李一路,吳淑芳,宋 啟,張照焜

(1.中北大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,山西 太原 030051)(2.長城電氣股份有限公司,山西 太原 030051)

隨著電氣行業(yè)的發(fā)展和用電需求的日益增長,變壓設(shè)備的應(yīng)用也越來越廣泛。日益增長的需求與信息化的沖擊導(dǎo)致產(chǎn)品設(shè)計(jì)逐漸向數(shù)字化、智能化方向發(fā)展。Wang等[1]通過替代優(yōu)化算法對鈑金件設(shè)計(jì)進(jìn)行分析,提高了設(shè)計(jì)效率并縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期;王春林等[2]使用SolidWorks軟件研究了電氣控制柜框架的數(shù)字化設(shè)計(jì)。目前,我國生產(chǎn)變電站箱體的廠家缺乏完整的圖紙作參考,加工精度與質(zhì)量嚴(yán)重依賴制造工人的水平。由于缺乏數(shù)字化設(shè)計(jì)手段,因此在產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)中無法有效、及時地響應(yīng)快速發(fā)展的市場需求。

針對變電站箱體設(shè)計(jì)過程中存在計(jì)算量大、生產(chǎn)周期長、設(shè)計(jì)圖紙缺乏等問題,本文采用SolidWorks對變電站箱體進(jìn)行三維數(shù)字化建模,結(jié)合Visual Basic 開發(fā)變電站箱體快速數(shù)字化設(shè)計(jì)系統(tǒng),該系統(tǒng)可根據(jù)客戶需求快速生成高/低壓變電站箱體三維模型與相應(yīng)的工程圖紙。最后根據(jù)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)提出箱體關(guān)鍵零部件的優(yōu)化思路,實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)。

1 變電站箱體數(shù)字化系統(tǒng)的搭建

通過分析用戶需求,研究零部件結(jié)構(gòu)特征與參數(shù)關(guān)系,建立變電站箱體數(shù)字化三維模型,開發(fā)變電站箱體數(shù)字化設(shè)計(jì)系統(tǒng)。系統(tǒng)界面有保存路徑選擇、設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)特征輸入等模塊。程序運(yùn)行時根據(jù)界面輸入的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)與特征,對模型模板多余零件進(jìn)行刪除和尺寸修改,三維模型建立后自動調(diào)用相應(yīng)工程圖模板,更新二維圖比例和位置、標(biāo)注,生成符合設(shè)計(jì)、生產(chǎn)要求的工程圖紙。箱體數(shù)字化設(shè)計(jì)流程如圖1所示。

圖1 變電站箱體數(shù)字化系統(tǒng)運(yùn)行流程

2 變電站箱體數(shù)字化設(shè)計(jì)系統(tǒng)開發(fā)

2.1 變電站箱體結(jié)構(gòu)分析

常用變電站箱體由一個變壓器區(qū)、多組高壓區(qū)與低壓區(qū)組合形成。根據(jù)箱體結(jié)構(gòu)特征,將變電站箱體分割成幾個部分,結(jié)構(gòu)劃分如圖2所示。關(guān)鍵結(jié)構(gòu)為屋頂、底部框架和門。

圖2 變電站箱體結(jié)構(gòu)劃分

2.2 變電站箱體建模關(guān)鍵技術(shù)

根據(jù)模型結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與尺寸特征對箱體建模分析,箱體的各個門、高/低壓區(qū)底部框架的系列化零件較多,這些零件尺寸不同但結(jié)構(gòu)相同,模型重復(fù)度高。傳統(tǒng)數(shù)字化設(shè)計(jì)通過主程序控制的方法,對不同尺寸的零件分別建模,逐個賦值、驅(qū)動,存在模型庫零件多、占用儲存空間大、調(diào)用速度慢、程序復(fù)雜易錯等問題。方程式設(shè)計(jì)方法無法定義被刪除零件的尺寸,零件刪除后方程式往往會報(bào)錯,并且變電站箱體數(shù)據(jù)量大、變量多,單一方程式的方法無法滿足設(shè)計(jì)需要。

