牛長冬

(中國電子科技集團(tuán)公司第十八研究所，天津300384)

UG/WAVE技術(shù)在鋁氧化銀電堆結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用

牛長冬

(中國電子科技集團(tuán)公司第十八研究所，天津300384)

鋁氧化銀電堆雙極性堆式結(jié)構(gòu)復(fù)雜，關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)較多，采用傳統(tǒng)自底向上的設(shè)計方法已無法滿足其設(shè)計要求。介紹了UG/WAVE技術(shù)及其自頂向下的建模方法，研究了某型號鋁氧化銀電堆雙極性堆式結(jié)構(gòu)設(shè)計以及裝配夾具設(shè)計的WAVE技術(shù)。采用WAVE設(shè)計思想和方法，可以有效地解決雙極性堆式結(jié)構(gòu)之間的相互關(guān)系，以及裝配夾具與電堆結(jié)構(gòu)之間的配合關(guān)系，提高了設(shè)計的效率，縮短了設(shè)計周期，使并行工程的優(yōu)勢得到充分的發(fā)揮。

WAVE；自頂向下設(shè)計；結(jié)構(gòu)設(shè)計

隨著世界各國潛艇和水面艦艇性能的大為改善，各種抗魚雷技術(shù)(誘騙、干擾和迷惑)的進(jìn)步，魚雷命中的難度越來越大，伴隨著攻擊對象航速有了較大的提高，魚雷也必然向著高航速、遠(yuǎn)航程、高性能的方向發(fā)展。影響電動魚雷性能的關(guān)鍵是電源，目前，鋁/氧化銀電源的理論能量密度為1 090 Wh/kg[1]，適合于大電流放電，比能量高，比功率高?，F(xiàn)役法國的“海鱔”，歐洲的MU90魚雷和“黑鯊”等均采用了該種電源。

鋁氧化銀電源主要由輔助系統(tǒng)和電堆兩部分組成，輔助系統(tǒng)用以控制激活電堆和維持電堆正常放電，電堆則負(fù)責(zé)對外輸出能量。鋁氧化銀電堆內(nèi)部是由若干雙極性平板串聯(lián)而成，其外部結(jié)構(gòu)表現(xiàn)就是雙極性堆式結(jié)構(gòu)樣式。其本體結(jié)構(gòu)設(shè)計往往需要根據(jù)總體要求、實驗放電結(jié)果要求以及輔助系統(tǒng)要求來進(jìn)行相應(yīng)的變更，這種變更必然會影響自身零部件和裝配夾具的設(shè)計，而傳統(tǒng)的自底向上設(shè)計方法只能逐個更改每一個零部件結(jié)構(gòu)，這樣必然造成效率低下、設(shè)計周期長等弊端。如何能在設(shè)計當(dāng)中快速解決這些問題，實現(xiàn)電堆結(jié)構(gòu)和裝配夾具的并行設(shè)計，本文采用最新的UG/WAVE技術(shù)對鋁氧化銀電堆堆式結(jié)構(gòu)設(shè)計和裝配夾具設(shè)計展開應(yīng)用性研究。

1 UG/WAVE技術(shù)簡介及功能特點

WAVE(What-if Alternative Value Engineering)是美國UGS公司在其核心產(chǎn)品Unigraphics(簡稱UG)上進(jìn)行的一項軟件開發(fā)，是一種實現(xiàn)產(chǎn)品裝配的各組件間關(guān)聯(lián)建模的技術(shù)。它是在概念設(shè)計與最終產(chǎn)品及夾具之間建立一種相關(guān)聯(lián)的設(shè)計方法，能對復(fù)雜產(chǎn)品的總裝配設(shè)計、相關(guān)零部件和夾具設(shè)計進(jìn)行有效控制。總體設(shè)計可以嚴(yán)格控制總裝配體和次級裝配體及零部件的關(guān)鍵尺寸，而無需考慮細(xì)節(jié)設(shè)計；而零部件的細(xì)節(jié)設(shè)計對總體設(shè)計沒有影響，并無權(quán)改變總體設(shè)計的關(guān)鍵尺寸。因此，在主模型完成總體設(shè)計之后，次級裝配體及零部件、夾具可由設(shè)計團(tuán)隊中不同的人完成，實現(xiàn)了并行工程(Concurrent engineering)。當(dāng)總體設(shè)計的關(guān)鍵尺寸修改后，次級裝配體、零部件以及夾具的設(shè)計自動更新，從而避免了零部件重復(fù)設(shè)計的浪費，使得后續(xù)零部件的細(xì)節(jié)設(shè)計得到有效管理和再利用，大大縮短了產(chǎn)品的開發(fā)周期，提高了企業(yè)的市場競爭力。

