UGNX在高速摩托艇数字化设计制造仿真开发中的集成应用

1、UGNX在高速摩托艇数字化设计制造仿真开发中的集成应用王华侨 李玉丰 盛学斌 耿巍麟 来源：e-works关键字：UGNX 逆向工程 模具设计 数控加工 塑性成型模拟 本文以UGNX作为开发平台，以某高速摩托艇产品研发过程中涉及的产品逆向工程、装配设计、模具设计、数控加工编程、塑性成型模拟分析等核心关键技术应用研究为对象，简略讲述了UGNX作为CADCAMCAE的集成平台，其该产品开发过程中有效的提高了企业新产品设计制造开发的效率，为企业创造了巨大的经济效益。最后对UGNX平台的相关设计功能扩展提出了一些建议，希望对从事UGNX的设计人员和开发人员有所参考借鉴作用。1. 前言 UGNX作为当前

2、世界上最先进和紧密集成的、面向制造行业的CAD/CAM/CAE高端软件，其涉及到工程中的概念设计、工业设计、机械设计以及工程仿真和数字化制造等各个领域。它提供了一个基于过程的产品设计环境，使产品开发从设计到加工真正实现了数据的无缝集成，从而优化了企业的产品设计与制造。UG面向过程驱动的技术是虚拟产品开发的关键技术,在面向过程驱动技术的环境中，用户的全部产品以及精确的数据模型能够在产品开发全过程的各个环节保持相关，从而有效地实现了并行工程。UGNX作为下一代数字产品开发软件，帮助企业加速产品创新，实现更高的成本效益。 UGNX不仅具有强大的实体造型、曲面造型、虚拟装配和产生工程图等设计功能；而且

3、，在设计过程中可进行有限元分析、机构运动分析、动力学分析和仿真模拟，提高设计的可靠性。同时，可用建立的三维模型直接生成数控代码，用于产品的加工，其后处理程序支持多种类型数控机床。通过NX产品组合全面集成工业设计和造型的解决方案，用户能够利用一个更大的工具包，涵盖建模、装配、模拟、制造和产品生命周期管理功能。设计专用工具和传统的CAD、CAE和CAM工具相结合，提供可获得的最完整的工业设计和最高级的表面处理解决方案。UG的各功能是靠功能模块来实现的，不同的功能模块实现不同的用途。UGNX的主要功能可以很好的帮助用户解决包括逆向工程、工业设计、产品设计、计算仿真、工装模具设计、数控加工编程、工程数

4、据管理等方面的问题。 如下图1所示利用UGNX作为设计平台开发出的高速摩托艇SEADANCE，是一种小型采用喷射推进的高速动力艇，其时速可高达100公里以上。该摩托艇由艇身、发动机、喷射单元、控制系统、操纵系统、储物箱等部分组成。摩托艇以发动机为动力，具有自重轻、吃水浅、回旋半径小、动力大、能耗低、操纵机动灵活、速度快、抗浪性好、低噪声、故障率低等特点。主要应用在体育运动、旅游休闲等方面，是一种高级休闲产品，在国外使用较为广泛，目前国内使用的产品主要靠进口。该摩托艇采用的是SMC整体复合成型船体、10000转/分的ECU电喷高速发动机、导管式螺旋桨喷射推进的船机桨系统，所采用的这些技术在国内均

5、处于领先水平。下述对利用UGNX在该产品研发过程中的一些关键技术应用进行简要介绍。 图1 SEADANCE高速摩托艇2. 艇身逆向工程应用开发 随着现代企业的产品开发周期的越来越短、产品质量要求越来越高，尤其是产品的外观质量更是要求实用美观。随着计算机辅助设计制造CADCAMCAE的普及应用，产品逆向工程技术在新产品的开发过程中得到了充分应用。尤其在汽车整车厂、 通用机械领域、 工装检具制造商、 模具制造企业、 航空航天企业、船舶工业、 玩具及雕塑、 艺术品及动画考古等方面产生了巨大社会经济效益。下面介绍利用Imageware和UGNX，在开发摩托艇的艇身设计时所涉及的逆向工程、改型创新设计方

