廈工（三明）公司生產的XG6033D串聯式振動壓路機，整機重量3t，自從推出以來，受到市場廣泛好評。現按公司計劃，擬將原安裝于后車架座椅后方的不銹鋼制水箱（圖1）材質更換為LLDPE（線型低密度聚乙烯）。要求在保證原來的整機前后車架配比和原有的蓄水量的前提下，根據LLDPE材料的性能和制作工藝進行局部的修改。本文介紹了采用Siemens NX的同步建模技術快速創建新水箱模型并利用電子表格驅動的NX優化設計功能對新水箱進行分析、優化的內容。
圖1 不銹鋼材質水箱
1 Siemens NX的同步建模技術與電子表格簡介
傳統基于有序歷史記錄的CAD設計系統中，在需要對歷史特征進行編輯或進行添加、變更的任何時候，系統都需要刪除所有后續幾何特征，回復模型到目標特征再進行變更，然后重新執行目標特征的后續特征來重新建立模型，即自動更新該目標特征的依賴特征部分。這在大型復雜的模型中，特征損失可能非常巨大，目標特征在順序歷史記錄中列得越早，其后所涉及的相關依賴特征就越多，則對性能的影響就越大。
Siemens NX的同步建模技術快速捕捉設計意圖，其捕捉構思的速度與用戶構思的速度一樣快，使幾何圖形和設計規則保持同步，提供了第一個無歷史記錄、基于特征的建模技術，突破了基于歷史記錄的設計系統固有架構障礙，同步建模技術系統實時識別產品模型當前的幾何條件，這些條件將它們與設計人員添加的參數和幾何約束合并一起以便評估、構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，無需重復全部歷史記錄。
NX的電子表格(spreadsheet)提供了Microsoft Excel（Windows系統）或者Xess（Unix系統）與Unigraphics的一個智能接口。表格驅動的界面以及機內函數為相關的、參數化設計提供了方便而有力的工具。在利用Excel進行NX的優化設計時，實際上是在對一系列的非線性方程（組）進行計算求解。Excel對NX提供了5種目標搜索的方法，分別為：Regula Falsi Method、Newton-Raphson、Newton-Raphson 2D、Nonlinear Sidel 2D、Optimize lxN。
2 對不銹鋼水箱參數分析及LLDPE材料水箱建模
原水箱為不銹鋼材質焊接件，在NX中體現為裝配體部件。為了計算現有水箱的容積，可將原三維模型進行“提升體”操作，并利用NX的“有界平面”功能封閉水箱的開口，將水箱的內部封閉成一個完整的腔體，使用“內空間分析器”命令得出該水箱的設計容積為159.88L，同時使用“高級重量管理”命令計算出水箱的質量為82.7kg（圖2）。
圖2 不銹鋼材質水箱的容積（左）和重量（右）
將現有不銹鋼水箱結構與制作廠家初步溝通。制作廠家根據現有不銹鋼水箱圖紙結合生產工藝繪制了初步的LLDPE水箱dwg格式二維圖紙。利用NX的工程圖導入功能直接將該dwg格式圖紙轉至模型空間，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入NX“高級仿真”模塊對水箱進行分析。水箱材質采用LLDPE，整個箱體內部裝滿水，底部固定約束。分析結果圖4。圖中顯示，水箱的變形最嚴重區域為水箱的大平面部位，變形達到53mm，變形已經超出允許范圍。可見，制作廠家提供的方案不進行局部加強是無法滿足要求的。
圖3 利用現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。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，整個設計方向定在了以增加加強筋為主，適當增加水箱厚度為輔。
圖4 有限元分析水箱最大變形
表1 水箱壁厚優化仿真
經過綜合考慮后。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筋，同時采用兩側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行有限元校核，位移結果圖6。整體的最大位移控制在3.926mm，結果達到設計要求。
圖6 最終方案的水箱變形分布結果
接著需對水箱的容量進行測量，同樣采用“內空間分析器”測得現有水箱的容積為147.497L。比原水箱容積減少12L左右。
3 利用NX電子表格驅動優化水箱容積
為了保證水箱的容積與原有相同，需對水箱做局部調整。因整個水箱的安裝位置限制，整個水箱的可調尺寸為前方小水箱凸起的160mm尺寸，可調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化而來，屬于無參數建模。為了方便電子表格對該160mm尺寸進行控制，下面可利用NX同步建模技術里面的“線性尺寸”來生成一個驅動尺寸，如圖7。將NX的驅動參數轉換到電子表格中使用NX內置的mass3d()函數來取得水箱的容積，并估計線性尺寸范圍在260～300mm之間。首先進行“目標分析”得到表2結果，數據顯示，水箱容積在280～290mm之間時水箱容積達到原水箱容積159.88L。接著進行“目標搜尋”，讓NX自動查出159.88L時的尺寸實際值，結果如圖8。當水箱尺寸在289.6887mm時水箱容積為159.88L，直接取整，采用290mm尺寸。
圖7 水箱可調尺寸位置及同步建模線性尺寸驅動設置
表2 目標分析水箱容積
圖8 目標搜尋成功結果
最后利用電子表格來更新NX模型，并測量現在水箱的重量為28.482kg。為了保證整機的重量分布，還應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
在對產品性能進行優化及升級改造時，利用Siemens NX的同步建模與電子表格優化功能，結合高級仿真模塊，可以快速實現產品的更新，減少更新前后產生的誤差，減少再設計時大量的重復性工作，加快產品的更新速度，提升企業的競爭力。
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本文標題：Siemens NX在XG6033D壓路機水箱設計中的應用
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