NX Vibration Wizard在UAES研發(fā)中的應(yīng)用

NXVibrationWizard在UAES研發(fā)中的應(yīng)用作者：聯(lián)合汽車電子有限公司邵康聯(lián)合汽車電子有限公司利用NX提供的VibrationWizard功能，針對企業(yè)的產(chǎn)品特點略作修改，編制了計算KSZ的向?qū)?，極大地提高了CAE分析的工作效率。同時，對CAE技術(shù)在企業(yè)研發(fā)中的發(fā)展方向提出了獨到的見解。聯(lián)合汽車電子有限公司(以下簡稱“UAES”)是中聯(lián)汽車電子有限公司和德國羅伯特.博世有限公司在中國的合資企業(yè)。UAES引進博世公司具有當代世界先進水平的汽油發(fā)動機控制系統(tǒng)(EngineManagementSystem)的產(chǎn)品技術(shù)，始終致力于研究、開發(fā)和生產(chǎn)適合中國汽車工業(yè)發(fā)展需要，并有批量出口的安全、潔凈和經(jīng)濟的EMS產(chǎn)品及其零部件。UAES利用NX提供的VibrationWizard功能，針對企業(yè)的產(chǎn)品特點略作修改，編制了計算KSZ的向?qū)В瑯O大地提高了CAE分析的工作效率。同時，對CAE技術(shù)在企業(yè)研發(fā)中的發(fā)展方向提出了獨到的見解。CAE技術(shù)在企業(yè)研發(fā)中的發(fā)展方向隨著UAES的迅速發(fā)展壯大，自主研發(fā)設(shè)計逐漸成為UAES核心競爭力的保證。一方面公司要通過建立“創(chuàng)新體系”提高產(chǎn)品的附加值，提高市場競爭力；另一方面也要建立“效率體系”提高研發(fā)效率，降低開發(fā)成本。在此需求下，工具的革新對企業(yè)的研發(fā)有著巨大的影響。從工具的角度出發(fā)，我們可以把產(chǎn)品研發(fā)分為3個層次(見圖1)。圖1產(chǎn)品研發(fā)的三個層次經(jīng)驗設(shè)計階段(ExperienceDesign)在此階段，缺乏有效的設(shè)計工具，大部分情況下只能憑借經(jīng)驗和感覺做事。當前大部分企業(yè)都已經(jīng)超越了這一階段，在此不作贅述?？梢暬O(shè)計階段(VisualizationDesign)在此階段，成熟的CAD工具使得設(shè)計人員在設(shè)計的過程中可以即時獲得產(chǎn)品的外形特征，知道自己設(shè)計的產(chǎn)品是什么樣子的。直觀的感受可以抬高設(shè)計質(zhì)量，同時軟件的功能也使得設(shè)計人員可以較快地出圖和修改。透明化設(shè)計階段(TransparentDesign)在此階段，先進的CAD/CAE工具使得設(shè)計人員在設(shè)計的過程中不僅可以獲得產(chǎn)品的外觀信息，而且可以獲得產(chǎn)品的性能，知道自己設(shè)計的產(chǎn)品能否滿足性能指標。這是一種理想的設(shè)計狀態(tài)，也是UAES的努力方向之一。為了達到“透明化設(shè)計”，CAE必須起到極為重要的作用，但傳統(tǒng)的CAE工具越來越難以擔此重任。傳統(tǒng)CAE的弊端之一在于它的使用門檻高，對使用者的要求較高，通常需要組建專門的CAE團隊來完成CAE分析任務(wù)；弊端之二在于溝通不及時，由于設(shè)計人員和CAE專家分屬不同的組織結(jié)構(gòu)，之間需要溝通和協(xié)調(diào)，跟緊項目時間節(jié)點，CAE才可以發(fā)揮應(yīng)有的作用。為了適應(yīng)業(yè)務(wù)的需求，UAES轉(zhuǎn)變了CAE工作的思路，把CAE的工作分成2個領(lǐng)域：“創(chuàng)新領(lǐng)域”和“成熟領(lǐng)域”。對于新的平臺性項目，存在很多開創(chuàng)性的研發(fā)工作，有些技術(shù)問題是沒有前人的經(jīng)驗可以直接引用的，需要研發(fā)人員深入學(xué)習(xí)，共同攻關(guān)。