三維設(shè)計軟件UG NX在無內(nèi)胎全鋼載重子午線輪胎開發(fā)中的應(yīng)用

李本超，王業(yè)敬，王芳芳，王濱濱

（山東華盛橡膠有限公司，山東 廣饒 257300）

作為汽車與地面直接接觸的部件，輪胎的性能對汽車的安全性和舒適性起著至關(guān)重要的作用。因此，對輪胎結(jié)構(gòu)的設(shè)計提出了更高的要求，傳統(tǒng)的平面設(shè)計已無法滿足當(dāng)前的技術(shù)需求。隨著計算機輔助設(shè)計（CAD）技術(shù)的不斷發(fā)展，一系列三維參數(shù)化設(shè)計軟件，如Unigraphics NX（簡稱UG NX），CATIA，CREO，Solidworks等已被應(yīng)用于輪胎結(jié)構(gòu)設(shè)計中，進一步縮短了開發(fā)周期，提高了輪胎的性能，并與配套主機廠完成了數(shù)字化運動仿真。隨著計算機信息技術(shù)的發(fā)展，各大公司也在不斷引入三維軟件進行可視化產(chǎn)品設(shè)計，這也方便了計算機輔助工程（CAE）結(jié)構(gòu)設(shè)計分析模型的創(chuàng)建，優(yōu)化了輪胎結(jié)構(gòu)設(shè)計，提高了輪胎的性能。輪胎模具公司已經(jīng)全部采用三維設(shè)計及編程軟件進行高端數(shù)控機床（CNC）編程。為了保持產(chǎn)品性能設(shè)計的準(zhǔn)確性及產(chǎn)品的后期推廣，引入UG NX軟件進行輪胎的三維設(shè)計是必要的[1-5]。

本工作介紹UG NX軟件結(jié)合AutoCAD軟件在無內(nèi)胎全鋼載重子午線輪胎開發(fā)中的應(yīng)用。

1 UG NX軟件介紹

UG NX是德國Siemens PLM Software公司的一款產(chǎn)品工程解決方案，它為用戶的產(chǎn)品設(shè)計及加工過程提供了數(shù)字化造型和驗證手段，可滿足各種工業(yè)需求，廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車制造、機械加工、化工等領(lǐng)域。UG NX軟件具有一個強大的交互式CAD/CAM（計算機輔助制造）/CAE系統(tǒng)，支持產(chǎn)品的參數(shù)化設(shè)計，復(fù)雜實體和造型的構(gòu)建，以及對幾何模型進行強度、振動、熱力學(xué)等仿真分析。隨著計算機硬件的發(fā)展和個人用戶的增長，UG NX軟件的應(yīng)用已經(jīng)取得了迅猛的增長，成為三維設(shè)計的主流應(yīng)用。UG NX軟件支持JAVA，C，C++，Python等多種語言進行二次開發(fā)，以滿足不同行業(yè)的需求。UG NX軟件的使用可以幫助企業(yè)提高產(chǎn)品質(zhì)量，縮短產(chǎn)品上市周期，減少浪費，為企業(yè)研發(fā)提供了有力的保障。

2 UG NX軟件輪胎建模過程

2.1 準(zhǔn)備工作

為了降低輪胎噪聲并提高其整體操控性能，本設(shè)計輪胎花紋采用3個不等的節(jié)距[L（長節(jié)距），M（中節(jié)距），S（短節(jié)距）]，共計81個節(jié)距周向排列。花紋、花紋整圈排布、輪廓、胎側(cè)文字以及材料分布等均根據(jù)《歐洲輪胎輪輞技術(shù)組織標(biāo)準(zhǔn)手冊（ETRTO）2020》和市場需求在AutoCAD軟件中完成設(shè)計工作。輪胎輪廓及材料分布、花紋節(jié)距和胎側(cè)文字分別如圖1—3所示。

圖1 輪胎輪廓及材料分布示意

圖2 花紋節(jié)距示意

圖3 胎側(cè)文字示意

2.2 輪胎花紋三維造型設(shè)計

將設(shè)計好的CAD平面圖導(dǎo)入UG NX軟件的建模模塊中，然后根據(jù)圖的類別將其分別移動到不同的圖層中。由于輪胎造型相對復(fù)雜繁瑣，使用圖層可以更好地進行三維造型設(shè)計。通過移動命令中的點到點和旋轉(zhuǎn)選項，將輪廓旋轉(zhuǎn)中心和胎側(cè)文字中心置于工件坐標(biāo)系（WCS）原點。利用UG NX軟件的二次開發(fā)功能，將整圈的花紋平面圖等弧長投影到輪胎胎頂曲面上（等同于UG NX軟件中UV方向的等弧長投影），投影后的3D曲線輪廓與實際輪胎節(jié)距排列完全相同，如圖4所示。

