基于模型的三维产品设计解决方案
1. 设计分析业务挑战
传统的设计产品的分析都是需要把CAD 模型用通用格式如STEP，Parasolid，IGES 等
（也有购买CAD 软件的直接接口）从 CAD 软
设计工程师、工艺工程师通常只是对零部件（简
NX Durability，NX Optimization，NX Topology Optimization ，NX ESC，NX TMG，NX Motion － Recurdyn，NX Response Simulation，NX Laminate Composite，FE － Model Correlation，
FE － Model update 等提供了高速，高 精度的求解能力。
新 一 代 结 构 求 解 器NX Nastran 来 自 于 Nastran 将 Adina 非线性功能完全集成进来后，
扩展了传统Nastran 非线性分析的能力，为客 Nastran DMP RdMode 提供了具有专业加速软 件效率的并行算法，把基于模态叠加法的大规 Teamcenter 环境中直接对仿真数据与流程进 行管理，还可以利用HD-PLM 显示功能将各种 跟分析相关的信息（分析规范，流程规范，建 模规范等）直接标注在分析模型上，任何有权 限的用户可以直接从模型上获得该分析模型的 信息。Teamcenter 仿真管理模块是业界最产 品设计、制造、试验数据管理系统的一个自然 分析数据（As Analyse）,并与实际设计数据（As Design）和实际制造数据（As built）相匹配 和关联。
Teamcenter 仿真管理模块是基于模型的 设计分析应用管理的平台保证，因为是基于 Teamcenter 的，它可以利用 Teamcenter 的整 套功能，包括需求管理，项目和计划管理，文 件管理，CAE 模型与结果的 JT 轻量化等。因 此Teamcenter 仿真管理模块能够用于面向过 程的服务层级，它不仅能满足工程分析组级，
3. 价值体现
NX CAE 作为新一代的基于模型的设计分 析成熟解决方案，具有领先于市面其它CAE 工具的强大优势及给企业带来独有的价值，甚 至颠覆了传统CAE 分析的流程，把过去仿真 周期用月，用星期来计量，变成用天，用小时，
甚至用分钟来计量。
• 高端的设计分析一体化
NX 是目前全球唯一一家将高端 CAD 与高 端CAE 产品完全集成的产品，CAD 与 CAE 一 体化的重要好处是设计模型与分析模型同步关 联，设计变更后，CAE 模型可以自动捕捉到几 何模型的变化，而能够可控地自动更新。也就 是说更改设计或者重用以前的设计，有限元模 型不需要重新人工划分网格，这样能够快速获 得新的模型的分析结果，极大地减少了重复建 有限元模型的时间。
• 同步建模技术实现 CAD 模型来源的无 关性
同步建模技术，使得用户对读入任何来源 的CAD 模型，且能识别、编辑修改几何特征，
还对特征再参数化，从而实现CAD 软件的真 正无关性，读入的CAD 模型就象是 NX 自己 创建的几何模型一样。利用特征定义、几何特 征抑制、中曲面提取和装配等强大的模型抽象 工具直接处理几何模型，极大地简化了前处理 的工作量。同步建模技术非常容易掌握，不需 CAD 建模经验。
• 独有的装配有限元技术（AFEM）
NX 高级有限元前后处理器不仅能对 CAD 模型进行装配管理，还能对有限元模型按CAD 装配对有限元模型进行装配管理，这大大提高 了系统级多零件有限元模型的生成效率。对于 一个装配体可以由若干个分析人员同时并行地
对各个零件进行多种网格划分，然后直接进行 方便，NX Nastran 求解大量线性粘结问题不 影响计算速度，跟节点重合连接方式一样。线 列 sol 101，103 ，109，110，111，112 等 直接应用，这是线性结构分析中经常需要用到
针对动力响应分析，NX Nastran 开发了新的 RdMode 方式的并行计算技术，可以使得模态 法求解速度达到专业加速软件的效果。这是实 现设计分析融合，实时仿真的求解器速度保障。
基于模型的公差分析应用解决方案
（Variation Simulation Analysis，简称 VSA）
结合高精度计算机数控（Computer Numerical Control， 简 称 CNC） 加 工 和 检 测 手 段 以 及 生产过程中的智能统计过程控制（Statistical Process Control， 简 称 SPC） 技 术， 以 产 品 PMI 信息为单一信息源和连续载体，有效促使 MBE 中的数字化尺寸协调和管理技术迅速发 展并日益成熟。
2. 解决方案
尺 寸 管 理（Dimensional Management，
简称DM）是一种结合三维尺寸链仿真优化 和数字化检测分析两项关键技术进行产品开 发全过程质量控制的一种工程方法和手段，
通过偏差波动控制和“稳健设计”（Robust Design）来提升产品尺寸质量和降低生产成 键产品特性”（Key Product Characteristics，
简称KPC，如舱门和机身之间的阶差和缝隙），