為了減少重復(fù)進(jìn)行零件建模量,根據(jù)零件尺寸特點(diǎn),變電站箱體采用零件配置及方程式驅(qū)動方式完成三維模型設(shè)計(jì)。配置建模是數(shù)字化建模的一種方法,其目的是借助產(chǎn)品通用模型表達(dá)一個產(chǎn)品族,以便根據(jù)用戶需求生成合適的配置方案或?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)品變型。多個配置設(shè)計(jì)又叫產(chǎn)品族設(shè)計(jì)[3]。零件配置可以有效減少重復(fù)性的零件設(shè)計(jì)工作,避免同類模型多次建模,極大地提高設(shè)計(jì)人員的工作效率,具有尺寸調(diào)用方便、圖形模板占用儲存空間小的優(yōu)勢[4]。使用零件配置需要注意同一名稱的零件在同一名稱的子裝配體中僅有一種配置,某一零件配置以后,同一子裝配體相同名稱的零件也會隨之改變,使用配置時需根據(jù)模型特點(diǎn)在總裝配體中劃分正確的子裝配體。

SolidWorks配置有手動配置和零件設(shè)計(jì)表配置兩種方法。手動配置需要設(shè)計(jì)者新建配置,在配置中修改配置尺寸,對于配置數(shù)量少、修改尺寸少的零件適用。零件設(shè)計(jì)表通過Excel分別輸入配置名稱、配置說明、配置中變化的尺寸名稱與相應(yīng)的數(shù)值,可以快速建立配置。以底部框架底板為例,底板有3個變量、16種配置方法,底板零件的Excel配置表如圖3所示。

圖3 底板零件配置表

對模型其他零部件進(jìn)行分析,屋頂及立柱的尺寸與變電站箱體整體尺寸聯(lián)系緊密,通過定義全局變量的方式實(shí)現(xiàn)對屋頂結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。在數(shù)字化建模時可以通過主程序控制全局變量的值,進(jìn)而改變方程式定義下的其他尺寸數(shù)據(jù),簡化了程序,加快了程序運(yùn)行速度。全局變量改變時,方程式規(guī)定的所有尺寸隨之發(fā)生變化,若零件在數(shù)字化設(shè)計(jì)中被刪除或數(shù)量被壓縮則報(bào)錯,因此采用方程式驅(qū)動的零件的數(shù)量需在變電站箱體數(shù)字化設(shè)計(jì)中保持恒定[5]。

2.3 數(shù)字化系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)

2.3.1二次開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)

模型驅(qū)動的任務(wù)是根據(jù)已有設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)對模型尺寸進(jìn)行修改。SolidWorks本身具有強(qiáng)大的三維設(shè)計(jì)服務(wù)功能,SolidWorks API是基于ActiveX Automation的編程接口,API是一個多層次的自上而下的樹形網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),該接口提供OLE對象、方法、屬性以及COM組件等,開發(fā)人員可以使用VB.NET、C++、C#等語言通過鏈接OLE對象與COM組件進(jìn)行二次開發(fā)設(shè)計(jì)。SolidWorks二次開發(fā)中最常使用的對象是ModelDoc2,它包含了3個擴(kuò)展對象和3個子對象PartDoc、DrawingDoc、AssemblyDoc,通過調(diào)用子對象建立相應(yīng)模塊,得到目標(biāo)圖形與工程圖紙[6-7]。

（2） 首先檢查 SDH電源是否故障，如果有即修復(fù)電源，修復(fù)后SDH若無告警則流程轉(zhuǎn)入第（4）步。若SDH告警為次要告警，則流程轉(zhuǎn)入第（3）步。若為主要告警，先對兩端SDH在ODF處自環(huán)，若告警不消除，則需要對ODF和SDH排查和檢修，ODF檢修為更換尾纖或光接頭，SDH檢修則為找出故障板卡并更換。若無主要告警，環(huán)回方式改成如下，在其中一端 ODF處環(huán)回給對端，觀察對端是否有主要告警，若有告警即可診斷為光鏈路或中繼 SDH故障，需要參考專用保護(hù)通道故障定位處理方法解決故障，并消除中繼SDH故障。

