厦工（三明）公司生产的XG6033D串联式振动压路机，整机重量3t，自从推出以来，受到市场广泛好评。现按公司计划，拟将原安装于后车架座椅后方的不锈钢制水箱（图1）材质更换为LLDPE（线型低密度聚乙烯）。要求在保证原来的整机前后车架配比和原有的蓄水量的前提下，根据LLDPE材料的性能和制作工艺进行局部的修改。本文介绍了采用Siemens NX的同步建模技术快速创建新水箱模型并利用电子表格驱动的NX优化设计功能对新水箱进行分析、优化的内容。
图1 不锈钢材质水箱
1 Siemens NX的同步建模技术与电子表格简介
传统基于有序历史记录的CAD设计系统中，在需要对历史特征进行编辑或进行添加、变更的任何时候，系统都需要删除所有后续几何特征，回复模型到目标特征再进行变更，然后重新执行目标特征的后续特征来重新建立模型，即自动更新该目标特征的依赖特征部分。这在大型复杂的模型中，特征损失可能非常巨大，目标特征在顺序历史记录中列得越早，其后所涉及的相关依赖特征就越多，则对性能的影响就越大。
Siemens NX的同步建模技术快速捕捉设计意图，其捕捉构思的速度与用户构思的速度一样快，使几何图形和设计规则保持同步，提供了第一个无历史记录、基于特征的建模技术，突破了基于历史记录的设计系统固有架构障碍，同步建模技术系统实时识别产品模型当前的几何条件，这些条件将它们与设计人员添加的参数和几何约束合并一起以便评估、构建新的几何模型并且编辑模型，使模型重建仅局限于使模型的几何条件保持正确所必要的那部分，无需重复全部历史记录。
NX的电子表格(spreadsheet)提供了Microsoft Excel（Windows系统）或者Xess（Unix系统）与Unigraphics的一个智能接口。表格驱动的界面以及机内函数为相关的、参数化设计提供了方便而有力的工具。在利用Excel进行NX的优化设计时，实际上是在对一系列的非线性方程（组）进行计算求解。Excel对NX提供了5种目标搜索的方法，分别为：Regula Falsi Method、Newton-Raphson、Newton-Raphson 2D、Nonlinear Sidel 2D、Optimize lxN。
2 对不锈钢水箱参数分析及LLDPE材料水箱建模
原水箱为不锈钢材质焊接件，在NX中体现为装配体部件。为了计算现有水箱的容积，可将原三维模型进行“提升体”操作，并利用NX的“有界平面”功能封闭水箱的开口，将水箱的内部封闭成一个完整的腔体，使用“内空间分析器”命令得出该水箱的设计容积为159.88L，同时使用“高级重量管理”命令计算出水箱的质量为82.7kg（图2）。
图2 不锈钢材质水箱的容积（左）和重量（右）
将现有不锈钢水箱结构与制作厂家初步沟通。制作厂家根据现有不锈钢水箱图纸结合生产工艺绘制了初步的LLDPE水箱dwg格式二维图纸。利用NX的工程图导入功能直接将该dwg格式图纸转至模型空间，通过移动变换命令将各视图按投影方向定位，拉伸与求交快速完成模型绘制（图3）。初步定义新水箱壁厚为6mm，因整个水箱较大，需对该水箱进行有限元分析，校核该水箱在6mm下的变形情况。利用前画好的模型直接转入NX“高级仿真”模块对水箱进行分析。水箱材质采用LLDPE，整个箱体内部装满水，底部固定约束。分析结果图4。图中显示，水箱的变形最严重区域为水箱的大平面部位，变形达到53mm，变形已经超出允许范围。可见，制作厂家提供的方案不进行局部加强是无法满足要求的。
图3 利用现有图纸快速建立新水箱三维模型
要克服变形，可以采用增加材料厚度或者是在大变形面增加筋来实现。在不改变水箱外形大小的前提下，增加水箱厚度会造成水箱的容积减小，重量增加。表1为利用NX高级仿真功能计算的出的水箱壁厚与水箱变形的关系，可以看到壁厚P29=13.4784mm的时候才能控制水箱的最大变形在4.75682mm。因此仅靠增加壁厚并不合理，整个设计方向定在了以增加加强筋为主，适当增加水箱厚度为辅。
图4 有限元分析水箱最大变形
表1 水箱壁厚优化仿真
经过综合考虑后。最终定下的水箱方式为图5，整个水箱壁厚为8mm，在水箱的几个大面上布置加强筋，同时采用两侧的固定安装槽固定水箱。
图5 最终方案
同样按照上面的方法对最终方案的水箱进行有限元校核，位移结果图6。整体的最大位移控制在3.926mm，结果达到设计要求。
图6 最终方案的水箱变形分布结果
接着需对水箱的容量进行测量，同样采用“内空间分析器”测得现有水箱的容积为147.497L。比原水箱容积减少12L左右。
3 利用NX电子表格驱动优化水箱容积
为了保证水箱的容积与原有相同，需对水箱做局部调整。因整个水箱的安装位置限制，整个水箱的可调尺寸为前方小水箱凸起的160mm尺寸，可调范围限制在最大不超过300mm。因为该三维模型是利用二维图纸转化而来，属于无参数建模。为了方便电子表格对该160mm尺寸进行控制，下面可利用NX同步建模技术里面的“线性尺寸”来生成一个驱动尺寸，如图7。将NX的驱动参数转换到电子表格中使用NX内置的mass3d()函数来取得水箱的容积，并估计线性尺寸范围在260～300mm之间。首先进行“目标分析”得到表2结果，数据显示，水箱容积在280～290mm之间时水箱容积达到原水箱容积159.88L。接着进行“目标搜寻”，让NX自动查出159.88L时的尺寸实际值，结果如图8。当水箱尺寸在289.6887mm时水箱容积为159.88L，直接取整，采用290mm尺寸。
图7 水箱可调尺寸位置及同步建模线性尺寸驱动设置
表2 目标分析水箱容积
图8 目标搜寻成功结果
最后利用电子表格来更新NX模型，并测量现在水箱的重量为28.482kg。为了保证整机的重量分布，还应该在原水箱安装位置附近增加54kg零件用于配重。最终替换后的水箱效果如图9（水箱的后方和底面分别增加两块配重板来平衡）。
图9 水箱最终效果图
4 总结
在对产品性能进行优化及升级改造时，利用Siemens NX的同步建模与电子表格优化功能，结合高级仿真模块，可以快速实现产品的更新，减少更新前后产生的误差，减少再设计时大量的重复性工作，加快产品的更新速度，提升企业的竞争力。
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