Siemens PLM Sortware征文：基于NX的客车车身结构CAD/CAE一体化设计技术

    1前言
    近年来，我国部分大中型客车企业通过与国外合资、技术引进等方式，客车产品整体技术水平有了显著提高，车身结构从半承载式向全承载式发展。但同时还有一些不尽人意的地方,如：开发周期虽有所缩短，但与国外发达国家相比仍有较大差距。开发工作主要还是依赖经验和解剖进口客车的结构进行类比设计,较少采用三维参数化设计、结构动态分析、结构优化等现代设计和分析方法，导致整车组装生产重量过大，材料浪费，强度刚度分布不均，局部薄弱易发生疲劳断裂等问题。随着科技的不断进步，产品的更新速度日益加快，产品设计的广度和深度在不断地扩大与提高，单一地采用二维绘图的传统设计方式已不能完全适应产品开发需要。三维CAD系统具有可视化好、形象直观、设计效率高以及能为企业数字化的各类应用环节提供完整的设计、分析、工艺、制造信息等优势，使其取代传统的纯二维CAD系统已成为历史发展的必然。
    NX是SIEMENS PLM SOFTWARE推出的产品开发软件，其强大的三维建模功能、CAD/CAE/CAM一体化以及友好的风格界面使其在同类产品的竞争中取得了领先地位。
    为了提高产品设计水平和质量、降低生产成本及缩短设计周期，采用NX对客车车身进行开发。在客车车身CAD/CAE一体化设计中，根据TBS理论实现整车骨架零部件的三维参数化建模与装配，在三维参数化模型的基础上完成车身结构有限元分析及结构优化设计，根据优化结果修正三维模型，最后实现车身骨架二维绘图。设计流程以快速、流畅、准确为基本原则，在NX系统中通过必要地二次开发加以实现。

    2现代客车车身设计的基本流程及存在问题
    客车车身具有规则的厢形形状，根据承载类型可分为非承载式、半承载式、有底架承载式及全承载式车身。全承载式车身骨架是由异型管和型钢焊接而成的空间薄壁杆系结构，具有安全、质轻、适用性广、设计准确性高等优点，是客车车身结构发展的主要趋势。限于篇幅，本文以全承载公交客车车身设计为例。现代客车车身设计的基本流程可用图1来表示，首先，设计人员根据市场或客户需求以及相关的设计规范对新车型的外观进行设计。在产品外观及规格的限定下，对车身骨架总成进行布置，并完成零部件的三维参数化设计。通过有限元分析来验证初始设计模型的可靠性与经济性，若产品满足强度、刚度、耐久性及轻量化等各项要求，则对其绘制二维图，转由工人进行组装焊接，设计结束；否则须对产品进行优化设计，根据优化计算结果来调整设计变量。
    现代客车车身设计与传统单一的二维制图模式相比有着巨大的优势，但同时也存在着一些困难。首先，市场竞争日益激烈，导致产品开发周期大为缩短，而客车车身骨架结构复杂，零部件数目众多，一般多达数千个。如何在短时间内构建车身骨架的三维参数化模型是必须要克服的问题。第二，车身结构进行有限元分析时，由于硬件条件及时间成本的限制，需对三维模型进行简化。简化模型若处理不当，易导致与三维模型失去参数的关联，从而对结构的优化设计以及重分析造成困难。第三，大型装配结构进行二维制图时，由于零部件数目众多，且三维部件尺寸与二维图纸大量关联，导致视图更新缓慢，从而影响了设计效率与流畅性。