廈工（三明）公司生產(chǎn)的XG6033D串聯(lián)式振動壓路機(jī)，整機(jī)重量3t，自從推出以來，受到市場廣泛好評�，F(xiàn)按公司計劃，擬將原安裝于后車架座椅后方的不銹鋼制水箱（圖1）材質(zhì)更換為LLDPE（線型低密度聚乙烯）。要求在保證原來的整機(jī)前后車架配比和原有的蓄水量的前提下，根據(jù)LLDPE材料的性能和制作工藝進(jìn)行局部的修改。本文介紹了采用Siemens NX的同步建模技術(shù)快速創(chuàng)建新水箱模型并利用電子表格驅(qū)動的NX優(yōu)化設(shè)計功能對新水箱進(jìn)行分析、優(yōu)化的內(nèi)容。
圖1 不銹鋼材質(zhì)水箱
1 Siemens NX的同步建模技術(shù)與電子表格簡介
傳統(tǒng)基于有序歷史記錄的CAD設(shè)計系統(tǒng)中，在需要對歷史特征進(jìn)行編輯或進(jìn)行添加、變更的任何時候，系統(tǒng)都需要刪除所有后續(xù)幾何特征，回復(fù)模型到目標(biāo)特征再進(jìn)行變更，然后重新執(zhí)行目標(biāo)特征的后續(xù)特征來重新建立模型，即自動更新該目標(biāo)特征的依賴特征部分。這在大型復(fù)雜的模型中，特征損失可能非常巨大，目標(biāo)特征在順序歷史記錄中列得越早，其后所涉及的相關(guān)依賴特征就越多，則對性能的影響就越大。
Siemens NX的同步建模技術(shù)快速捕捉設(shè)計意圖，其捕捉構(gòu)思的速度與用戶構(gòu)思的速度一樣快，使幾何圖形和設(shè)計規(guī)則保持同步，提供了第一個無歷史記錄、基于特征的建模技術(shù)，突破了基于歷史記錄的設(shè)計系統(tǒng)固有架構(gòu)障礙，同步建模技術(shù)系統(tǒng)實時識別產(chǎn)品模型當(dāng)前的幾何條件，這些條件將它們與設(shè)計人員添加的參數(shù)和幾何約束合并一起以便評估、構(gòu)建新的幾何模型并且編輯模型，使模型重建僅局限于使模型的幾何條件保持正確所必要的那部分，無需重復(fù)全部歷史記錄。
NX的電子表格(spreadsheet)提供了Microsoft Excel（Windows系統(tǒng)）或者Xess（Unix系統(tǒng)）與Unigraphics的一個智能接口。表格驅(qū)動的界面以及機(jī)內(nèi)函數(shù)為相關(guān)的、參數(shù)化設(shè)計提供了方便而有力的工具。在利用Excel進(jìn)行NX的優(yōu)化設(shè)計時，實際上是在對一系列的非線性方程（組）進(jìn)行計算求解。Excel對NX提供了5種目標(biāo)搜索的方法，分別為：Regula Falsi Method、Newton-Raphson、Newton-Raphson 2D、Nonlinear Sidel 2D、Optimize lxN。
2 對不銹鋼水箱參數(shù)分析及LLDPE材料水箱建模
原水箱為不銹鋼材質(zhì)焊接件，在NX中體現(xiàn)為裝配體部件。為了計算現(xiàn)有水箱的容積，可將原三維模型進(jìn)行“提升體”操作，并利用NX的“有界平面”功能封閉水箱的開口，將水箱的內(nèi)部封閉成一個完整的腔體，使用“內(nèi)空間分析器”命令得出該水箱的設(shè)計容積為159.88L，同時使用“高級重量管理”命令計算出水箱的質(zhì)量為82.7kg（圖2）。
圖2 不銹鋼材質(zhì)水箱的容積（左）和重量（右）
將現(xiàn)有不銹鋼水箱結(jié)構(gòu)與制作廠家初步溝通。制作廠家根據(jù)現(xiàn)有不銹鋼水箱圖紙結(jié)合生產(chǎn)工藝?yán)L制了初步的LLDPE水箱dwg格式二維圖紙。利用NX的工程圖導(dǎo)入功能直接將該dwg格式圖紙轉(zhuǎn)至模型空間，通過移動變換命令將各視圖按投影方向定位，拉伸與求交快速完成模型繪制（圖3）。初步定義新水箱壁厚為6mm，因整個水箱較大，需對該水箱進(jìn)行有限元分析，校核該水箱在6mm下的變形情況。利用前畫好的模型直接轉(zhuǎn)入NX“高級仿真”模塊對水箱進(jìn)行分析。水箱材質(zhì)采用LLDPE，整個箱體內(nèi)部裝滿水，底部固定約束。分析結(jié)果圖4。圖中顯示，水箱的變形最嚴(yán)重區(qū)域為水箱的大平面部位，變形達(dá)到53mm，變形已經(jīng)超出允許范圍�？梢姡谱鲝S家提供的方案不進(jìn)行局部加強(qiáng)是無法滿足要求的。