6、面的应用。 2.1 UGNX/Imageware逆向工程应用流程 产品逆向工程开发流程一般分为产品外观创意设计、油泥模造型、产品扫描、点云曲面造型、产品结构设计、产品制造工艺成型等一系列过程。产品外观创意设计一般多采用Photoshop、3DMax、Rhino、Alias等软件在创意师的作品基础上进行三维样机设计与图像处理；油泥师根据创意设计进行油泥造型，然后通过激光扫描获取油泥点云模型；三维工程师通过Imageware、Geomagic、CATIA或者其它的专业逆向工程软件进行点云造型、产品细节结构与装配设计；工艺师依据最终的产品进行模具设计、夹具设计、工艺流程设计、数控加工等完成产品的最终

7、成型。 产品逆向工程中的创意设计与油泥造型主要考虑美学设计，在很大程度上依赖于油泥师和创意师的经验与艺术修养。产品逆向在完成油泥造型、点云扫描后，主要时间就花在反求建模上。Imageware作为典型的逆向工程软件促进了高级的、符合人体工学和美学的产品形状的开发，其提供的造型功能，对于构造完美的高质量曲面满足设计师和工程师的要求是很容易实现的。同时Imageware完成逆向后，其提供数据接口包括Iges、xmt_txt，、.model文件、step文件、stl文件等多种格式，数据交换非常方便，与UGNX具有嵌入式接口。 Imageware点云的处理方式包括点云过滤、分区、在拟合曲线所需要的点云时

8、，可平行截面截取、曲线投影、曲面相交等方式。曲线的生成方式除基准曲线外，拟合曲线的阶次一般采用4阶即可，曲线的段数依据曲线的特性适当。曲面拟合功能包括基本的平面锥面柱面拟合、旋转曲面、Loft曲面、Swept扫描导轨曲面、UVBlend曲面、点云直接拟合Uniform曲面、点云配合边界拟合曲面、Extrude曲面、Boundary边界曲面、管道面、融接过渡面、圆角面、曲面偏移放大裁剪等功能。Imageware的点云曲面对齐方式可采用基准球混合模式对齐、采用平面对齐动态逐步最佳配合模式对齐和321多种对齐方式。如下图所示为对某产品进行逆向造型时首先对点云进行对齐，然后利用曲率分区功能和轮廓线提取

9、，再利用点云拟合曲线的方式构造大曲面，最后在正向CAD系统中进行细节设计。如下图2所示为产品逆向工程造型设计的流程示意图。图2 逆向工程三维造型设计流程图2.2 艇身逆向工程应用事项 Imageware曲面为复杂自由曲面形状的设计提供了一系列强有力的曲线和曲面创建编辑的功能，它包括了曲面生成的主要命令，如扫掠、放样，以及其它CAD产品中所没有的用于复杂形状开发的功能。在进行艇身设计时需要使用Bezier高阶几何模型，而Imageware曲面可生成高达21阶的曲面，在贯穿整个曲面构造过程中能够保证设计者遵循设计、工程和制造的标准。如图3所示为高速摩托艇艇身造型的流程图，下述对在进行艇身逆向工程造

10、型的过程中，总结出来关于逆向造型的技巧归纳如下。 采用激光扫描时由于大多采用曲率连续的方式取点，在大范围内曲率相等的区域采用基准球可有效解决扫描精度和效率问题，针对不同的零件特征应采用相应的点距精度进行扫描。针对不同大小精度结构零件扫描时在条件许可前提下采用合适的扫描设备可以达到良好的扫描效果。对于装配体如车身或新产品仿制时，一定要先进行整体扫描、再将零部件拆分扫描后扫描、对于两面都有细节结构的薄壁零件扫描时，扫描时一定要处理好。 点云再导入逆向软件后，点云的显示尽量进行过滤，但是在点云的处理过程中一般不要进行删除过滤、以避免进行细节设计需要点云时密度不够就难以解决。在细节处理过程中，可以对点

