UG NX軟件在輪胎三維模型設計中的應用

梁文蘭，向宗義，汪旭波，姜張華

（貴州輪胎股份有限公司，貴州 貴陽 550008）

輪胎三維模型包括輪胎花紋三維模型和輪胎實體模型，其設計是輪胎研發過程中不可或缺的重要步驟[1-4]。輪胎花紋模型非常復雜，而UG NX軟件因與AutoCAD具有良好的接口、簡單的操作界面和強大的曲面模型功能，可提供強大的實體建模技術及高效能的曲面建模能力，能夠完美地再現復雜的輪胎三維模型，深受設計人員歡迎[5]。

本工作以12.00R20礦用輪胎為例，闡述UG NX軟件在輪胎花紋三維模型及實體模型設計中的應用。

1 輪胎三維模型設計流程

輪胎三維模型設計流程如圖1所示。

圖1 輪胎三維模型設計流程

2 輪胎花紋平面圖處理

輪胎花紋三維建模前，需要在AutoCAD中處理好花紋展開圖以及胎側輪廓圖。首先，刪除所有的標注、定位線、排氣孔和剖面圖等；其次，處理好的胎冠花紋線條和胎側輪廓線條必須是相切連續的（可通過建立面域來確認其在CAD中是否連續封閉）；最后將所有線條線型統一為實線，整理到一個圖層中，將該圖導出為12.00R20.dxf文件。

2.1 等節距花紋平面圖處理

取花紋圖一個完整節距進行等節距花紋處理，處理后的平面圖如圖2所示。其中胎側輪廓圖中胎冠中心點到輪胎圓心的距離為輪胎半徑，導出的.dxf文件不可以有中文路徑。

圖2 等節距花紋處理后的平面圖

2.2 變節距花紋平面圖處理

變節距花紋至少有2種不同的節距，按其排列組合可計算組合總數。如圖3所示，有M和N兩種不同節距的花紋，當組合單元為M和N的半個節距時，可以形成4種節距組合，且組合有方向性，分別為1/2M＋1/2N節距，1/2N＋1/2M節距，1/2N＋1/2N節距和1/2M＋1/2M節距（如圖4所示）。變節距花紋平面圖的處理和三維模型方法與等節距花紋相同，本工作以等節距花紋為例介紹UG NX軟件在輪胎三維模型設計中的應用。

圖3 變節距花紋的2種節距

圖4 節距組合示意

3 輪胎三維模型設計

3.1 輪胎花紋三維模型

輪胎花紋三維模型主要分為胎冠花紋曲面模型及胎肩花紋曲面模型兩部分。

3.1.1 導入花紋平面圖

新建HW.prt文件，此時處于建模界面，導入12.00R20.dxf文件，選擇XY界面，將胎側輪廓與花紋展開圖分別移動到圖層1和圖層2，將輪廓圖繞X軸旋轉90°至XZ界面，并將花紋所有線條由節距中心點移至胎冠中心點，此時花紋展開圖所在的基準面垂直于胎側輪廓圖所在的基準面。該步驟為關鍵步驟，選好基準面和分圖層可使后續步驟順利進行[6]。

3.1.2 胎冠和胎肩花紋的曲面模型

首先，將胎側輪廓圖中的胎冠曲線連接成一條無節點的曲線，回轉生成胎冠曲面，將花紋曲線投影在胎冠曲面上，注意投影采用沿矢量XY軸等弧長的方式，等弧長投影時XY軸一一映射，以減少尺寸誤差（如圖5所示）。

圖5 花紋曲線的投影

其次，進行輪胎花紋溝及裝飾鋼片、排石釘等的模型。花紋溝的截面形狀有多種，一般分為角度深度型（花紋溝截面角度不變）、寬度深度型、單邊雙層型、雙層花紋型（如圖6所示）及其相互結合形成的截面形狀（如花紋溝截面角度連續變化、花紋溝處于胎面的轉角位置以及花紋曲線曲率變化大等多種情況）。

圖6 花紋溝截面形狀示意

對于角度深度型花紋溝，其側面曲面可以使用規律延伸命令生成，再與花紋溝底曲面倒圓一并進行側面片體修剪。對于寬度深度型花紋溝，把對應的花紋溝寬曲線投影到相應的花紋溝底曲面上，再結合投影在花紋胎冠曲面上的花紋溝曲線，通過曲線網格構造花紋溝側面曲面。對于截面角度連續變化的花紋溝，利用規律延伸到參考面按角度要求生成曲面，并在參考位置抽取截面線，運用掃描命令以在胎冠曲面上投影的花紋曲線為引導線生成花紋溝的側面曲面。對于處于轉角位置的花紋溝，可先按照前面方法生成曲面片體，因曲面片體會有間隙或者錯位情況，需要先用橋接曲線命令對這些部位進行處理，得到過渡連接曲線，再運用曲線網格工具得到過渡曲面。對于花紋曲線曲率變化大的花紋溝，同樣運用上述方法，在曲率變化大的部位兩側生成花紋溝側面，并抽取兩側花紋溝的截面曲線，運用橋接曲線命令生成過渡曲面[7]。

同理，輪胎胎肩花紋也需要結合運用規律延伸、橋接曲線、掃描、面倒圓、修剪片體等命令生成。本工作所提取的輪胎花紋節距模型如圖7所示。

圖7 輪胎花紋節距模型

輪胎花紋三維模型設計是一個交互的過程，需要不斷測量花紋溝截面角度以及分析溝底倒圓的合理性，經過不斷地推敲和試驗，才能滿足設計要求。

3.2 輪胎實體模型及渲染處理

由上述方法得到一個完整的花紋節距，運用移動對象命令根據3點旋轉將此花紋節距按照設計要求在胎冠上進行整周排列；再使用回轉命令將輪胎胎側輪廓線旋轉得到胎側輪廓曲面；最后將所有花紋節距曲面及胎側輪廓曲面進行布爾運算并縫合（縫合時要注意合理調整公差），方可得到輪胎實體模型。

為了得到理想的輪胎設計效果圖，首先運用真實藝術外觀任務，對輪胎實體模型進行賦材質、打燈光、背景設置等控制。再使用高質量圖像命令，設置圖片大小和分辨率，選擇光線追蹤或者照片般逼真選項，可以生成逼真的輪胎設計效果圖（如圖8所示）。

圖8 輪胎設計效果圖

3.3 效果分析

使用UG NX軟件進行輪胎三維模型設計有如下優點：

（1）可以無縫連接模具廠家，及早發現二維設計圖紙中存在的問題，縮短設計時間，節省費用，而且UG NX設計的輪胎三維實體模型可以直接用于模具加工，提高了設計效率；

（2）輪胎三維模型能夠直觀形象地表達設計意圖，降低輪胎設計風險，縮短產品開發周期；

（3）可為配套廠家及時提供輪胎三維模型，使之應用于車輛設計裝配和運動仿真等方面，加強交流合作。

4 結語

本工作采用UG NX軟件進行了輪胎模型設計，通過常用特征命令（如旋轉對象、規律延伸、掃略、修剪片體、面倒圓等）可以生成輪胎花紋三維模型和輪胎實體模型，快速建立輪胎三維設計模型。該方法可有效、準確地表達輪胎設計概念，降低輪胎設計風險，縮短產品開發周期，具有良好的應用效果。