Inventor參數(shù)化變壓器三維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

張 丹

0 引言

鐵道牽引變壓器日趨標(biāo)準(zhǔn)化，電壓等級從110 kV一直延伸到330 kV，連接組別一般采用Vv，Vx等幾種方式。但是因其使用地區(qū)不同，線路負(fù)荷差異，以及運(yùn)輸方式，運(yùn)輸線路的不同，變壓器的具體參數(shù)會(huì)發(fā)生變化。隨著設(shè)計(jì)的進(jìn)行，各種變壓器的結(jié)構(gòu)日趨標(biāo)準(zhǔn)化，參數(shù)不同的變壓器，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案基本不變，僅細(xì)微結(jié)構(gòu)有所改變，因此設(shè)計(jì)工程師的工作大量重復(fù)，浪費(fèi)了很多寶貴時(shí)間。

筆者利用Inventor軟件對變壓器外部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了自頂向下的參數(shù)化設(shè)計(jì)與優(yōu)化，成本優(yōu)化，并且進(jìn)行了3D設(shè)計(jì)圖和2D工程圖的關(guān)聯(lián)，使得圖紙完成迅速且無錯(cuò)化，減少了校核與審核的時(shí)間，縮短了制造周期，節(jié)約了變壓器成本。

Inventor是Autodesk公司開發(fā)的一種3D畫圖軟件，能夠?qū)Y(jié)構(gòu)件進(jìn)行力學(xué)分析。而且Inventor與傳統(tǒng)的繪圖軟件Autocad屬同一公司，3D/2D之間可以無縫化連接。

傳統(tǒng)的2D設(shè)計(jì)一般先從主體布置圖入手，然后逐步細(xì)化，筆者在3D設(shè)計(jì)中，也秉承了變壓器設(shè)計(jì)一貫的自頂向下設(shè)計(jì)（Top-down），從變壓器的基本參數(shù)入手，按部就班的分解成模塊，配合大量工廠標(biāo)準(zhǔn)化通用件的使用，可以節(jié)省設(shè)計(jì)時(shí)間，并且在設(shè)計(jì)之初就對變壓器進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)，致使形式基本一樣的結(jié)構(gòu)，可僅修改幾個(gè)參數(shù)就能得到最終的變壓器圖紙。

1 Top-down的設(shè)計(jì)思路與流程

Top-down自上而下的設(shè)計(jì)是變壓器傳統(tǒng) 2D圖紙?jiān)O(shè)計(jì)一般采用的方法，由在頂端的變壓器基本參數(shù)自上而下的傳遞，由參數(shù)劃分模塊，每個(gè)模塊都與頂端數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，而模塊和模塊之間又相對獨(dú)立，這樣一來可以分組、分人共同設(shè)計(jì)，大大縮短了設(shè)計(jì)時(shí)間。

設(shè)計(jì)流程如圖1所示。

1.1 初步確定變壓器結(jié)構(gòu)

由變壓器規(guī)格書中的用戶要求，依照工廠標(biāo)準(zhǔn)，確定變壓器的基本形式，如器身絕緣布置，散熱結(jié)構(gòu)布置，儲(chǔ)油柜布置等。選取最優(yōu)化的設(shè)計(jì)方案，為下一步設(shè)計(jì)做好基礎(chǔ)。

1.2 編寫基本參數(shù)及細(xì)化參數(shù)表格

基本參數(shù)包括油箱的長度，寬度，高度等由計(jì)算單傳遞基本不做更改的參數(shù)。

圖1 Top-down的設(shè)計(jì)流程圖

細(xì)化參數(shù)是指需要空間布置，但是又在3D圖紙中肯定會(huì)用到的參數(shù)。因鐵道牽引變壓器日趨標(biāo)準(zhǔn)化，這類參數(shù)可由油箱長度，寬度，高度等基本參數(shù)經(jīng)固定公式計(jì)算得出。諸如，高低壓套管的開孔形式，開孔位置；接地部分的布置參數(shù)等。

圖2是Inventor的fx參數(shù)表，表中的參數(shù)與變壓器的 3D模型之間通過等式關(guān)聯(lián)，例如：d0=油箱長度。等式中的“油箱長度”是在參數(shù)表中定義的一個(gè)參數(shù)，而 Inventor中的參數(shù)表與外部的Excel表格關(guān)聯(lián)，修改外部的Excel表格中的參數(shù)就可以直接更改3D模型。

