基于NX的高速摩托艇设计与数字化制造的集成应用

    本文以Siemens NX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Siemens NX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。

    1 .前言

　　Siemens NX作为当前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。Siemens NX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。Siemens NX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。

　　Siemens NX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，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。Siemens NX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。Siemens NX的主要功能可以很好的帮助用户解决包括工业设计、产品设计、计算仿真、工装模具设计、数控加工编程、工程数据管理等方面的问题。

　　如下图1所示利用Siemens NX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处于领先水平。下述对利用Siemens NX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 艇身与发动机总成设计与装配

　　2.1 摩托艇艇身特点

　　摩托艇艇身由SMC复合材料热模压工艺成型，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2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：

　　①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。

　　②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，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。

　　③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Siemens NX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，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Siemens NX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2  艇身总成示意图

　　2.2 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Siemens NX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3和图4所示为该高速发动机的装配示意图。同时利用Siemens NX的运动分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3  发动机机械总成

图4  ECU电喷高速发动机实物

　　3 艇身与发动机缸体模具设计制造

　　Siemens NX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SiemensNX的曲面造型设计、装配设计以及Siemens NX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。

　　3.1 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、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。

　Siemens NX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3～5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2～5轴联动的铣削和钻削加工。如图5所示为利用SiemensNX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，Siemens NX在艇身的快速成功开发上起到了至关重要的作用。

图5  摩托艇艇身模具设计制造与实物

　　3.2 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1～2m;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、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6～图8所示为利用Siemens NX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6  铝合金高速发动机缸体

图7  发动机缸体压铸模具

图8  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SiemensNX的强大三维设计功能以及SiemensNX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9所示为压铸成型及利用SiemensNX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。Siemens NX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9  压铸铝合金发动机缸体

　　4 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156mm，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10所示。利用SIEMENS NX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10  高速摩托艇喷射式导管螺旋桨

　　4.1 螺旋桨计算流体水动力学分析

　　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计算流体力学模拟分析，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SIEMENS NX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Siemens NX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Siemens NX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11为螺旋桨6000r/min情况下，螺旋桨轴向、径向、旋转的流体速度分布。图12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13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11  轴向、径向、旋转的流体速度分布

图12  螺旋桨的流速、流量、压力分布图

图13  变形与应力强度分布图

　　4.2 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14所示为在Siemens NX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14  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15图所示为分别采用数控精密加工和铸造成型大批量生产后的螺旋桨实物，该螺旋桨经过5万公里的测试后完全满足使用要求。

图15  导管螺旋桨数控加工实物和铸造成型实物

　　5 消声器拉深成型模拟

　　如下图16所示的摩托艇发动机的消声器，采用的是两个半筒形薄壁铝合金壳体焊接成型，其半筒形壳体采用拉深成型。利用Siemens NX的板料冲压拉深成型模拟分析功能，如下图所示，对该筒形件的展开料和回弹进行了简要分析计算，提高了产品工艺的设计效率。如展开料计算方面，采用Siemens NX模拟计算的毛料直径为578.81mm，而采用经验公式计算的展开料直径为560.39mm。分析原因在于其底部的凸起，经过实际验证，Siemens NX的计算模拟是合理的，规避了经验公式无法解决局部区域展开料计算问题。

图16  消声器筒形件拉深成型模拟

　　结合拉深成型工艺特点，该产品总的拉深系数为0.5183;材料的相对厚度为0.8638。根据总的拉深系数和材料的相对厚度，对该无凸缘筒形件，不用压边圈拉深时，需要三次拉深才能满足工艺要求，三次拉深系数分别设置为0.75、0.85、0.813;每次拉深的直径分别为434.3、368.98、300;采用压边圈时至少需要两次拉深，两次拉深系数可在0.55～0.6，0.8～0.9之间选取。每次拉深的工件高度依据相应的经验公式进行计算，在此不进行描述。经过模拟仿真，其孔口直径存在1.3mm的回弹，利用SiemensNX的设计功能较好的完成了模具设计上的修配，经过验证有效的节省了后续工序修整的同时提高了产品的成型质量。

　　6 总结

　　Siemens NX作为一款高档的CADCAMCAE设计平台，功能丰富，使用方便。本文简略讲述了利用

Siemens NX开发高速摩托艇项目过程中，所涉及的产品逆向工程应用、产品设计与装配协调、模具工装设计与数控加工编程、板料成型模拟仿真等方面的功能应用。利用Siemens NX提供的强大的设计制造仿真一体化功能，极大的提高了产品的设计质量和研发效率，推动了企业的技术进步和制造平台的升级。

　　参考文献：

　　【1】UGNX5.0 Help

　　【2】夏巨葚等，材料成型工艺，机械工业出版社， 2005

　　【3】李建军等，机械工业出版社，模具设计基础及模具CAD， 2006

　　【4】黄乃瑜等，江西科学技术出版社，中国模具设计大典(第五卷)，2003