2.3.2SolidWorks二次開發(fā)環(huán)境搭建

VB.NET語言是一種面向?qū)ο?、高效簡單、功能廣泛的編程語言，借助VB.NET語言對SolidWorks進(jìn)行二次開發(fā)，需要建立兩者之間的鏈接。具體方法是通過建立窗體程序，添加相應(yīng)的TextBox(文本框控件)、Button(按鍵控件)控件，程序中導(dǎo)入SolidWorks API接口，利用CreateObject方法創(chuàng)建SldWorks對象實(shí)現(xiàn)兩者之間的鏈接[7]。從保存路徑上打開相應(yīng)三維裝配圖的程序如下。

strFileName = baocunlujing + "高低壓變電站箱體.SLDASM"

Set swapp = CreateObject("SldWorks.Application")

swapp.Visible = True

Set Part = swapp.OpenDoc4(strFileName, 2, 0, "", longstatus)

打開保存路徑下的零件圖的程序如下。

strFileName = baocunlujing + "圖紙模板裝配體總裝圖.SLDDRW"

Set swapp = CreateObject("SldWorks.Application")

swapp.Visible = True

Set Part = swapp.OpenDoc4(strFileName, 3, 0, "", longstatus)

Set Part = swapp.ActiveDoc

3 系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例

本文以SolidWorks 2018三維軟件為平臺,使用Visual Basic 6.0進(jìn)行系統(tǒng)界面設(shè)計(jì),以VB.NET語言開發(fā)變電站箱體的數(shù)字化系統(tǒng)。界面采用參數(shù)預(yù)設(shè)和提示菜單的方式,引導(dǎo)完成結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì),變電站箱體設(shè)計(jì)參數(shù)多,采取高/低壓變壓器尺寸組合的方式避免輸入失誤。參數(shù)輸入界面如圖4所示。

圖4 高低壓變壓器組合選擇示意圖

界面需要設(shè)計(jì)者輸入側(cè)門板類型、高/低壓設(shè)計(jì)組數(shù),并對高低壓尺寸組合進(jìn)行選擇,根據(jù)板材類型與設(shè)計(jì)特征選擇板材損耗系數(shù)。點(diǎn)擊“生成三維模型”按鈕,系統(tǒng)讀取界面數(shù)據(jù)與特征,進(jìn)行尺寸計(jì)算、比較,輸出箱體底部框架的整體數(shù)據(jù)庫,并輸出屋頂、屋頂擋板、立柱、隔板及門所有自制鈑金件的表面積,逐步驅(qū)動模型中的所有零部件,最終生成如圖5所示模型。

圖5 5組高低壓變壓器模型

在三維模型設(shè)計(jì)完成并保存后,設(shè)計(jì)界面中的“生成二維圖紙”按鈕變成可操作狀態(tài),點(diǎn)擊后系統(tǒng)自動生成模型裝配圖紙、底部框架裝配圖紙和零部件工程圖紙。工程圖視圖由于尺寸變化出現(xiàn)位置偏移、標(biāo)注位置移動、文字?jǐn)⑹霾环蠄D紙現(xiàn)狀的問題,因此需要對驅(qū)動后的工程圖再次進(jìn)行調(diào)整。通過查詢當(dāng)前視圖的位置與尺寸,根據(jù)模板框架位置調(diào)整。零件尺寸和裝配體序號的位置則是根據(jù)視圖邊框位置按圖層進(jìn)行調(diào)整[8]。

4 底部框架的優(yōu)化設(shè)計(jì)

為了降低變電站箱體制造成本,對上述數(shù)字化模型關(guān)鍵部件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。其中變電站箱體底部框架質(zhì)量占箱體整體質(zhì)量的50%以上,并存在框架受力不均勻、起升運(yùn)輸時局部應(yīng)力過大的問題。為實(shí)現(xiàn)底部框架的輕量化設(shè)計(jì),避免應(yīng)力集中,降低制造成本,本文基于拓?fù)鋬?yōu)化對底部框架的鋼梁排布進(jìn)行優(yōu)化,實(shí)現(xiàn)底部框架的輕量化設(shè)計(jì)。