圖4 整圈等弧長投影曲線

花紋平面圖整圈等弧長投影完成后，復(fù)制任意3個節(jié)距的三維投影曲線到單獨的圖層，并隱藏其他圖層圖素，根據(jù)設(shè)計輪廓曲線使用回轉(zhuǎn)命令旋轉(zhuǎn)出胎頂曲面及其溝底曲面。此設(shè)計花紋為四線花紋，中間兩條花紋溝設(shè)計為周向溝，可以通過輪廓曲線回轉(zhuǎn)得到實體造型；邊部兩條花紋溝設(shè)計為波浪形花紋溝，將邊部胎頂花紋溝波浪中心線垂直于溝底曲面法向投影，根據(jù)設(shè)計剖面溝底寬度將法向投影曲線在溝底曲面使用在面上偏執(zhí)曲線的命令向兩側(cè)偏執(zhí)得到花紋溝底部曲線，通過直紋面命令、加厚命令，同步建模中替換面命令等完成邊部波浪花紋溝實體造型。胎面刀槽、溝底彈石塊及胎側(cè)造型通過規(guī)律延伸命令、掃略命令、加厚命令、修剪體命令等實現(xiàn)。最后通過布爾運算中的合并、求差命令、倒圓角命令等完成節(jié)距L，M和S的花紋筋實體造型，如圖5所示。

圖5 節(jié)距L，M和S的花紋筋造型

根據(jù)節(jié)距長度劃分3個不同節(jié)距的輪胎單節(jié)距造型。通過求差命令得到3個不同節(jié)距的實體造型，如圖6所示。

圖6 3個節(jié)距的實體造型

根據(jù)整圈等弧長投影三維圖，使用移動對象命令中的三點繞X軸旋轉(zhuǎn)，將3個節(jié)距的實體造型選擇基準(zhǔn)點旋轉(zhuǎn)復(fù)制得到輪胎三維造型，如圖7所示。

圖7 輪胎三維造型

2.3 胎側(cè)文字及圖案三維造型設(shè)計

將胎側(cè)文字平面圖層打開，通過旋轉(zhuǎn)命令將胎側(cè)文字平面與X軸方向垂直，使用投影、分割面、沿面的方向拉伸偏置、拔模、修剪體、陣列、偏置曲面等命令按照字體剖面完成胎側(cè)文字三維造型設(shè)計，改變造型顏色，導(dǎo)入設(shè)計好的Standard Rim9.00標(biāo)準(zhǔn)輪輞，設(shè)計完成后輪胎整體造型如圖8所示。

圖8 輪胎整體造型

2.4 材料分布三維造型設(shè)計

將平面材料分布圖中設(shè)計好的1#—4#帶束層、胎肩墊膠、上下三角膠芯、胎圈、胎體等部件通過不同的角度回轉(zhuǎn)得到實體造型，按照施工設(shè)計中的鋼絲直徑、密度和排列角度，制作出4層帶束層鋼絲簾線排列圖，并將其置于不同圖層中，分別向?qū)?yīng)的帶束層回轉(zhuǎn)曲面法向投影，可以通過掃略中的導(dǎo)管命令輸入鋼絲直徑，沿投影的角度曲線做出帶束層鋼絲簾線造型設(shè)計，胎體鋼絲簾線做出單根造型后可以經(jīng)移動復(fù)制命令得到造型設(shè)計（例如，3×0.2＋6×0.35單根整股鋼絲直徑為1.13 mm，造型設(shè)計時按照整股直徑1.13 mm設(shè)計，內(nèi)部排列不再體現(xiàn)）。對于不同的材料部件采用不同的顏色屬性，設(shè)計完成后材料造型效果如圖9所示。

圖9 材料造型效果

2.5 高清質(zhì)量渲染

通過視圖下拉選項點擊高清質(zhì)量圖片命令，設(shè)置可視化形狀及高質(zhì)量圖片中的材料屬性、高級光源、背景設(shè)置、分辨率等命令采用視圖旋轉(zhuǎn)20°方向輸出高清質(zhì)量渲染圖片，輪胎和材料渲染效果分別如圖10和11所示。

圖10 輪胎渲染效果

圖11 材料渲染效果

3 UG NX軟件輪胎成型施工設(shè)計過程

根據(jù)設(shè)計要求在UG NX軟件草圖環(huán)境中繪制輪胎施工部件平面圖，根據(jù)現(xiàn)場成型工藝?yán)肬G NX軟件的參數(shù)化功能可以快速準(zhǔn)確地調(diào)整部件的尺寸，輸出平面口型圖紙，進行部件體積的計算以及成型部件貼合的優(yōu)化設(shè)計。成型胎面平面參數(shù)化設(shè)計如圖12所示。

圖12 成型胎面平面參數(shù)化設(shè)計示意

在UG NX軟件中根據(jù)施工設(shè)計確定部件三維造型，通過菜單欄分析下拉選項中的測量體命令可以準(zhǔn)確地測量出成型部件的體積，調(diào)整部件貼合尺寸，部件造型會自動變化，成型部件體積也會隨之自動變化，如圖13所示。其他成型部件如膠芯，胎側(cè)等的體積也可以據(jù)此修改、設(shè)計并測量得出。

圖13 成型胎面部件體積的測量

4 結(jié)語

UG NX軟件生成的三維模型可用于輪胎成型施工設(shè)計數(shù)據(jù)的指導(dǎo)，也可用于模具CNC編程，三維文件可以導(dǎo)出Abaqus有限元分析模型文件，與配套主機廠完成數(shù)字化運動仿真，優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計。UG NX軟件強大的參數(shù)化設(shè)計功能便于設(shè)計的修改更新，減少設(shè)計失誤，提高產(chǎn)品的開發(fā)效率，縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期，高清質(zhì)量渲染出的圖片可以直觀地用于產(chǎn)品描述和后期市場宣傳。