11、云采用网格面的渲染模式显示可有效观察细节特征的处理方式，同时对实物或者是油泥模型的仔细观察是非常有必要的。 在进行逆向造型时，总体策划思路的好坏对于提高造型的效率和质量有着较大影响、尤其是曲面点云的区域划分如何构造整体产品对象一定要清楚，同一零件不同的设计人员有不同的理解和构造方式，正确的理解产品的构造可少走弯路；对于塑性模具成型的零件尽量使点云数据沿拔模方向对齐，可提前对模具进行备料采用这种并行的方式可大幅度缩短产品的开发周期。对于对称零件有效的利用软件的对称功能显示和对齐功能也是非常有意义的。 利用Imageware软件基于曲率变化的颜色划分区域的功能和尖锐轮廓线提取功能在一定程度上可减少

12、造型师的工作量，同时利用其对于薄壁双层点云的单面提取功能也是提高薄壁零件造型效率的有效手段之一。 在进行曲面逆向造型的过程中，曲面造型的方式应该依据对象的构成特征采用相应的曲面类型，尤其要避免非曲率连续的多张曲面片采用强制性整体造型、对于后续的光顺修改非常不理。另外要根据产品对象的配合或光顺要求选择不同的方法，在将零件表面化整为零的时候曲面片之间有缝合光顺时，曲面片尽量要作大，以方便裁剪光顺。 Imageware提供的曲面逆向造型构造方式比较多，对于一般非自由曲面特征，有效利用软件提供的如孔、平面、柱面、锥面、旋转曲面二次曲线曲面功能可以优质高效的完成曲面造型。 在曲面造型时要使曲线和曲面时时

13、与原始点云进行对比、以有效观察曲线曲面与点云的误差以及曲面的光滑连续性，利用Imageware的曲线节点调节功能和曲面的边界UV控制线提取功能进行曲面的二次拟合可有效的控制曲面精度达到产品要求。 在Imageware中完成曲面的大体构造后，利用UGNX进行零件的细节与整体造型，完成如曲面融接、圆角、孔位、凸台等细节结构特征设计可帮助设计师方便的进行修改完善，同时在UGNX环境下进行装配与间隙调整等对于产品的系统开发是非常有必要的，可以减小后续模具设计制造、产品总体装配的潜在风险。图3 艇身逆向造型的工作流程 3 艇身与发动机总成设计与装配 3.1摩托艇艇身特点 摩托艇艇身由SMC复合材料热模压

14、工艺成型，因此艇身性能稳定一致，强度高，耐腐蚀、耐候性好，重量轻，寿命长。同时复合材料结构可设计性好，艇身各部分可由多块SMC模压复合材料拼接而成，所以用 SMC模压技术成型玻璃钢艇身会发展迅猛、具有广阔应用前景。特别是在水上娱乐艇、游艇、摩托艇、冲浪艇和水陆两用船艇上将广泛应用。在民用的渔船、工程船、海事监察船和军用的舰艇、登陆艇也将被快速使用。 艇身总成主要由上艇身、内腔、下艇身三大部分组成，如图4所示。上艇身除外观装饰件安装外，还包括乘坐驾驶等操作部分的连接。内腔则主要安装发动机、供油系统、传动装置、水气混合排放系统、驾驶控制系统等部分的安装；下艇身则主要承担喷射系统和艇身平衡尾翼等部件

15、的安装和整艇的支撑作用。下艇身是船体设计的核心，其对承载、克服阻力、破浪性等方面对整体的性能起着决定性的作用。艇身总成设计制造具备如下特点：在设计上，利用逆向工程的原理进行艇身设计。通过油泥模型进行外观设计后，利用三维激光扫描配合软件点云数据处理，同时采用先进软件进行外观再造型和后期数控加工。在船型上利用流体力学和仿生学对艇身进行外观造型，其流线形外观新颖独特，具有较好的美学效果。采用计算流体力学分析船舶航行时阻力，以合理的完成船机桨的协调设计。 在结构上，对下艇身与内胆等多处结构进行局部加强，利用整体复合模压成型的优势，避免了采用多套模具通过粘结加强的方式，尤其是下艇身尾部侧板两个区域加强处

