基于NX二次開發的鋁車輪CAD/CAE集成系統的開發與應用

湯俊 閆仕軍 盧冠宇

（泛亞汽車技術中心有限公司，上海200129）

主題詞：NX二次開發 CAD/CAE系統 鋁車輪 模態分析

1 前言

鋁車輪以重量輕、精度高、耐腐蝕性好、散熱快、時尚美觀的優點占據80%以上的轎車以及載重量較低的商用車市場[1]。CAD設計和CAE分析是研究鋁車輪結構靜態剛度、疲勞壽命性能參數的重要手段[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，需要進行多次重新設計與分析才能獲得符合設計目標的結構[3]。雖然使用正交試驗等算法能減少人工計算次數，但結構設計與性能分析的重復性導致鋁車輪開發設計工作周期長、效率低[4]。

基于此，本文提出了鋁車輪的全參數化建模與分析集成系統的解決方案，實現了高效率的鋁車輪的參數化CAD設計與CAE仿真。

2 參數化CAD/CAE系統設計方法

2.1 CAD/CAE集成系統設計方法

CAD/CAE參數化集成系統是現代化設計研發的核心技術，縮短了產品的研發周期，提高了設計效率。仿真分析時，需要把CAD模型經過離散化之后得到的抽象化的有限元計算模型[5]，然后把網格的數據和邊界條件全部映射到節點上，適應CAE計算環境。很多學者使用軟件調用的方法實現CAE計算，溫祿淳[6]基于NX和ANSYS集成，分析了傳動部件受載時的位移和應力變化，實現了采煤機零部件參數化設計和有限元分析。高士豪等[7]使用MATLAB，CATIA與有限元商用軟件相結合，實現了齒向修形斜齒輪齒面扭曲機理分析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，模型轉換控制復雜[8]。使用自定義接口模塊或自主系統可實現模塊轉換，任浩楠等[9]通過CAPRI接口驅動，基于CATIA和ANSYSWorkbench，搭建了水工結構優化設計一體化平臺。Kirkwood R等[10]分析了CAD平臺遷移到其他平臺的風險，得到通過VPI(Virtual Persistent Identifi?ers)技術可實現CAD格式的高效集成、修復和數據遷移的結論。Yin等[11]開發了1種基于統一數據體系結構（Unified Driver Architecture，UDA）的 定 制CAD/CAE集成系統，實現了行波管快速振動分析和重設計。但定制化的系統開發成本較高，對于種類復雜的工程零件，使用基于模型的CAD/CAE集成系統更敏捷高效[12]，并已在多個領域模塊成功應用[13-16]。

本文基于NX平臺，CAD建模完成后調用NX Nastran計算模塊，開發了鋁車輪設計與仿真集成系統，避免了不同軟件之前切換的數據丟失或模型處理復雜等問題，實現了全參數化的CAD/CAE系統集成。

2.2 系統工作流程

鋁車輪設計與仿真集成系統設計架構如圖1所示。首先，輸入模型參數變化范圍，程序自動生成參數化的三維模型。然后，加載材料屬性和網格劃分建立有限元Fem模型，讀取配置表自動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處理器計算，自動提取輸出結果。當前工況計算結束后，程序自動跳轉重新完成建模，分析等過程。最后，對所有工況進行結果分析，選取出性能最優的CAD的模型并輸出分析報告。

圖1 鋁車輪設計與仿真集成系統設計流程

因整個涉及到Modeling、Pre/post、NX NASTRAN多個模塊之間的切換，傳統UI界面難以適應多模塊的無間斷調用。本文使用魯棒性更好的MFC界面，完成數據輸入和結果輸出[17]。

如圖2所示，系統界面包含初始設置、CAD設置、CAE設置和計算輸出4個部分。通過Application?SwitchRequest()和ApplicationSwitchImmediate()函數實現模塊切換。用戶選擇模塊后，輸入待優化的結構尺寸參數預估范圍。

圖2 用戶界面

3 CAD/CAE集成實現

鋁車輪CAD/CAE集成系統設計核心思想是將鋁車輪的設計和分析過程的經驗融入程序架構，形成智能設計方法，實現設計決策自動化。基于NX平臺，實現全參數化CAD模型設計和參數化CAE性能分析。

NX采用統一的模型對象描述內部對象及操作，包含多種應用程序開發包（API）對其進行訪問。本系統基于C++語言，通過使用易用性和可擴展性比其他類型API更具優勢的NXOpen開發[18]。

3.1 參數化CAD模型設計

參數化的鋁車輪CAD模型，通過程序實現模型幾何自動創建和更新，如圖3所示。基礎模型的參數化的核心是尺寸驅動。用戶在界面輸入各個參數變化范圍后，程序將自動生成正交表，將模型的創建特征和其結構的核心參數用表達式關聯。CAD模塊調用UF_MODL_ask_exp()實現表達式讀取,調用函數UF_MODL_edit_exp()實現表達式值編輯,調用函數UF_MODL_eval_exp()實現表達式計算。最后，通過函數UF_MODL_update()實現模型自動更新。

圖3 鋁車輪模型

3.2 參數化CAE性能分析

CAE部分程序主要通過Journal日志錄制完成。調用錄制的代碼，將標記定位的參數化模型自動完成前處理的網格劃分工作，如圖4所示。網格自動生成后通過參數定位點創建RBE3約束，如圖5所示。程序生成(*.dat)文件后，調用NASTRAN計算處理器計算自動完成頻譜圖疊加，如圖6所示。最后自動提取模態頻率和模態振型分析結果。

圖4 網格劃分

圖5 約束加載

圖6 頻譜圖疊加

4 系統應用案例—鋁車輪模態分析

以鋁車輪模態及頻響分析為例，進行系統應用說明。用戶激活系統界面的計算控件，系統將自動完成所有參數的模型創建、分析并輸出結果。在中間文件中讀取結果參數。部分模態振型模態分析結果如圖7～10所示。

圖7 模態振型（0.00 056 Hz）

圖8 模態振型（335.974 Hz）

圖9 模態振型（702.209 Hz）

圖10 模態振型（1 014.17 Hz）

隨機選取CAD/CAE集成系統部分計算結果，對比多個工況下CAD/CAE系統和手動計算的模態動剛度的結果和時間如表1所示，同工況下系統計算結果與手動計算數值誤差最大值為1.19%，驗證了集成系統精確繼承了建模經驗和態分析技巧。鋁車輪CAD/CAE集成仿真系統計算動剛度相比手工計算節約了大量的時間成本，單組最高節約94.13%。

表1 計算結果對比

該CAD/CAE集成系統，在模態分析上，表現出良好的適應性、準確性和魯棒性。同樣，NX NASTRAN求解器支持的應力、振動、屈曲、結構故障、熱傳遞、聲學和氣動彈性力學分析[19]，也可以應用該解決方案實現CAD/CAE集成。

5 結束語

本文以鋁車輪為研究對象，基于NX二次開發建立了全參數化CAD/CAE集成分析系統，實現了鋁車輪模型的參數化建模和分析系統的搭建。并以鋁車輪模態和頻響分析計算為例，應用分析系統，實現鋁車輪高效率的建模與模態分析。為鋁車輪的結構設計提供了依據，也為整車開發早期的結構選擇與設計提供了更快捷思路。