Siemens PLM Sortware征文：NX Vibration Wizard在UAES研发中的应用

    1前言
   
    联合汽车电子有限公司（简称UAES）是中联汽车电子有限公司和德国罗伯特o博世有限公司在中国的合资企业。公司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、经济的EMS产品及其零部件。
   
    2 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。一方面我们要通过建立"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，可以把产品研发分为三个层次，见图1：
    

    
    一、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，在此就不作详述了。
    二、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的出图和修改。
    三、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可以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，也是我们UAES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，之间需要沟通和谐调，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，我们转变了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，我们有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，我们称之为"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、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。我们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，我们希望不要用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的完成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"，我们使用了UGS NX Simulation Wizard，产品研发工程师的工作平台不用改变；在"创新领域"，我们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，也不至于浪费过去的巨额CAE软件投入。
   
    3 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，UGS 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，我们尚未深入使用NX的CAE分析功能。我们目前仅仅利用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。
   
    3.1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，每次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、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。整个过程通常有1~2周，而CAE工程师真正花费的工作量可能只有不到10个小时。在此期间，往往项目还会有些新的进展，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UGS的技术支持下，我们尝试了"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。
   
    3.2技术路线：
   
    NX的"NX Vibration Wizard"用的求解器是NX Nastran，而我们传统的模态分析求解器是MSC.Nastran，两者有很多地方是近似的，因此我们汲取现有的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：
   
    ·界面。利用"NX Vibration Wizard"本身有的界面框架。找到"vibration_wizard.xml"文件，找到"<Label>"段，直接修改提示文字即可。
    ·求解器。"NX Vibration Wizard"用的是103求解器，与我们MSC.Nastran用的一样，可以直接互相参考。
    ·单元："NX Vibration Wizard"自动生成的是10节点的CTETRA单元。我们用传统的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，我们已经相当满意了。
    ·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、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、燃油等。为了简化处理，我们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。
    ·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。而我们的KSZ是由几个零件焊接在一起的。在传统CAE分析中，我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，我们作了一些折衷，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30秒的时间，就可以回避一个较为复杂的CAE问题。