16、，一次减少了两套模具的开发投入，为成本开发节约二十多万元的费用。 在工艺上，艇身是国内采用SMC技术压制成型的外形尺寸最大，结构较复杂的深陷异型制品，艇身的所有部件（上艇身、下艇身、内衬、隔板）全部采用SMC模压成型。艇身重量轻、强度高、性能好，同比铝合金船体从重量和成本上节省30以上。该产品通过模压其表面光洁度高。 三人乘用水上摩托艇要求不仅外形美观、速度快等特点，其所涉及的关键核心技术多，该产品与汽车工业具有相同的特点，是国家工业制造技术水平的集中体现。艇身的总成与装配如下图4所示，利用UGNX的三维设计与装配功能，可以非常容易的检查出装配干涉等问题，而不必等到实物装配暴露出问题后再去处理

17、，提前解决了大部分的装配质量问题，尤其是艇身与外观塑料件、操控系统、排水推进系统之间的配合更是如此。同时对于发动机上装、船机桨之间的配合，利用UGNX提前解决了许多无法预见的技术质量问题，加速了产品的开发效率和生产质量。 图4 艇身总成示意图 3.2 发动机总成设计与装配摩托艇发动机本体主要由曲轴箱体、活塞连杆组、曲轴飞轮组、配气机构、冷却润滑系、排放系统、ECU电控系统等部分组成。机械本体主要由气缸体、气缸盖、气缸套、气缸垫和油底组成。利用UGNX的三维设计与装配功能，很容易完成该发动机各个部件及其总成的三维装配和工程图，如下图5和图6所示为该高速发动机的装配示意图。同时利用UGNX的运动分

18、析功能和装配包络干涉分析功能，较好地解决了曲轴、连杆、活塞与缸体及传动部分的运动协调、装配间隙控制关系，为该发动机的装配、点火、磨合试验的顺利成功起到了很好的促进作用。图5 发动机机械总成图6 ECU电喷高速发动机实物4 艇身与发动机缸体模具设计制造 UGNX提供了基于专家系统的注塑模（Mold Wizard）、钣金零件冲压模（Die Engineer）、级进模（Progressive Die Wizard）等模具设计功能，模具专家设计系统融入了模具设计师的经验和系统开发师的智慧，使用它们可以加速模具设计速度，提高产品的设计质量。模具设计向导技术提供了基于最优实践基础上的、逐步引导式进行构造的

19、工作流程，使许多企业的模具设计过程实现了自动化。使得企业在模具设计制造（规划,采购,详细设计,电极设计,模具制造）的并行展开，因而缩短了交付时间。艇身SMC热压复合模具和发动机缸体压铸模具的设计，充分利用了UGNX的曲面造型设计、装配设计以及UGNX注塑模具向导中的模具分模功能设计模块。由于热压模和压铸模在模具的结构设计上与注塑模有相似的地方，因此在进行艇身热压模与发动机缸体的压铸模具设计时，充分利用模具设计的相似性解决模具分模，模具结构设计方面的设计工作。 4.1 艇身SMC热压模具设计与制造 摩托艇艇身覆盖件是目前国内最大的SMC模压件，加上其外形结构复杂、镶嵌件多、成型难度高、配合精度高

20、、耐海水腐蚀等要求；同时承受着艇的各种运行工况作用，因而要求重量轻、比强度高。采用传统的手糊成型工艺不仅产品质量差、技术含量低、一致性差，而且存在劳动强度高、生产效率低、制造成本高等缺陷。艇身采用SMC片状模塑料压制成型，将填补国内采用此种方法成型全SMC复合材料艇身的空白。采用钢板拼焊整体模具设计制造，通过油循环加热实现SMC艇身的热模压，实现SMC艇身的大批量无余量生产。SMC模压最核心的主要依赖于模具的结构设计、模压的时间、压力温度等工艺参数的合理制定、热变形的校正措施等。如下图7所示为SMC模压成型的艇身下船体模具结构示意图以及模压出的产品。该模具结构为封闭式、油循环加热成型艇身。此种