的容差分析方法有若干种尺寸链公差叠加计 算，其缺点是手工计算繁杂、无法考虑三维空 间因素、计算结果准确度差（图71），而如 今先进的计算机辅助三维容差仿真分析技术
（Variation Simulation Analysis，简称 VSA）
通过仿真产品的制造和装配过程来预测产品的 尺寸质量和偏差源贡献因子，从而判断某一阶 段的PMI 设计是否能够满足尺寸设计要求并给 出可能的整改方案，很好地弥补了传统计算方 法的不足，有效地支持了设计面向制造和装配
（Design for Manufacturing and Assembly，
简称DFMA）理念在实际产品研制中的应用。 Characteristics，简称 KCC，如孔的尺寸公差）。
VATM的输入包括1）产品数据，如 3D 数模、
定位基准方案和公差标注（GD&T）、及材料
特性等；2）工艺数据，如 BOM（产品结构树
并严格根据GD&T 标准来仿真计算三维公差带 的VSA 软件，VATM软件由于其先进的算法和 功能性以及良好的使用性，在大型装备产品研 制中已得到了广泛深入的应用，譬如在飞机制 造中目前已存在的模型和分析应用包括飞机主 要装配件对接仿真分析（机身断面对接，机翼 与机身对接，驾驶舱，引擎安装对准，总装）、
空气动力学需求分析（门组件与周边外蒙皮间 的缝隙与阶差）、操控中的运动学系统分析（可 移动的飞行控制面，门板锁系统运转间隙，起 落架与轮胎功能及运转间隙）、子总成制造与 应力需求分析（装配顺序优化，局部互换性单 元安装，座椅运动轨道调节，机翼装配）、设 计与制造两个环节的成本平衡研究（零部件之 间的决定性装配和使用工装夹具装配的权衡、
门控系统与调节，机械系统调节）等。此外，
VATM软件还有两个非常显著的特点：一、其 模型是基于ISO 国际标准的轻量化三维数模 JT 格式，因此一方面具备多CAD 平台的兼容性，
另一方面则可以在普通个人电脑设备上快速仿 真运算诸如整个飞机的超大装配（图75）；二、
具备公差库插入功能，一方面可以实现尺寸模 型的快速自动更新，另一方面便于根据企业标 准和实践经验建立统一的公差库（图74），
积累形成核心的DM 知识。
案例说明：某公司一发动机原型样机在测 试过程中发现多例过渡震动问题，其中一例输
油管路磨损导致漏油起火。工程师们认为过渡 震动是由于机轴和机箱之间存在轴心差。轴承 的供应商同时也指出超过0.1mm 的轴心差会 导致轴承过早报废。通过VATM仿真分析发现 根据当前的设计方案每造八个发动机里就将会 有一个的轴心差超过0.1mm，该项指标不合 格率达12.5%，其中最大的贡献因子（40%）
是左机箱轴承座公差（图76）。工程师因此 作了三项建议：1）减小该公差，提高加工精度；
2）修改设计将轴承座孔作为装配的 B 基准；
或3）修改工艺设计，在装配完成后再对该孔 进行机加工。
此外，作为一个VSA 工具，VATM除了能 对装配过程进行公差仿真分析，还可以对零部 件机械切削加工过程中的功能定位基准、铸件 公差、和工位公差进行仿真验证，优化加工工 艺编排，定义加工过程中的检测方案和标准，
确保加工后的零部件尺寸满足设计要求。如对 图77 中加工过程仿真优化：工位 10，夹基准 Z 和 C，切削基准 Bz、R、和 N1，检测；工位 20，夹基准 R 和 Bz，切削基准 A1 和 E，检测；
工位30，夹基准 E 和 A1，切削基准 B1 和 N，
检测；工位40，夹基准 B1 和 N，切削基准 A 和C，检测。
3. 价值体现
由先进的VSA、CNC、和 SPC 技术所构成 的现代数字化尺寸管理（DM）是 MBE 技术框 架中的重要内容，有可能革命性地提升产品工 程和制造之间的紧密协同，并形成基于MBD 单一数据源的数字化尺寸协调闭环体系。这种 闭环体系将大大减少大型装备产品研制过程中 的工程设变、报废、和修配工作，从而提升制 造厂商的产品质量和经济效益，同时也会显著 减少大型装备制造中常见的研制周期的波动和 不可预见性，进而降低成本并缩短生产准备周 期。Tecnomatix VATM是目前市场上唯一能够 真正用三维几何特征来建模并严格根据GD&T 标准来仿真计算三维公差带的VSA 软件，其 业务价值主要为：
• 优化产品和工艺：VATM可以在产品开 发流程前期阶段就发现并解析潜在的 尺寸质量问题，指导产品和工艺的优 化工作，在制造实际零部件和工装之 前解决设计与装配工艺的缺陷。
• 识别关键尺寸：VATM可以通过仿真分 析来确认对产品质量有重要影响关键 尺寸链环节、公差、和装配工艺，帮 助制定合理的测量计划，确保后续质 保工作有针对性。
• 降低成本：VATM通过对产品质量的提 高和产品上市周期的缩短来降低成本。
另外，通过对关键产品特性公差的控 制，降低其它特征公差的要求还可降 低制造成本。同时对这些关键产品特 性的控制有助于最大限度地减少废品、
返工以及售后维修。
• 支 持 MBE 战 略：VATM 可 以 直 接 从 CAD 文件中提取数模和 GD&T 进行尺 寸建模，实现了PMI、三维数模和尺 寸模型的自动相关联，有效地支持了 MBD 技术框架和企业的 MBE 战略部 署。