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(yáng) 550008）

輪胎三維模型包括輪胎花紋三維模型和輪胎實(shí)體模型，其設(shè)計(jì)是輪胎研發(fā)過(guò)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(jiǎn)單的操作界面和強(qiáng)大的曲面模型功能，可提供強(qiáng)大的實(shí)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(jì)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(shí)體模型設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。

1 輪胎三維模型設(shè)計(jì)流程

輪胎三維模型設(shè)計(jì)流程如圖1所示。

圖1 輪胎三維模型設(shè)計(jì)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(kāi)圖以及胎側(cè)輪廓圖。首先，刪除所有的標(biāo)注、定位線(xiàn)、排氣孔和剖面圖等；其次，處理好的胎冠花紋線(xiàn)條和胎側(cè)輪廓線(xiàn)條必須是相切連續(xù)的（可通過(guò)建立面域來(lái)確認(rèn)其在CAD中是否連續(xù)封閉）；最后將所有線(xiàn)條線(xiàn)型統(tǒng)一為實(shí)線(xiàn)，整理到一個(gè)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(gè)完整節(jié)距進(jìn)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(diǎn)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(jì)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(gè)節(jié)距時(shí)，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(jì)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(jì)

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(shí)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(kāi)圖分別移動(dòng)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(xiàn)條由節(jié)距中心點(diǎn)移至胎冠中心點(diǎn)，此時(shí)花紋展開(kāi)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(jìn)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(xiàn)連接成一條無(wú)節(jié)點(diǎn)的曲線(xiàn)，回轉(zhuǎn)生成胎冠曲面，將花紋曲線(xiàn)投影在胎冠曲面上，注意投影采用沿矢量XY軸等弧長(zhǎng)的方式，等弧長(zhǎng)投影時(shí)XY軸一一映射，以減少尺寸誤差（如圖5所示）。

圖5 花紋曲線(xiàn)的投影

其次，進(jìn)行輪胎花紋溝及裝飾鋼片、排石釘?shù)鹊哪Ｐ?。花紋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(xiàn)曲率變化大等多種情況）。

圖6 花紋溝截面形狀示意

對(duì)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(jìn)行側(cè)面片體修剪。對(duì)于寬度深度型花紋溝，把對(duì)應(yīng)的花紋溝寬曲線(xiàn)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(xiàn)，通過(guò)曲線(xiàn)網(wǎng)格構(gòu)造花紋溝側(cè)面曲面。對(duì)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(xiàn)，運(yùn)用掃描命令以在胎冠曲面上投影的花紋曲線(xiàn)為引導(dǎo)線(xiàn)生成花紋溝的側(cè)面曲面。對(duì)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(huì)有間隙或者錯(cuò)位情況，需要先用橋接曲線(xiàn)命令對(duì)這些部位進(jìn)行處理，得到過(guò)渡連接曲線(xiàn)，再運(yùn)用曲線(xiàn)網(wǎng)格工具得到過(guò)渡曲面。對(duì)于花紋曲線(xiàn)曲率變化大的花紋溝，同樣運(yùn)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(xiàn)，運(yùn)用橋接曲線(xiàn)命令生成過(guò)渡曲面[7]。

同理，輪胎胎肩花紋也需要結(jié)合運(yùn)用規(guī)律延伸、橋接曲線(xiàn)、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(jì)是一個(gè)交互的過(guò)程，需要不斷測(cè)量花紋溝截面角度以及分析溝底倒圓的合理性，經(jīng)過(guò)不斷地推敲和試驗(yàn)，才能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

3.2 輪胎實(shí)體模型及渲染處理

由上述方法得到一個(gè)完整的花紋節(jié)距，運(yùn)用移動(dòng)對(duì)象命令根據(jù)3點(diǎn)旋轉(zhuǎn)將此花紋節(jié)距按照設(shè)計(jì)要求在胎冠上進(jìn)行整周排列；再使用回轉(zhuǎn)命令將輪胎胎側(cè)輪廓線(xiàn)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(jìn)行布爾運(yùn)算并縫合（縫合時(shí)要注意合理調(diào)整公差），方可得到輪胎實(shí)體模型。

為了得到理想的輪胎設(shè)計(jì)效果圖，首先運(yùn)用真實(shí)藝術(shù)外觀任務(wù)，對(duì)輪胎實(shí)體模型進(jìn)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(xiàn)追蹤或者照片般逼真選項(xiàng)，可以生成逼真的輪胎設(shè)計(jì)效果圖（如圖8所示）。

圖8 輪胎設(shè)計(jì)效果圖

3.3 效果分析

使用UG NX軟件進(jìn)行輪胎三維模型設(shè)計(jì)有如下優(yōu)點(diǎn)：

（1）可以無(wú)縫連接模具廠家，及早發(fā)現(xiàn)二維設(shè)計(jì)圖紙中存在的問(wèn)題，縮短設(shè)計(jì)時(shí)間，節(jié)省費(fèi)用，而且UG NX設(shè)計(jì)的輪胎三維實(shí)體模型可以直接用于模具加工，提高了設(shè)計(jì)效率；

（2）輪胎三維模型能夠直觀形象地表達(dá)設(shè)計(jì)意圖，降低輪胎設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)，縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期；

（3）可為配套廠家及時(shí)提供輪胎三維模型，使之應(yīng)用于車(chē)輛設(shè)計(jì)裝配和運(yùn)動(dòng)仿真等方面，加強(qiáng)交流合作。

4 結(jié)語(yǔ)

本工作采用UG NX軟件進(jìn)行了輪胎模型設(shè)計(jì)，通過(guò)常用特征命令（如旋轉(zhuǎn)對(duì)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(shí)體模型，快速建立輪胎三維設(shè)計(jì)模型。該方法可有效、準(zhǔn)確地表達(dá)輪胎設(shè)計(jì)概念，降低輪胎設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)，縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期，具有良好的應(yīng)用效果。