圖2 參數(shù)鏈接表圖

1.3 參數(shù)化建立油箱主體骨架

油箱的主體骨架是由第1.2節(jié)中的基本參數(shù)完成的，該主體骨架只與極少的基本參數(shù)關(guān)聯(lián)。

骨架圖相當(dāng)于2D設(shè)計(jì)中的初始布置圖，是整個(gè)3D模型的基礎(chǔ)，當(dāng)骨架圖發(fā)生變化時(shí)，由骨架圖衍生出來的零件圖就會(huì)發(fā)生改變。在該步驟中還需確定基準(zhǔn)面，基準(zhǔn)點(diǎn)。標(biāo)準(zhǔn)基準(zhǔn)面，點(diǎn)的建立可以使以后的裝配過程標(biāo)準(zhǔn)化，易于操作。

圖3為利用第1.2節(jié)參數(shù)表中的參數(shù)搭建的油箱主體骨架，利用該骨架在以后的流程中逐步完善裝配。

主體骨架圖可以生成關(guān)聯(lián)的獨(dú)立零件，例如上節(jié)油箱，箱沿等，它們本質(zhì)上都與該主體骨架聯(lián)系，是一種繼承關(guān)聯(lián)的關(guān)系。

1.4 通用件選擇

選定工廠標(biāo)準(zhǔn)化庫里已有的通用件有利于生產(chǎn)和加工，該通用件基本可以包括變壓器外部結(jié)構(gòu)的所有模塊，諸如套管升高座，油箱加強(qiáng)鐵，千斤頂?shù)?，大量地選用通用件可以大大縮短設(shè)計(jì)時(shí)間和減少在生產(chǎn)過程中碰到問題的幾率。對于在設(shè)計(jì)中沒有的通用件則需要新建模塊設(shè)計(jì)，然后再將新建模塊補(bǔ)充到通用件之內(nèi)，豐富通用件庫。

圖3 油箱主體骨架圖

1.5 與上級模塊配合油箱參數(shù)

上級模塊是指鐵心設(shè)計(jì)模塊、引線設(shè)計(jì)模塊等。在第1.3節(jié)中油箱主體骨架參數(shù)的基礎(chǔ)上來確定與上級模塊配合的參數(shù)，具體包括：散熱結(jié)構(gòu)的布置參數(shù)，內(nèi)壁加強(qiáng)鐵位置參數(shù)，壓力釋放閥等附件具體位置參數(shù)等。

在該步驟中，各級參數(shù)進(jìn)行互交，對參數(shù)表進(jìn)行完善及修改，使其完全關(guān)聯(lián)3D設(shè)計(jì)圖。該步驟與第1.2節(jié)中的步驟是一個(gè)循環(huán)過程，通過與上級模塊的互交，進(jìn)行通用件的初選，完善油箱參數(shù)。

1.6 完成油箱裝配并進(jìn)行受力分析及優(yōu)化

利用第1.5節(jié)中的參數(shù)，以及第1.4節(jié)中的通用件，對油箱完成裝配，從而轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要部分，受力分析。

Inventor軟件中自帶了受力分析的程序，用該程序可以仿真油箱的受力結(jié)構(gòu)，通過對結(jié)果的分析對油箱的材料優(yōu)化，優(yōu)化油箱鋼板的用料，優(yōu)化加強(qiáng)鐵的布置結(jié)構(gòu)。

一個(gè)中等規(guī)模的變壓器油箱結(jié)構(gòu)件的重量在20 t以上，對油箱結(jié)構(gòu)的細(xì)小優(yōu)化，能節(jié)約很可觀的成本。

圖4為變壓器上節(jié)油箱的受力分析圖，圖中鋼板最大位移形變?yōu)?.725 mm，在安全范圍內(nèi)。

圖4 上節(jié)油箱應(yīng)力分析圖

1.7 總裝配及通用件完善

在第1.6節(jié)的基礎(chǔ)上對變壓器外部結(jié)構(gòu)進(jìn)行所有的裝配，將升高座，儲(chǔ)油柜，開關(guān)等配件分步，分批裝配。

