Siemens PLM Sortware征文：基于UG和ANSYS的某无人机机体模具协同设计

【摘要】利用UG强大的建模功能和ANSYS的多物理场耦合分析特点，充分考虑了某无人机机体模具在固化过程中重力场、温度场及抽真空压力的耦合作用，分析了机体模具的设计方案；基于UG和ANSYS的协同技术，确定模具设计。实践表明，应用此模具生产的无人机机体满足气动外形要求。

1、前言

Unigraphics NX 是一个全三维、双精度的造型系统^[1]。它具有便捷的复杂曲面设计功能^[2]，几乎能够精确地描述任何几何形体，尤其适合对复杂模具的设计。ANSYS是一款具有多物理场功能的CAE分析软件^[3]，具有与所有流行CAD软件的双向接口，能实现和CAD软件之间完全无缝连接。尽管ANSYS也带有自建模功能，但是这个建模功能不是很强，只能处里一些相对简单的模型；另一方面，虽然NX也具有一些有限元分析功能，但其真正的特点是三维造型，多物理场分析功能还不是很强。而WORKBENCH是ANSYS的一个成熟的多物理场协同CAE仿真平台，用户在安装了ANSYS WORKBENCH后，就能在Unigraphics NX界面上看到ANSYS软件插件DesignSpace，从而可以直接把UG模型直接转化为ANSYS分析模型。这种机制，使得CAD模型和CAE双向驱动，可以做到在UG里面进行设计造型，在ANSYS软件里面进行有限元分析。本文基于UG和ANSYS的协同设计与仿真技术，正是综合运用这两种软件的优点，充分发挥UG造型功能强和ANSYS分析功能好的特点，实现设计、仿真分析和试验的协同和管理，完成CAD和CAE等软硬件及数据资源的整合。

    某亚音速无人机机体通过模具固化而成。在低数下，机身阻力的主要部分是由摩擦阻力组成^[4]，因此，模具模腔表面质量好坏直接关系到机体气动性能的好坏。由于NX是UGS新一代数字化产品开发系统，它可以通过过程变更来驱动产品的革新^[5]，在NX的知识工程工具的支持下，对机体模具进行创新设计；然后，点击DesignSpace菜单，进入WORKBENCH环境，对模具进行多物理场分析。通过NX和ANSYS的数据双向驱动，实现机体模具造型、分析的协同，有效提高设计效率和分析质量。

2、模具分析

2.1基于UG的机体模具方案设计

根据无人机总体尺寸及气动要求，在UG NX2软件中设计其机体模具。由于机身是飞机阻力的主要来源，机身气动外形要满足气动要求。机体是由模具固化生产，模腔表面光洁度要求较高，并且整个模具要有一定的刚度。在设计时，不仅要考虑模具的分型面等工艺因素，还要考虑模腔表面质量、生产效率等要求。基于此，可以充分运用UG NX2软件强大的曲面造型、特征造型技术，实现机体模具的参数化及复合建模。

    为了提高模具设计精度，应忠于二维设计。对于模具型腔表面的建模，利用UG NX2的曲面造型技术时，应选择正确合适的导引线、脊线和截面线。模具内腔同机体外形联系紧密，由基体减去机体数模而成。机身数模建立步骤：首先在NX界面下，应用点的命令“InsertCurvePoint…”，将零件二维图中机身界面上的数据用点的形式表述出来；然后应用曲线命令“InsertCurveSpline”，使每一个界面上的点连接成线，最后选择“InsertFree From FeatureSwept”扫掠命令，通过描绘出的一系列机身界面线，生成机身三维实体。在这个过程中，利用UG NX2强大的自有曲面造型功能，能够准确、快速建立机身模型。

    以机体中段为分析对象，设计了两种方案：方案一机体模具高大约为，方案二机体模具高大约为。模具高度的不同是通过增加肋板等来达到，其它情况一致。因此，可以利用NX的特征造型功能，如用不同高度的长方体来作为两种方案的模具的基体，再把基体减去上面应用自有曲面造型生成的机体外形实体，就生成了模具腔体，选择UG NX2命令为“Insert Feature OperationSubtract”。

另一方面，由于UG NX2的基于特征的造型功能如扫描特征何成形特征，机体模具肋板、减轻孔、减轻槽及加强筋等特征可以方便的建立。而且基于UG NX2软件的参考特征及特征操作功能，对于模具的细节，如倒角等等，都可以很准确建立。模具三维模型分别如图1和图2所示。

基于UG NX2的机体模具三维参数化设计，可以实时、并行地修改设计方案。在模具方案优选过程中，通过二维图纸的修改，如修改截面线，从而使模腔形状更好地符合机体气动要求。

2.2基于ANSYS的机体模具分析

2.2.1模具加热数学模型

机体是固化成型，通过模具在加热炉内加热，属非稳态传热，涉及到传导、对流和辐射。在本分析中，以模具为对象可建立模具加热数学模型。

控制方程：（1）

初始条件：（2）

边界条件：模具在加热炉内加热，一方面与炉气、炉墙之间发生热辐射；另一方面，与炉气发生热对流，在本分析中对流是主要矛盾。综合考虑模具受热情况，有：

（3）

式中：、、——分别为模具的密度、比热和导热系数；这些物理参数都与温度有关；——模具的瞬态温度；——为综合换热系数，包括对流和辐射；

——炉气温度；——模具表面温度；——加热时间。

2.2.2机体模具多物理场分析

通过参数驱动，把NX中模具三维图转化为ANSYS分析模型，直接划分网格，形成有限元模型，分别如图3和图4所示。