21、结构较开放式、电加热型模具，其产品重量可以严格控制、无飞边、壁厚一致性好、加热均匀、维修维护方便、模压能耗低等多种优点。 UGNX系统提供了数控线切割、车削、铣削编程功能等多种模块。如钻空循环、攻丝和镗孔等点位加工编程；具有多种轮廓加工、等高环切行切以及岛屿加工平面铣削编程功能；其提供35坐标复杂曲面的固定轴与变轴加工编程功能，可以任意控制刀具轴的矢量方向，具有曲面轮廓,等高分层、参数线加工、曲面流线、陡斜面、曲面清根等多种刀具轨迹控制方式。系统提供的数控铣削编程功能模块包括平面铣削、型芯型腔铣削,固定轴铣削,自动清根,可变轴铣削,顺序铣,高速铣削等轨迹策略。其切削仿真模块可模拟25轴联动的铣

22、削和钻削加工。如图7所示为利用UGNX完成的该摩托艇艇身模具设计、模具数控加工编程、模具实物和模压后的产品，UGNX在艇身的快速成功开发上起到了至关重要的作用。图7 摩托艇艇身模具设计制造与实物 4.2 发动机缸体压铸模具设计压铸是最先进的金属成型方法之一，是实现少切屑，无切屑的有效途径，应用很广，发展很快。目前压铸合金不再局限于有色金属的锌、铝、鎂和铜，而且也逐渐扩大用来压铸铸铁和铸钢件。压铸件的尺寸和重量，取决于压铸机的功率。由于压铸机的功率不断增大，铸件形尺寸可以从几毫米到12m；重量可以从几克到数十公斤。国外可压铸直径为2m，重量为50kg的铝铸件。随着铸造的精密性、质量与可靠性、经济

23、、环保等要求越来越高，压力铸造已从单一的加工工艺发展成为新兴的综合性的先进工艺技术。如下图8图10所示为利用UGNX设计后的高速发动机缸体及其压铸模具的结构设计与实物。图8 铝合金高速发动机缸体图9 发动机缸体压铸模具图10 发动机缸体模具发动机的制造在我国制造业中是难度较高的制造技术。发动机缸体缸盖铸造成功率低,设计和机械加工难度大。由于摩托艇的发动机是在特殊环境下工作的，因此其材料需要具有耐磨、抗热、抗变形等特点，所以设计选材具有一定的难度。铝合金发动机缸体结构尺寸小、内外部型腔结构复杂，尺寸精度高；同时其使用转速高功率大等特点对发动机缸体的铸造提出了更高的要求。该发动机缸体采用的为高磷铸

24、铁镶缸套，在压铸时嵌入到缸体一次成型后进行精密机械加工。缸套的厚度为2mm ，机械加工后保证最小壁厚不小于1.5mm。上下缸体均为压铸铝合金ADC12（LY12），热处理时效为170度、保温16小时；机械性能要求抗拉强度大于320Mpa，延伸率不小于5，弹性模量大于75GPa。 针对铝合金发动机缸体的特点，其压铸模具的设计质量对于缸体的压铸有着重要的影响，不仅要满足缸体空间结构上的要求，同时要考虑铝合金材料压铸时的成型工艺，另外对于压铸过程中的充型、持压、脱模、保温等都需要在模具结构设计上考虑周全，利用UGNX的强大三维设计功能以及UGNX在工装模具设计专家系统上的优势，较好的解决了该铝合金发

25、动机缸体的模具设计和压铸要求，在国产高速汽油发动机缸体的压铸模具设计和压铸成型工艺上取得了较大的突破。如下图11所示为压铸成型及利用UGNX的CAM功能进行数控编程，精密加工完成后的铝合金发动机缸体实物。UGNX在该发动机的研制成功应用上，不仅促进了国产高速汽油发动机的设计水平，极大的促进了铝合金压铸技术和精密机械加工技术的升级和广泛应用。图11 压铸铝合金发动机缸体 5 螺旋桨数字化设计与制造仿真 该摩托艇其喷射系统主要包括叶轮（螺旋桨）总成、发动机冷却水供应系统、进水拦网等组成。螺旋桨通过轴与发动机输出采用梅花联轴接形式进行柔性连接，是推动艇运行的执行机构。该螺旋桨外形尺寸小(直径156m

