UG NX軟件在輪胎三維模型設(shè)計中的應(yīng)用

梁文蘭，向宗義，汪旭波，姜張華

（貴州輪胎股份有限公司，貴州 貴陽 550008）

輪胎三維模型包括輪胎花紋三維模型和輪胎實體模型，其設(shè)計是輪胎研發(fā)過程中不可或缺的重要步驟[1-4]。輪胎花紋模型非常復(fù)雜，而UG NX軟件因與AutoCAD具有良好的接口、簡單的操作界面和強大的曲面模型功能，可提供強大的實體建模技術(shù)及高效能的曲面建模能力，能夠完美地再現(xiàn)復(fù)雜的輪胎三維模型，深受設(shè)計人員歡迎[5]。

本工作以12.00R20礦用輪胎為例，闡述UG NX軟件在輪胎花紋三維模型及實體模型設(shè)計中的應(yīng)用。

1 輪胎三維模型設(shè)計流程

輪胎三維模型設(shè)計流程如圖1所示。

圖1 輪胎三維模型設(shè)計流程

2 輪胎花紋平面圖處理

輪胎花紋三維建模前，需要在AutoCAD中處理好花紋展開圖以及胎側(cè)輪廓圖。首先，刪除所有的標(biāo)注、定位線、排氣孔和剖面圖等；其次，處理好的胎冠花紋線條和胎側(cè)輪廓線條必須是相切連續(xù)的（可通過建立面域來確認其在CAD中是否連續(xù)封閉）；最后將所有線條線型統(tǒng)一為實線，整理到一個圖層中，將該圖導(dǎo)出為12.00R20.dxf文件。

2.1 等節(jié)距花紋平面圖處理

取花紋圖一個完整節(jié)距進行等節(jié)距花紋處理，處理后的平面圖如圖2所示。其中胎側(cè)輪廓圖中胎冠中心點到輪胎圓心的距離為輪胎半徑，導(dǎo)出的.dxf文件不可以有中文路徑。

圖2 等節(jié)距花紋處理后的平面圖

2.2 變節(jié)距花紋平面圖處理

變節(jié)距花紋至少有2種不同的節(jié)距，按其排列組合可計算組合總數(shù)。如圖3所示，有M和N兩種不同節(jié)距的花紋，當(dāng)組合單元為M和N的半個節(jié)距時，可以形成4種節(jié)距組合，且組合有方向性，分別為1/2M＋1/2N節(jié)距，1/2N＋1/2M節(jié)距，1/2N＋1/2N節(jié)距和1/2M＋1/2M節(jié)距（如圖4所示）。變節(jié)距花紋平面圖的處理和三維模型方法與等節(jié)距花紋相同，本工作以等節(jié)距花紋為例介紹UG NX軟件在輪胎三維模型設(shè)計中的應(yīng)用。

圖3 變節(jié)距花紋的2種節(jié)距

圖4 節(jié)距組合示意

3 輪胎三維模型設(shè)計

3.1 輪胎花紋三維模型

輪胎花紋三維模型主要分為胎冠花紋曲面模型及胎肩花紋曲面模型兩部分。

3.1.1 導(dǎo)入花紋平面圖

新建HW.prt文件，此時處于建模界面，導(dǎo)入12.00R20.dxf文件，選擇XY界面，將胎側(cè)輪廓與花紋展開圖分別移動到圖層1和圖層2，將輪廓圖繞X軸旋轉(zhuǎn)90°至XZ界面，并將花紋所有線條由節(jié)距中心點移至胎冠中心點，此時花紋展開圖所在的基準(zhǔn)面垂直于胎側(cè)輪廓圖所在的基準(zhǔn)面。該步驟為關(guān)鍵步驟，選好基準(zhǔn)面和分圖層可使后續(xù)步驟順利進行[6]。

3.1.2 胎冠和胎肩花紋的曲面模型

首先，將胎側(cè)輪廓圖中的胎冠曲線連接成一條無節(jié)點的曲線，回轉(zhuǎn)生成胎冠曲面，將花紋曲線投影在胎冠曲面上，注意投影采用沿矢量XY軸等弧長的方式，等弧長投影時XY軸一一映射，以減少尺寸誤差（如圖5所示）。

