NXVibrationWizard在UAES研发中的应用工业编码器
时间：2022/07/30 04:07:43 编辑：
NX Vibration Wizard在UAES研发中的应用
NX Vibration Wizard在UAES研发中的应用 2011年12月03日 来源： 联合汽车电子有限公司利用NX提供的Vibration Wizard功能，针对企业的产品特点略作修改，编制了计算KSZ的向导，极大地提高了CAE分析的工作效率。同时，对CAE技术在企业研发中的发展方向提出了独到的见解。联合汽车电子有限公司（以下简称“UAES”）是中联汽车电子有限公司和德国罗伯特.博世有限公司在中国的合资企业。UAES引进博世公司具有当代世界先进水平的汽油发动机控制系统（Engine Management System）的产品技术，始终致力于研究、开发和生产适合中国汽车工业发展需要，并有批量出口的安全、洁净和经济的EMS产品及其零部件。UAES利用NX提供的Vibration Wizard功能，针对企业的产品特点略作修改，编制了计算KSZ的向导，极大地提高了CAE分析的工作效率。同时，对CAE技术在企业研发中的发展方向提出了独到的见解。CAE技术在企业研发中的发展方向随着UAES的迅速发展壮大，自主研发设计逐渐成为UAES核心竞争力的保证。一方面公司要通过建立“创新体系”提高产品的附加值，提高市场竞争力；另一方面也要建立“效率体系”提高研发效率，降低开发成本。在此需求下，工具的革新对企业的研发有着巨大的影响。从工具的角度出发，我们可以把产品研发分为3个层次（见图1）。
图1 产品研发的三个层次
1.经验设计阶段（Experience Design）在此阶段，缺乏有效的设计工具，大部分情况下只能凭借经验和感觉做事。当前大部分企业都已经超越了这一阶段，在此不作赘述。2.可视化设计阶段（Visualization Design）在此阶段，成熟的CAD工具使得设计人员在设计的过程中可以即时获得产品的外形特征，知道自己设计的产品是什么样子的。直观的感受可以抬高设计质量，同时软件的功能也使得设计人员可以较快地出图和修改。3.透明化设计阶段（Transparent Design）在此阶段，先进的CAD/CAE工具使得设计人员在设计的过程中不仅可以获得产品的外观信息，而且可以获得产品的性能，知道自己设计的产品能否满足性能指标。这是一种理想的设计状态，也是UAES的努力方向之一。为了达到“透明化设计”，CAE必须起到极为重要的作用，但传统的CAE工具越来越难以担此重任。传统CAE的弊端之一在于它的使用门槛高，对使用者的要求较高，通常需要组建专门的CAE团队来完成CAE分析任务；弊端之二在于沟通不及时，由于设计人员和CAE专家分属不同的组织结构，之间需要沟通和协调，跟紧项目时间节点，CAE才可以发挥应有的作用。为了适应业务的需求，UAES转变了CAE工作的思路，把CAE的工作分成2个领域：“创新领域”和“成熟领域”。对于新的平台性项目，存在很多开创性的研发工作，有些技术问题是没有前人的经验可以直接引用的，需要研发人员深入学习，共同攻关。CAE工程师需要考察各种算法，甄选不同的模型，尝试许多参数，对分析结果的判读也需要较高的技巧，只能由专业的CAE工程师完成，人们称之为“创新领域”。另一方面，对于很多已经很成熟的分析任务，算法、建模和判别标准等都已经非常可靠和成熟，CAE分析已经成为了一项常规的工作，不需要太多的创新，一般也不会出什么差错。在这样的“成熟领域”，需要的仅仅是操作，不需要有很高的CAE基础就可以完成。技术人员希望在这种工作中能够尽量贴近项目进度，同时也希望进一步提高工作效率。如果可能的话，技术人员希望不要用CAE工程师，希望可以找到合适的工具让产品开发工程师很容易地完成CAE评估。在UAES，CAE技术在研发中同时向这两个方向发展。在“成熟领域”，UAES使用了Siemens PLM Software NX Simulation Wizard，产品研发工程师的工作平台不用改变；在“创新领域”，UAES继续利用现有的各种专业CAE软件，CAE工程师的工作平台不用改变，也不会浪费过去的巨额CAE软件投入。NX Vibration Wizard在UAES的应用为了在产品开发环境中实现最优的数字仿真水平，Siemens PLM Software提供了一个高级仿真环境，为高级分析提供了多种解决方案。由于历史的原因，笔者尚未深入使用NX的CAE分析功能。笔者目前仅仅利用NX提供的Vibration Wizard，根据UAES的实际情况，略作修改，投入到实际的项目开发中，就已经取得了非常明显的收益。1. 实施背景在UAES的产品开发中，KSZ是一个典型的“成熟领域”。CAE工程师已经摸索出了针对此类产品的一套成熟分析流程，积累了近百次的分析经验，在预测KSZ振动失效方面从未失手。KSZ的模态分析已经成为研发过程中一个必经的标准过程。但是，每次产品工程师提出CAE分析需求后，都要等待很久才能获得CAE分析结果。