26、m，叶片高度不足60mm，叶片最薄处为0.5mm)、重量轻(为1.2Kg)、叶片流道精度要求高。其转速高、推力大（10000r/min，700Kg载荷，达到1.5g的加速度）、动平衡精度高，因而要求其综合机械性能好，同时要防海水腐蚀等耐侯性要求。在研制期间采用五坐标精密机械加工等手段进行开发，批生产阶段采用的是精密铸造成型，再配合动平衡量校正技术实现该产品的制造。设计出的该螺旋桨如下图12所示。利用UGNX完成的螺旋桨几何模型和有限元网格划分为后续的计算流体水动力学分析模拟、螺旋桨铸造成型模拟、数控加工编程仿真等提供了较好的输入条件。图12 高速摩托艇喷射式导管螺旋桨 5.1 螺旋桨计算流体水

27、动力学分析螺旋桨的水动力性能分析是螺旋桨设计过程中不可缺少的环节，数值分析技术是现在螺旋桨水动力性能分析的一种重要手段。采用CFD模拟，可以有效地减少实验次数、节省经费、加快新产品的研发过程。下面讲述利用UGNX配合ANSYS-CFX，对该三叶螺旋桨进行计算流体力学分析的模拟仿真的结果简要说明，如下图所示为将UGNX的有限元前处理模型导入ANSYS-CFX中进行分析的结果。从分析图中可以看出，利用UGNX和ANSYS-CFX可以非常方便的对螺旋桨工况进行定义，并针对不同转速工况情况下的螺旋桨速度、压力、流量、推力进行数值分析。 如图13为螺旋桨6000r/min情况下，螺旋桨轴向、径向、旋转的

28、流体速度分布。图14为10000r/min条件下，螺旋桨的流量、压力分布图，从图中可以看出，叶梢的压力最大、叶根处压力最小。针对该螺旋桨，采用CFX计算后，其叶片通道流量为3.31Kg/S，总流量为5.5Kg/s。同时将叶片受力情况导入到强度分析中，从图15中可以看出其最大变形量发生在叶片外围为2.719mm，最大应力应变发生的部位以及疲劳强度满足永久使用要求。图13 轴向、径向、旋转的流体速度分布图14 螺旋桨的流速、流量、压力分布图图15 变形与应力强度分布图5.2 螺旋桨五坐标数控加工编程仿真 螺旋桨设计制造、产品定型早期为有效的进行螺旋桨的敞水试验，减少铸造批量生产时模具的返修工作量以

29、及避免模具报废，采用五坐标数控机床进行加工其模型件是非常有意义的。可以实现缩短开发周期，提高螺旋桨设计质量，避免设计时参数的确定、叶片形状以及螺旋桨的强度等综合方面的影响。针对该螺旋桨的结构特点，在五坐标机床上进行加工时，如何有效的设计其刀具加工轨迹路径，避免机床干涉、碰断刀、报废零件等方面是非常有必要的。该螺旋桨五坐标机床加工时分为几个组成部分，三轴粗加工排量、刀具侧刃五坐标粗精加工叶型、刀具底刃五坐标粗精加工流道等。如图16所示为在UGNX环境下设计的该螺旋桨的铣削刀具轨迹示意图。铣削加工完成后进行抛光处理即可得到模样件进行螺旋桨的敞水试验。图16 螺旋桨五坐标铣削编程示意图针对该螺旋桨，其铸造成型方式常用的有真空铸造、离心铸造、消失模铸造等多种方式，其中离心铸造方案虽然产品的成型理论上一致性容易保证，但其模具投入成本相对较高，消失模铸造由于桨叶厚度最薄处只有0.5mm，本身由于其强度要求，采用消失模铸造其铸造表面质量难以满足其疲劳强度要求。而采用真空铸造成型的方案可以兼顾离心铸造与消失模铸造的优点，即可有效保证产品质量，同时又能减小模具的投入费用。如17图所示为采用铸造成型大批量生产后的螺旋桨实物