其主要應(yīng)用模式有以下三種。

1.1 關(guān)聯(lián)零件間建模

關(guān)聯(lián)零件間建模是WAVE最基本的功能。在一個裝配中，利用已有的零件，通過關(guān)聯(lián)性復(fù)制幾何體的方法建立另一個零件或在另一個零件上建立特征，維護(hù)了設(shè)計的一致性和完整性。

1.2 自頂向下的產(chǎn)品建模

通過在裝配中建立產(chǎn)品的總體參數(shù)，并將控制幾何對象關(guān)聯(lián)性復(fù)制到相關(guān)零件，使組件的裝配位置和精度得到嚴(yán)格的技術(shù)保證。當(dāng)產(chǎn)品的幾何對象修改后，相關(guān)組件的細(xì)節(jié)設(shè)計自動更新，顯著縮短設(shè)計周期，避免重復(fù)設(shè)計。

1.3 WAVE控制結(jié)構(gòu)

使用控制結(jié)構(gòu)方法，可以將產(chǎn)品總體設(shè)計和零件設(shè)計分離出來，形成各自獨立的裝配結(jié)構(gòu)，以滿足總體控制結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)設(shè)計的不同需要。

WAVE基本工作流程如圖1所示[2]。

圖1 WAVE基本工作流程

2 鋁氧化銀電堆堆式結(jié)構(gòu)的設(shè)計與實際裝配分析

鋁氧化銀電堆堆式結(jié)構(gòu)是由正極、負(fù)極、隔膜粒、進(jìn)出口分液板、正負(fù)集流板、正負(fù)端板、正負(fù)引出極柱、套筒、拉桿和輔助系統(tǒng)管道等零部件組成。其實際裝配工藝為先將隔膜粒遷移至負(fù)極，與分液板粘接組成負(fù)極組件，再與正極粘接組成雙極性平板，若干個雙極性平板粘接疊加后組成雙極性模塊，若干個雙極性模塊與帶有集流板的端板粘接即為電堆的堆式結(jié)構(gòu)，然后拉上拉桿，最后與套筒進(jìn)行密封膠封裝成電堆。整個裝配過程必須由裝配夾具來實現(xiàn)，一旦電堆的整體設(shè)計發(fā)生更改，那么裝配夾具必須更改。傳統(tǒng)設(shè)計方法是指設(shè)計人員先設(shè)計單個電堆零部件，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行虛擬裝配生成電堆結(jié)構(gòu)，即自底向上設(shè)計方法。這種設(shè)計方法建模虛擬裝配時需要設(shè)計人員交互給定各零部件之間的配合約束關(guān)系，最后由系統(tǒng)自動計算零部件的轉(zhuǎn)移矩陣。然而，給定零部件之間的配合約束關(guān)系不僅費事，并且當(dāng)零部件之間的配合較多或者設(shè)計有誤時，容易出現(xiàn)約束不當(dāng)或約束出錯等情況。而且由于鋁氧化銀電堆堆式結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，其結(jié)構(gòu)設(shè)計往往需要根據(jù)總體要求、實驗放電結(jié)果的相關(guān)數(shù)據(jù)要求以及輔助系統(tǒng)要求做一些變更，一旦上述要求發(fā)生變更或者設(shè)計不合理，就要對其進(jìn)行重新設(shè)計，相關(guān)零部件也需要進(jìn)行更改，并需要重新虛擬裝配，同時實際裝配需要的夾具也需要更新，這必然需要耗費大量時間和精力，設(shè)計周期必將加大，所以傳統(tǒng)的設(shè)計方法已經(jīng)無法跟上技術(shù)產(chǎn)業(yè)革新的步伐。而利用UG/WAVE技術(shù)，設(shè)計人員只需要根據(jù)要求來識別驅(qū)動其產(chǎn)品設(shè)計一些關(guān)鍵尺寸，并將這些關(guān)鍵尺寸進(jìn)行關(guān)聯(lián)復(fù)制，當(dāng)設(shè)計的關(guān)鍵尺寸發(fā)生變更后，其相關(guān)零部件的設(shè)計也會自動更新，并且不存在整體結(jié)構(gòu)干涉現(xiàn)象發(fā)生，同時裝配夾具的設(shè)計也會自動更新，因此這種技術(shù)方法對于復(fù)雜的鋁氧化銀電池電堆堆式結(jié)構(gòu)來說，不僅是目前最佳的設(shè)計手段，而且也是最新穎的設(shè)計理念。