因为CAE团队和产品开发团队隶属于不同的经理，为了保证工作中信息传递的正确性，根据公司流程，每一轮分析都需要CAE工程师和产品工程师开会讨论，填写CAE任务委托单，就时间节点、几何数模版本、材料参数和约束情况等方面达成一致；由于CAE团队的工作任务非常繁重，通常都不会立即开始分析，而是在CAE任务列表中排队；几天之后，CAE工程师用HyperMesh、MSC.Nastran等传统CAE软件建模并求解，然后用HyperView等后处理软件评估计算结果，并撰写正规的CAE分析报告。整个过程通常需要1～2周，而CAE工程师真正花费的工作量可能只有不到10h。在此期间，项目往往还会有些新的进展，如果团队之间沟通不及时的话，还有可能出现做无用功的情况。为了改善这种情况，在Siemens PLM Software的技术支持下，UAES尝试了“NX Vibration Wizard”，这是一个NX提供的仿真流程自动化工具，通过为用户提供清楚、简明的指导，在快速、简单的模态分析中为不精通仿真技术的用户设定标准，帮助引导用户完成快速、简单的仿真步骤，用有限元分析（FEA）方法来获得分析结果。2. 技术路线NX的“NX Vibration Wizard”用的求解器是NX Nastran，而传统的模态分析求解器是MSC.Nastran，两者有很多地方是近似的，因此笔者汲取现有的KSZ模态分析的成熟思路，直接修改“NX Vibration Wizard”的XML源文件和UG内置的材料数据库，主要关心的要点如下：（1）界面。利用“NX Vibration Wizard”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。“NX Vibration Wizard”用的是103求解器，与MSC.Nastran用的一样，可以直接互相参考。（3）单元：“NX Vibration Wizard”自动生成的是10节点的CTETRA单元。笔者用传统的CAE工具检查了一下自动生成的模型里的单元，质量虽然算不上优秀，但全都满足最基本的求解要求。对于这样一个毫无人工干预生成的模型，已经相当令人满意了。（4）材料：“NX Vibration Wizard”调用的材料数据库来自于“phys_material.dat”这个文件。找到这个文件后，选择一种不常用的材料，将其名称、杨氏弹性模量和密度改为UAES的KSZ常用材料的数值，保存即可。需要指出的是，通常KSZ在做振动试验时，会有一些附加质量，如：加速度传感器、线缆、卡夹和燃油等。为了简化处理，笔者把这些质量折算成密度，把KSZ材料密度再略为增加大了一些。（5）连接：在没有“NX Simulation Process Studio”支持的情况下，“NX Vibration Wizard”只能针对一个实体进行网格划分和模态分析。而UAES的KSZ是由几个零件焊接在一起的。在传统CAE分析中，人们通常用刚性单元或“tie”把不同的零件连接在一起。但是这对于缺乏CAE基础的产品工程师来说难度较大。为此，笔者作了一些折衷，让产品工程师在CAE分析之前先用NX的“Unite”命令把所有零件粘为一体。这样，只要多花30s的时间，就可以回避一个较为复杂的CAE问题。3. 操作步骤导入几何数模后，用“Unite”命令把需要计算的实体粘成一个Solid。然后在左侧“Process Studio”中点击“UAES KSZ模态分析”图标，进入向导。接下来整个操作基本上是“Next and Next”式的动作（见图2），一般来说，只须10min，就可以获得模态分析的结果。每一步的界面上都有相应的提示，非常简易。
图2 操作步骤
4. 精度对于如此快捷的CAE分析结果，所有人都想知道其精度如何。为此，从一开始笔者就随机抽取了几个项目进行了考核，并与传统的CAE分析结果作了比较，结果如图3所示。后来经过越来越多的实战检验，“NX Vibration Wizard”的计算精度表现非常稳定，得到越来越多的CAE工程师和产品工程师的认可。结论和展望引入“NX Vibration Wizard”后，可以发现：1. 分析成本大幅度降低KSZ模态分析的周期由原先的1～2周缩短到约10min。改进了工作流程，减少了沟通协调的工作量，避免了配合不善带来的错误，减少了文档工作和确认工作。2. CAE不再“阳春白雪”CAE变成了研发工程师手边一个方便的计算工具。真正实现了“仿真驱动设计”、“上游CAE”等人们向往已久的研发思路。需要指出的是，“NX Vibration Wizard”只是NX提供的众多仿真手段中的一种，而且笔者的应用也不算深入。但考虑到UAES每年几十个KSZ项目，每个项目数种设计方案和CAE分析，产生的经济效益令人吃惊。要使数字仿真价值最大化，关键在于尽早采用该技术并将其恰当地应用于整个开发过程。恰当的应用使一个简单的功能发挥到最大的效用。
图3 传统CAE与向导分析模态结果对比
继“KSZ模态分析Wizard”成功应用之后，应广大工程师的要求，CAE团队正在努力把Wizard功能应用到更多的产品中去。同时，深入的挖掘NX更多的仿真功能，以充分利用先进工具带来的技术革新。CAD与CAE的融合是将来的趋势，而PLM对CAD/CAE工作模式的改变必将产生深远的影响，我们拭目以待。 (end)