圖3 利用現(xiàn)有圖紙快速建立新水箱三維模型
要克服變形，可以采用增加材料厚度或者是在大變形面增加筋來實現(xiàn)。在不改變水箱外形大小的前提下，增加水箱厚度會造成水箱的容積減小，重量增加。表1為利用NX高級仿真功能計算的出的水箱壁厚與水箱變形的關(guān)系，可以看到壁厚P29=13.4784mm的時候才能控制水箱的最大變形在4.75682mm。因此僅靠增加壁厚并不合理，整個設(shè)計方向定在了以增加加強(qiáng)筋為主，適當(dāng)增加水箱厚度為輔。
圖4 有限元分析水箱最大變形
表1 水箱壁厚優(yōu)化仿真
經(jīng)過綜合考慮后。最終定下的水箱方式為圖5，整個水箱壁厚為8mm，在水箱的幾個大面上布置加強(qiáng)筋，同時采用兩側(cè)的固定安裝槽固定水箱。
圖5 最終方案
同樣按照上面的方法對最終方案的水箱進(jìn)行有限元校核，位移結(jié)果圖6。整體的最大位移控制在3.926mm，結(jié)果達(dá)到設(shè)計要求。
圖6 最終方案的水箱變形分布結(jié)果
接著需對水箱的容量進(jìn)行測量，同樣采用“內(nèi)空間分析器”測得現(xiàn)有水箱的容積為147.497L。比原水箱容積減少12L左右。
3 利用NX電子表格驅(qū)動優(yōu)化水箱容積
為了保證水箱的容積與原有相同，需對水箱做局部調(diào)整。因整個水箱的安裝位置限制，整個水箱的可調(diào)尺寸為前方小水箱凸起的160mm尺寸，可調(diào)范圍限制在最大不超過300mm。因為該三維模型是利用二維圖紙轉(zhuǎn)化而來，屬于無參數(shù)建模。為了方便電子表格對該160mm尺寸進(jìn)行控制，下面可利用NX同步建模技術(shù)里面的“線性尺寸”來生成一個驅(qū)動尺寸，如圖7。將NX的驅(qū)動參數(shù)轉(zhuǎn)換到電子表格中使用NX內(nèi)置的mass3d()函數(shù)來取得水箱的容積，并估計線性尺寸范圍在260～300mm之間。首先進(jìn)行“目標(biāo)分析”得到表2結(jié)果，數(shù)據(jù)顯示，水箱容積在280～290mm之間時水箱容積達(dá)到原水箱容積159.88L。接著進(jìn)行“目標(biāo)搜尋”，讓NX自動查出159.88L時的尺寸實際值，結(jié)果如圖8。當(dāng)水箱尺寸在289.6887mm時水箱容積為159.88L，直接取整，采用290mm尺寸。
圖7 水箱可調(diào)尺寸位置及同步建模線性尺寸驅(qū)動設(shè)置
表2 目標(biāo)分析水箱容積
圖8 目標(biāo)搜尋成功結(jié)果
最后利用電子表格來更新NX模型，并測量現(xiàn)在水箱的重量為28.482kg。為了保證整機(jī)的重量分布，還應(yīng)該在原水箱安裝位置附近增加54kg零件用于配重。最終替換后的水箱效果如圖9（水箱的后方和底面分別增加兩塊配重板來平衡）。
圖9 水箱最終效果圖
4 總結(jié)
在對產(chǎn)品性能進(jìn)行優(yōu)化及升級改造時，利用Siemens NX的同步建模與電子表格優(yōu)化功能，結(jié)合高級仿真模塊，可以快速實現(xiàn)產(chǎn)品的更新，減少更新前后產(chǎn)生的誤差，減少再設(shè)計時大量的重復(fù)性工作，加快產(chǎn)品的更新速度，提升企業(yè)的競爭力。
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本文標(biāo)題：Siemens NX在XG6033D壓路機(jī)水箱設(shè)計中的應(yīng)用
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