3 UG/WAVE技術(shù)在電堆堆式結(jié)構(gòu)設(shè)計上的應(yīng)用

產(chǎn)品的設(shè)計是一個漸進(jìn)的過程，一般經(jīng)過概念設(shè)計、參數(shù)化設(shè)計和詳細(xì)設(shè)計三個階段。這種漸進(jìn)式的設(shè)計過程，就是自頂向下設(shè)計[3]，如圖2所示。

圖2 自頂向下設(shè)計過程

鋁氧化銀電堆堆式結(jié)構(gòu)就是基于UG/WAVE技術(shù)自頂向下的設(shè)計思路建立的模型。該結(jié)構(gòu)均為自行設(shè)計，并使用電子表格和表達(dá)式控制模型的數(shù)量、關(guān)鍵尺寸和裝配尺寸，使得整個堆式結(jié)構(gòu)模型與裝配能得到有效的控制。其設(shè)計流程如下：

首先根據(jù)總體技術(shù)指標(biāo)要求確定正負(fù)極的尺寸、質(zhì)量和數(shù)量，在明確這些參數(shù)之后，首先要建立頂級部件，其中包括基準(zhǔn)面、基準(zhǔn)軸、草圖、關(guān)鍵點等，這些幾何元素要被準(zhǔn)確控制，并且易于修改。頂級部件包含最基礎(chǔ)的產(chǎn)品參數(shù)，如電堆高度、直徑等幾何參數(shù)與輔助系統(tǒng)預(yù)留管道、溫控閥、分離器等等裝配尺寸。頂級部件使用電子表格建立表達(dá)式控制產(chǎn)品數(shù)量、幾何尺寸與裝配尺寸，這些表達(dá)式可以有效地控制電堆形狀。

建立完頂級部件后，使用WAVE模式創(chuàng)建下一級部件建立起始部件分液板，將基準(zhǔn)面、邊、線、草圖、關(guān)鍵點添加到新構(gòu)件中，創(chuàng)建分液板實體模型。此時分液板與正負(fù)極組成雙極性平板，利用數(shù)量完成堆式結(jié)構(gòu)的建立。然后繼續(xù)使用WAVE模式創(chuàng)建下一級部件建立模型部件集流板，以此類推。其設(shè)計流程圖如圖3所示。

圖3 電堆堆式結(jié)構(gòu)設(shè)計流程圖

以端板為例，如圖4所示，建立端板的方法是：首先將分液板下表面關(guān)聯(lián)性復(fù)制到正端板，再拉伸即可生成端板部分結(jié)構(gòu)。因此，使用WAVE方法使得建模更加方便快捷，另外，當(dāng)分液板的尺寸、相應(yīng)表面孔的大小位置改變時，端板部分結(jié)構(gòu)會自動更新，從而保證了兩個零件參數(shù)的全相關(guān)，而且不會影響端板的其它結(jié)構(gòu)設(shè)計。

圖4 建立端板結(jié)構(gòu)

4 UG/WAVE技術(shù)在電堆裝配夾具設(shè)計中的應(yīng)用

鋁氧化銀電堆結(jié)構(gòu)裝配主要分為負(fù)極組件裝配、雙極性平板裝配、模塊裝配、總裝配、灌封以及密封檢驗等幾個環(huán)節(jié)。每個環(huán)節(jié)都需要相同或者不同的裝配夾具來實現(xiàn)。其中以負(fù)極組件的裝配尤為重要，其每個零部件(包括進(jìn)口分液板、出口分液板以及負(fù)極三部分)均需要定位。由于后續(xù)的雙電極平板裝配、模塊裝配和總裝配也都需要該定位來實現(xiàn)，所以可以設(shè)計一套裝配夾具來滿足不同的使用功能。下面以該裝配夾具單元的設(shè)計來說明WAVE技術(shù)的應(yīng)用。

