參數(shù)的模型創(chuàng)建、分析并輸出結(jié)果。在中間文件中讀取結(jié)果參數(shù)。部分模態(tài)振型模態(tài)分析結(jié)果如圖7～10所示。

圖7 模態(tài)振型（0.00 056 Hz）

圖8 模態(tài)振型（335.974 Hz）

圖9 模態(tài)振型（702.209 Hz）

圖10 模態(tài)振型（1 014.17 Hz）

隨機(jī)選取CAD/CAE集成系統(tǒng)部分計(jì)算結(jié)果，對(duì)比多個(gè)工況下CAD/CAE系統(tǒng)和手動(dòng)計(jì)算的模態(tài)動(dòng)剛度的結(jié)果和時(shí)間如表1所示，同工況下系統(tǒng)計(jì)算結(jié)果與手動(dòng)計(jì)算數(shù)值誤差最大值為1.19%，驗(yàn)證了集成系統(tǒng)精確繼承了建模經(jīng)驗(yàn)和態(tài)分析技巧。鋁車輪CAD/CAE集成仿真系統(tǒng)計(jì)算動(dòng)剛度相比手工計(jì)算節(jié)約了大量的時(shí)間成本，單組最高節(jié)約94.13%。

表1 計(jì)算結(jié)果對(duì)比

該CAD/CAE集成系統(tǒng)，在模態(tài)分析上，表現(xiàn)出良好的適應(yīng)性、準(zhǔn)確性和魯棒性。同樣，NX NASTRAN求解器支持的應(yīng)力、振動(dòng)、屈曲、結(jié)構(gòu)故障、熱傳遞、聲學(xué)和氣動(dòng)彈性力學(xué)分析[19]，也可以應(yīng)用該解決方案實(shí)現(xiàn)CAD/CAE集成。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文以鋁車輪為研究對(duì)象，基于NX二次開(kāi)發(fā)建立了全參數(shù)化CAD/CAE集成分析系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了鋁車輪模型的參數(shù)化建模和分析系統(tǒng)的搭建。并以鋁車輪模態(tài)和頻響分析計(jì)算為例，應(yīng)用分析系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)鋁車輪高效率的建模與模態(tài)分析。為鋁車輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了依據(jù)，也為整車開(kāi)發(fā)早期的結(jié)構(gòu)選擇與設(shè)計(jì)提供了更快捷思路。