拓?fù)鋬?yōu)化是一種根據(jù)給定負(fù)載情況、約束條件和性能指標(biāo),在給定的區(qū)域內(nèi)對材料分布進(jìn)行優(yōu)化的數(shù)學(xué)方法。變密度法拓?fù)鋬?yōu)化(SIMP)是最常見的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)方法。變密度法將零件的整體進(jìn)行離散化處理,通過ANSYS Workbench網(wǎng)格劃分為細(xì)小單元,將每個獨(dú)立的單元看成一個設(shè)計(jì)變量,并賦予單元材料偽密度,根據(jù)實(shí)際載荷,迭代獲得每個單元合適的材料密度,從而實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化的材料密度分布[9-10]。

以上述實(shí)例的底部框架為例,建立拓?fù)鋬?yōu)化的有限元模型,如圖6所示,設(shè)定圖中斜線部分為設(shè)計(jì)域,網(wǎng)格部分為非設(shè)計(jì)域。施加變壓器重力與固定支撐,進(jìn)行受力分析。Workbench拓?fù)鋬?yōu)化通過方程迭代保持結(jié)構(gòu)最大剛度,誤差在0.1%以內(nèi),多組保留尺寸分別獲得拓?fù)鋬?yōu)化構(gòu)型,優(yōu)化構(gòu)型如圖7所示,底部框架檢修井框部分鋼梁受力小,優(yōu)化效果更顯著。從優(yōu)化構(gòu)型中提取主要結(jié)構(gòu)特征,同時考慮制造成本和工藝等因素對底部框架進(jìn)行模型重構(gòu)。重建前、后的底部框架三維模型如圖8所示。

圖6 底部框架拓?fù)鋬?yōu)化有限元模型

圖7 施加變壓器重力擠壓約束的拓?fù)鋬?yōu)化構(gòu)型

圖8 優(yōu)化模型及模型的重建

對重建后的模型進(jìn)行有限元受力分析,受力云圖如圖9所示。由圖可以看出,應(yīng)力最大為328.28 MPa,位于底部框架起吊點(diǎn)的圓孔邊緣位置。為保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性,避免振動引起應(yīng)力進(jìn)一步擴(kuò)大,起吊點(diǎn)圓孔位置應(yīng)通過合適的熱處理來提高其強(qiáng)度。

圖9 優(yōu)化后模型有限元受力分析

對優(yōu)化前后底部框架的質(zhì)量、強(qiáng)度、變形對比分析,結(jié)果見表1。冷軋鋼的抗拉強(qiáng)度為350 MPa,優(yōu)化后底部框架最大受力為328.28 MPa,滿足強(qiáng)度要求。對優(yōu)化前后質(zhì)量進(jìn)行對比,材料質(zhì)量優(yōu)化率為16.52%。但優(yōu)化后底部框架受力仍不均勻,結(jié)構(gòu)強(qiáng)度仍存在一定冗余,需對各個鋼架進(jìn)行尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的輕量化設(shè)計(jì)。

表1 底部框架優(yōu)化前后對比

5 結(jié)束語

本文以高低壓變電站箱體為研究對象,開發(fā)了變電站箱體數(shù)字化設(shè)計(jì)系統(tǒng),該系統(tǒng)能根據(jù)設(shè)計(jì)要求,通過零件配置與方程式驅(qū)動的方法快速生成相應(yīng)的三維模型和工程圖紙,并通過拓?fù)鋬?yōu)化實(shí)現(xiàn)箱體的輕量化設(shè)計(jì)。本文的研究顯示,通過對變電站箱體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與數(shù)據(jù)特征分析,使用零件配置與方程式驅(qū)動的方法實(shí)現(xiàn)變電站箱體的數(shù)字化建模設(shè)計(jì),減少了同類零件的重復(fù)設(shè)計(jì)與繪制,加快了開發(fā)進(jìn)程;通過VB.NET語言開發(fā)了變電站數(shù)字化設(shè)計(jì)系統(tǒng),減少了設(shè)計(jì)時間成本,為其他零件與結(jié)構(gòu)數(shù)字化系統(tǒng)開發(fā)提供了參考;在變電站箱體底部框架上使用拓?fù)鋬?yōu)化方法進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì),降低了制造成本。