圖5 花紋曲線的投影

其次，進行輪胎花紋溝及裝飾鋼片、排石釘?shù)鹊哪Ｐ汀；y溝的截面形狀有多種，一般分為角度深度型（花紋溝截面角度不變）、寬度深度型、單邊雙層型、雙層花紋型（如圖6所示）及其相互結(jié)合形成的截面形狀（如花紋溝截面角度連續(xù)變化、花紋溝處于胎面的轉(zhuǎn)角位置以及花紋曲線曲率變化大等多種情況）。

圖6 花紋溝截面形狀示意

對于角度深度型花紋溝，其側(cè)面曲面可以使用規(guī)律延伸命令生成，再與花紋溝底曲面倒圓一并進行側(cè)面片體修剪。對于寬度深度型花紋溝，把對應(yīng)的花紋溝寬曲線投影到相應(yīng)的花紋溝底曲面上，再結(jié)合投影在花紋胎冠曲面上的花紋溝曲線，通過曲線網(wǎng)格構(gòu)造花紋溝側(cè)面曲面。對于截面角度連續(xù)變化的花紋溝，利用規(guī)律延伸到參考面按角度要求生成曲面，并在參考位置抽取截面線，運用掃描命令以在胎冠曲面上投影的花紋曲線為引導(dǎo)線生成花紋溝的側(cè)面曲面。對于處于轉(zhuǎn)角位置的花紋溝，可先按照前面方法生成曲面片體，因曲面片體會有間隙或者錯位情況，需要先用橋接曲線命令對這些部位進行處理，得到過渡連接曲線，再運用曲線網(wǎng)格工具得到過渡曲面。對于花紋曲線曲率變化大的花紋溝，同樣運用上述方法，在曲率變化大的部位兩側(cè)生成花紋溝側(cè)面，并抽取兩側(cè)花紋溝的截面曲線，運用橋接曲線命令生成過渡曲面[7]。

同理，輪胎胎肩花紋也需要結(jié)合運用規(guī)律延伸、橋接曲線、掃描、面倒圓、修剪片體等命令生成。本工作所提取的輪胎花紋節(jié)距模型如圖7所示。

圖7 輪胎花紋節(jié)距模型

輪胎花紋三維模型設(shè)計是一個交互的過程，需要不斷測量花紋溝截面角度以及分析溝底倒圓的合理性，經(jīng)過不斷地推敲和試驗，才能滿足設(shè)計要求。

3.2 輪胎實體模型及渲染處理

由上述方法得到一個完整的花紋節(jié)距，運用移動對象命令根據(jù)3點旋轉(zhuǎn)將此花紋節(jié)距按照設(shè)計要求在胎冠上進行整周排列；再使用回轉(zhuǎn)命令將輪胎胎側(cè)輪廓線旋轉(zhuǎn)得到胎側(cè)輪廓曲面；最后將所有花紋節(jié)距曲面及胎側(cè)輪廓曲面進行布爾運算并縫合（縫合時要注意合理調(diào)整公差），方可得到輪胎實體模型。

為了得到理想的輪胎設(shè)計效果圖，首先運用真實藝術(shù)外觀任務(wù)，對輪胎實體模型進行賦材質(zhì)、打燈光、背景設(shè)置等控制。再使用高質(zhì)量圖像命令，設(shè)置圖片大小和分辨率，選擇光線追蹤或者照片般逼真選項，可以生成逼真的輪胎設(shè)計效果圖（如圖8所示）。

圖8 輪胎設(shè)計效果圖

3.3 效果分析

使用UG NX軟件進行輪胎三維模型設(shè)計有如下優(yōu)點：

（1）可以無縫連接模具廠家，及早發(fā)現(xiàn)二維設(shè)計圖紙中存在的問題，縮短設(shè)計時間，節(jié)省費用，而且UG NX設(shè)計的輪胎三維實體模型可以直接用于模具加工，提高了設(shè)計效率；

（2）輪胎三維模型能夠直觀形象地表達設(shè)計意圖，降低輪胎設(shè)計風(fēng)險，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期；

（3）可為配套廠家及時提供輪胎三維模型，使之應(yīng)用于車輛設(shè)計裝配和運動仿真等方面，加強交流合作。

4 結(jié)語

本工作采用UG NX軟件進行了輪胎模型設(shè)計，通過常用特征命令（如旋轉(zhuǎn)對象、規(guī)律延伸、掃略、修剪片體、面倒圓等）可以生成輪胎花紋三維模型和輪胎實體模型，快速建立輪胎三維設(shè)計模型。該方法可有效、準(zhǔn)確地表達輪胎設(shè)計概念，降低輪胎設(shè)計風(fēng)險，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，具有良好的應(yīng)用效果。