CAE工程師需要考察各種算法，甄選不同的模型，嘗試許多參數(shù)，對分析結(jié)果的判讀也需要較高的技巧，只能由專業(yè)的CAE工程師完成，人們稱之為“創(chuàng)新領(lǐng)域”。另一方面，對于很多已經(jīng)很成熟的分析任務(wù)，算法、建模和判別標準等都已經(jīng)非常可靠和成熟，CAE分析已經(jīng)成為了一項常規(guī)的工作，不需要太多的創(chuàng)新，一般也不會出什么差錯。在這樣的“成熟領(lǐng)域”，需要的僅僅是操作，不需要有很高的CAE基礎(chǔ)就可以完成。技術(shù)人員希望在這種工作中能夠盡量貼近項目進度，同時也希望進一步提高工作效率。如果可能的話，技術(shù)人員希望不要用CAE工程師，希望可以找到合適的工具讓產(chǎn)品開發(fā)工程師很容易地完成CAE評估。在UAES,CAE技術(shù)在研發(fā)中同時向這兩個方向發(fā)展。在“成熟領(lǐng)域”，UAES使用了SiemensELMSoftwareNXSimulationWizard，產(chǎn)品研發(fā)工程師的工作平臺不用改變；在“創(chuàng)新領(lǐng)域”，UAES繼續(xù)利用現(xiàn)有的各種專業(yè)CAE軟件，CAE工程師的工作平臺不用改變，也不會浪費過去的巨額CAE軟件投入。NXVibrationWizard在UAES的應(yīng)用為了在產(chǎn)品開發(fā)環(huán)境中實現(xiàn)最優(yōu)的數(shù)字仿真水平，SiemensPLMSoftware提供了一個高級仿真環(huán)境，為高級分析提供了多種解決方案。由于歷史的原因，筆者尚未深入使用NX的CAE分析功能。筆者目前僅僅利用NX提供的VibrationWizard，根據(jù)UAES的實際情況，略作修改，投入到實際的項目開發(fā)中，就已經(jīng)取得了非常明顯的收益。1.實施背景在UAES的產(chǎn)品開發(fā)中，KSZ是一個典型的“成熟領(lǐng)域”。CAE工程師已經(jīng)摸索出了針對此類產(chǎn)品的一套成熟分析流程，積累了近百次的分析經(jīng)驗，在預(yù)測KSZ振動失效方面從未失手。KSZ的模態(tài)分析已經(jīng)成為研發(fā)過程中一個必經(jīng)的標準過程。但是，每次產(chǎn)品工程師提出CAE分析需求后，都要等待很久才能獲得CAE分析結(jié)果。因為CAE團隊和產(chǎn)品開發(fā)團隊隸屬于不同的經(jīng)理，為了保證工作中信息傳遞的正確性，根據(jù)公司流程，每一輪分析都需要CAE工程師和產(chǎn)品工程師開會討論，填寫CAE任務(wù)委托單，就時間節(jié)點、幾何數(shù)模版本、材料參數(shù)和約束情況等方面達成一致；由于CAE團隊的工作任務(wù)非常繁重，通常都不會立即開始分析，而是在CAE任務(wù)列表中排隊；幾天之后，CAE工程師用HyperMesh、MSC.Nastran等傳統(tǒng)CAE軟件建模并求解，然后用HyperView等后處理軟件評估計算結(jié)果，并撰寫正規(guī)的CAE分析報告。整個過程通常需要1?2周，而CAE工程師真正花費的工作量可能只有不到10h。在此期間，項目往往還會有些新的進展，如果團隊之間溝通不及時的話，還有可能出現(xiàn)做無用功的情況。為了改善這種情況，在SiemensPLMSoftware的技術(shù)支持下，UAES嘗試了“NXVibrationWizard”，這是一個NX提供的仿真流程自動化工具，通過為用戶提供清楚、簡明的指導(dǎo)，在快速、簡單的模態(tài)分析中為不精通仿真技術(shù)的用戶設(shè)定標準，幫助引導(dǎo)用戶完成快速、簡單的仿真步驟，用有限元分析(FEA)方法來獲得分析結(jié)果。