為了縮短設(shè)計(jì)時(shí)間以及簡化設(shè)計(jì)參數(shù)，可利用已經(jīng)完成的總體骨架圖以及基本參數(shù)將總裝配分割成若干模塊。如高低壓引線，鐵心接地，器身絕緣等，每個(gè)模塊之間只有關(guān)鍵數(shù)據(jù)互交關(guān)聯(lián)，其余的參數(shù)只在該模塊內(nèi)使用，這樣減少了占用的資源量，而且并行設(shè)計(jì)減少了工作時(shí)間。

總裝配的最后一個(gè)階段是自適應(yīng)模塊裝配。自適應(yīng)功能是Inventor軟件里一個(gè)很強(qiáng)大的功能，即在Inventor的部件環(huán)境中建立部件或零件，使得新零件及部件與上級部件關(guān)聯(lián)，在更改參數(shù)后自動(dòng)的更改3D模型，縮短設(shè)計(jì)時(shí)間。

以聯(lián)管焊接模塊做一說明，一個(gè)大中型的變壓器，最終的設(shè)計(jì)模塊一般都是聯(lián)管焊接，聯(lián)管焊接都是由高低壓升高座引管路與儲(chǔ)油柜相連，每一個(gè)從高出箱蓋的部分都要引出一個(gè)管路，在傳統(tǒng)的2D設(shè)計(jì)中，一般都需要畫出完整的三視圖才能完全把管路的走向，長度確定，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。而且每一次的變壓器參數(shù)的細(xì)小改變就需要對聯(lián)管焊裝模塊進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，所有的工作都需要從頭進(jìn)行。

而在3D圖紙中，設(shè)計(jì)者可建立自適應(yīng)的聯(lián)管模塊，標(biāo)定需要自適應(yīng)的管路起點(diǎn)，終點(diǎn)，然后利用3D草圖功能，完成聯(lián)管焊裝模塊。而且這樣完成的自適應(yīng)模塊可以自動(dòng)滿足人們對變壓器參數(shù)的修改，修改升高座的間距，儲(chǔ)油柜的高度，管路就會(huì)自動(dòng)的建立，免去了重復(fù)性的工作，大大節(jié)省了時(shí)間。變壓器總裝配3D模型圖見圖5。

圖5 變壓器總裝配3D模型圖

1.8 總裝配的模塊分割并生成傳統(tǒng)2D工程圖

在總裝配3D圖紙完成后，對bom表格進(jìn)行編輯，設(shè)置其中零件的可見性以及 bom表格屬性，選擇性的將零件導(dǎo)入工程圖紙中，分模塊生成工程圖紙。

在第1.7節(jié)流程中筆者對一些零件及模塊虛擬裝配，這樣在 bom表格中能對該虛擬零件編輯，但是在3D模型中并沒有出現(xiàn)，減少了對計(jì)算機(jī)資源的占用，提高了工作效率。

圖6為變壓器總裝工程圖。

圖6 變壓器總裝工程圖

2 設(shè)計(jì)總結(jié)

在利用Inventor軟件進(jìn)行Top-down的設(shè)計(jì)過程中，筆者總結(jié)出幾條經(jīng)驗(yàn)，首先自頂向下參數(shù)化設(shè)計(jì)需要建立在一個(gè)完善的標(biāo)準(zhǔn)件通用件體系中，Inventor設(shè)計(jì)廣泛的采用這些通用件，會(huì)大大的縮短設(shè)計(jì)時(shí)間，而且有利于后期新圖紙的參數(shù)化關(guān)聯(lián)。新建模塊，利用自適應(yīng)功能，對其完全約束，在之后的圖紙?jiān)O(shè)計(jì)中，這些新模塊會(huì)自動(dòng)裝配與關(guān)聯(lián)。在3D圖紙中可以加入虛擬零部件，簡化設(shè)計(jì)，減少計(jì)算機(jī)資源占用。

Inventor軟件的 Top-down的設(shè)計(jì)思路可以運(yùn)用在變壓器各種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，一些先進(jìn)的設(shè)計(jì)思路和設(shè)計(jì)方法還有賴于更多的設(shè)計(jì)者的參與與實(shí)踐。

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