(1)在UG建模模塊中利用自頂向下方法建立負(fù)極組件夾具裝配目錄。

(2)利用WAVE技術(shù)把電堆結(jié)構(gòu)設(shè)計三維建模中的分液板和負(fù)極裝配數(shù)據(jù)鏈接到相應(yīng)的負(fù)極組件裝配夾具單元中，在進(jìn)行定位結(jié)構(gòu)的設(shè)計中，可以從分液板直接把孔的位置WAVE到定位下支架零件中，作為分液板定位銷的裝配基準(zhǔn)。

(3)再利用WAVE把負(fù)極的邊緣數(shù)據(jù)鏈接到到負(fù)極定位零件中，對負(fù)極定位進(jìn)行細(xì)節(jié)設(shè)計，完成負(fù)極組件定位裝配功能。

(4)在模塊裝配中，要求實現(xiàn)正負(fù)極絕緣可測試性和高度一致性功能，把虛擬裝配好的雙電極模塊WAVE到裝配夾具中，作為裝配夾具高度基準(zhǔn)，并關(guān)聯(lián)復(fù)制定位支架，設(shè)計上支架，二者之間加高度基準(zhǔn)塊來保證高度一致性要求，同時利用負(fù)極邊緣某一位置在上下支架上設(shè)計結(jié)構(gòu)實現(xiàn)絕緣的可測試性。

(5)利用WAVE將負(fù)極組件上分液板的流道孔關(guān)聯(lián)復(fù)制到上定位支架，拉伸成孔，實現(xiàn)總裝配的功能目標(biāo)。

在進(jìn)行裝配夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計中，由于所有裝配夾具的關(guān)鍵尺寸均由電堆尺寸WAVE而來，那么如果電堆的設(shè)計結(jié)構(gòu)有更改，其夾具也會隨之自動更新，也可以隨時在裝配夾具結(jié)構(gòu)中設(shè)置諸如此類的細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計，后續(xù)的結(jié)構(gòu)設(shè)計也會自動更新，極大地提高了設(shè)計效率。

5 結(jié)論

鋁氧化銀電堆堆式結(jié)構(gòu)復(fù)雜，往往根據(jù)多種要求來設(shè)計實現(xiàn)其結(jié)構(gòu)功能。傳統(tǒng)自底向上設(shè)計方法不僅費時費力，而且設(shè)計周期非常長。而采用全新設(shè)計理念的UG/WAVE技術(shù)，可以方便快速地建立鋁氧化銀電堆堆式結(jié)構(gòu)模型，實現(xiàn)電堆結(jié)構(gòu)和裝配夾具并行設(shè)計，并且無須過多考慮結(jié)構(gòu)上的細(xì)節(jié)?？傮w設(shè)計通過控制電堆結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)傳送到每一個零部件，并可以隨時根據(jù)總體要求、實驗結(jié)果要求以及輔助系統(tǒng)要求修改結(jié)構(gòu)設(shè)計，同時后續(xù)的結(jié)構(gòu)設(shè)計也會自動更新，提高了設(shè)計效率，縮短了設(shè)計周期。

[1]蔡年生.國外魚雷動力電池的發(fā)展及應(yīng)用[J].魚雷技術(shù)，2003，3(1)：12-16.

[2]Unigraphics Solutions Inc.WAVE產(chǎn)品設(shè)計技術(shù)培訓(xùn)教程[M].北京：清華大學(xué)出版社，2002.

[3]董益量．WAVE技術(shù)及其在自頂向下設(shè)計中的應(yīng)用研究[J]．機(jī)械與電子，2003(3)：7-9．

Application of UG/WAVE technology in structure design of aluminum silver oxide cell stack

NIU Chang-dong
(Tianjin Institute of Power Sources,Tianjin 300384,China)

Owing to complex bipolar stack structure and too much associative data,traditional bottom-up parametric modeling technology can't meet the design requirement of aluminum-silver oxide cell stack.UG/WAVE technology and its top-down modeling method were introduced.The bipolar stack structure design of certain type aluminum-silver oxide cell stack and WAVE technology with assembling jig were investigated.Adopting WAVE design philosophy and method,both the interrelationship of bipolar stack structure and coordination between assembling jig and stack structure can be effectively solved,which can significantly enhance the design efficiency,shorten the design cycle and utilize the advantage of concurrent engineering.

WAVE;top-down design;structure design

TM 911

A

1002-087 X(2016)08-1630-03

2016-01-28

牛長冬(1979—)，男，吉林省人，工程師，主要研究方向為鋁氧化銀電池。