技術(shù)路線NX的“NXVibrationWizard”用的求解器是NXNastran,而傳統(tǒng)的模態(tài)分析求解器是MSC.Nastran,兩者有很多地方是近似的，因此筆者汲取現(xiàn)有的KSZ模態(tài)分析的成熟思路，直接修改“NXVibrationWizard”的XML源文件和UG內(nèi)置的材料數(shù)據(jù)庫，主要關(guān)心的要點如下：（1） 界面。利用“NXVibrationWizard”本身有的界面框架。找到“vibration_wizard.xml”文件，找到“”段，直接修改提示文字即可。（2） 求解器?！癗XVibrationWizard”用的是103求解器，與MSC.Nastran用的一樣，可以直接互相參考。（3） 單元：“NXVibrationWizard”自動生成的是10節(jié)點的CTETRA單元。筆者用傳統(tǒng)的CAE工具檢查了一下自動生成的模型里的單元，質(zhì)量雖然算不上優(yōu)秀，但全都滿足最基本的求解要求。對于這樣一個毫無人工干預(yù)生成的模型，已經(jīng)相當令人滿意了。（4） 材料：“NXVibrationWizard”調(diào)用的材料數(shù)據(jù)庫來自于“phys_material.dat”這個文件。找到這個文件后，選擇一種不常用的材料，將其名稱、楊氏彈性模量和密度改為UAES的KSZ常用材料的數(shù)值，保存即可。需要指出的是，通常KSZ在做振動試驗時，會有一些附加質(zhì)量，如：加速度傳感器、線纜、卡夾和燃油等。為了簡化處理，筆者把這些質(zhì)量折算成密度，把KSZ材料密度再略為增加大了一些。（5） 連接：在沒有“NXSimulationProcessStudio”支持的情況下，“NXVibrationWizard”只能針對一個實體進行網(wǎng)格劃分和模態(tài)分析。而UAES的KSZ是由幾個零件焊接在一起的。在傳統(tǒng)CAE分析中，人們通常用剛性單元^“tie”把不同的零件連接在一起。但是這對于缺乏CAE基礎(chǔ)的產(chǎn)品工程師來說難度較大。為此，筆者作了一些折衷，讓產(chǎn)品工程師在CAE分析之前先用NX的“Unite”命令把所有零件粘為一體。這樣，只要多花30s的時間，就可以回避一個較為復(fù)雜的CAE問題。操作步驟導(dǎo)入幾何數(shù)模后，用“Unite”命令把需要計算的實體粘成一個Solid。然后在左側(cè)“ProcessStudio”中點擊“UAESKSZ模態(tài)分析”圖標，進入向?qū)?。接下來整個操作基本上是'NextandNext”式的動作（見圖2）,一般來說，只須10min,就可以獲得模態(tài)分析的結(jié)果。每一步的界面上都有相應(yīng)的提示，非常簡易。圖2操作步驟4.精度對于如此快捷的CAE分析結(jié)果，所有人都想知道其精度如何。為此，從一開始筆者就隨機抽取了幾個項目進行了考核，并與傳統(tǒng)的CAE分析結(jié)果作了比較，結(jié)果如圖3所示。后來經(jīng)過越來越多的實戰(zhàn)檢驗，“NXVibrationWizard”的計算精度表現(xiàn)非常穩(wěn)定，得到越來越多的CAE工程師和產(chǎn)品工程師的認可。結(jié)論和展望引入爪乂VibrationWizard”后，可以發(fā)現(xiàn)：1.分析成本大幅度降低KSZ模態(tài)分析的周期由原先的1?2周縮短到約10min。改進了工作流程，減少了溝通協(xié)調(diào)的工作量，避免了配合不善帶來的錯誤，減少了文檔工作和確認工作。2.CAE不再“陽春白雪”CAE變成了研發(fā)工程師手邊一個方便的計算工具。真正實現(xiàn)了“仿真驅(qū)動設(shè)計”、“上游CAE”等人們向往已久的研發(fā)思路。需要指出的是，“NXVibrationWizard”只是NX提供的眾多仿真手段中的一種，而且筆者的應(yīng)用也不算深入。但考慮到UAES每年幾十個KSZ項目，每個項目數(shù)種設(shè)計方案和CAE分析，產(chǎn)生的經(jīng)濟效益令人吃驚。要使數(shù)字仿真價值最大化，關(guān)鍵在于盡早采用