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

牛長(zhǎng)冬

(中國(guó)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(jì)中的應(yīng)用

牛長(zhǎng)冬

(中國(guó)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(jì)方法已無(wú)法滿(mǎn)足其設(shè)計(jì)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(hào)鋁氧化銀電堆雙極性堆式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及裝配夾具設(shè)計(jì)的WAVE技術(shù)。采用WAVE設(shè)計(jì)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(jì)的效率，縮短了設(shè)計(jì)周期，使并行工程的優(yōu)勢(shì)得到充分的發(fā)揮。

WAVE；自頂向下設(shè)計(jì)；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

隨著世界各國(guó)潛艇和水面艦艇性能的大為改善，各種抗魚(yú)雷技術(shù)(誘騙、干擾和迷惑)的進(jìn)步，魚(yú)雷命中的難度越來(lái)越大，伴隨著攻擊對(duì)象航速有了較大的提高，魚(yú)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(dòng)魚(yú)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。現(xiàn)役法國(guó)的“海鱔”，歐洲的MU90魚(yú)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(duì)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(jì)往往需要根據(jù)總體要求、實(shí)驗(yàn)放電結(jié)果要求以及輔助系統(tǒng)要求來(lái)進(jìn)行相應(yīng)的變更，這種變更必然會(huì)影響自身零部件和裝配夾具的設(shè)計(jì)，而傳統(tǒng)的自底向上設(shè)計(jì)方法只能逐個(gè)更改每一個(gè)零部件結(jié)構(gòu)，這樣必然造成效率低下、設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)等弊端。如何能在設(shè)計(jì)當(dāng)中快速解決這些問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)電堆結(jié)構(gòu)和裝配夾具的并行設(shè)計(jì)，本文采用最新的UG/WAVE技術(shù)對(duì)鋁氧化銀電堆堆式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和裝配夾具設(shè)計(jì)展開(kāi)應(yīng)用性研究。

1 UG/WAVE技術(shù)簡(jiǎn)介及功能特點(diǎn)

WAVE(What-if Alternative Value Engineering)是美國(guó)UGS公司在其核心產(chǎn)品Unigraphics(簡(jiǎn)稱(chēng)UG)上進(jìn)行的一項(xiàng)軟件開(kāi)發(fā)，是一種實(shí)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(jì)與最終產(chǎn)品及夾具之間建立一種相關(guān)聯(lián)的設(shè)計(jì)方法，能對(duì)復(fù)雜產(chǎn)品的總裝配設(shè)計(jì)、相關(guān)零部件和夾具設(shè)計(jì)進(jìn)行有效控制?？傮w設(shè)計(jì)可以嚴(yán)格控制總裝配體和次級(jí)裝配體及零部件的關(guān)鍵尺寸，而無(wú)需考慮細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)；而零部件的細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)對(duì)總體設(shè)計(jì)沒(méi)有影響，并無(wú)權(quán)改變總體設(shè)計(jì)的關(guān)鍵尺寸。因此，在主模型完成總體設(shè)計(jì)之后，次級(jí)裝配體及零部件、夾具可由設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)中不同的人完成，實(shí)現(xiàn)了并行工程(Concurrent engineering)。當(dāng)總體設(shè)計(jì)的關(guān)鍵尺寸修改后，次級(jí)裝配體、零部件以及夾具的設(shè)計(jì)自動(dòng)更新，從而避免了零部件重復(fù)設(shè)計(jì)的浪費(fèi)，使得后續(xù)零部件的細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)得到有效管理和再利用，大大縮短了產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期，提高了企業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)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(gè)裝配中，利用已有的零件，通過(guò)關(guān)聯(lián)性復(fù)制幾何體的方法建立另一個(gè)零件或在另一個(gè)零件上建立特征，維護(hù)了設(shè)計(jì)的一致性和完整性。

1.2 自頂向下的產(chǎn)品建模

通過(guò)在裝配中建立產(chǎn)品的總體參數(shù)，并將控制幾何對(duì)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(duì)象修改后，相關(guān)組件的細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)自動(dòng)更新，顯著縮短設(shè)計(jì)周期，避免重復(fù)設(shè)計(jì)。

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(jì)和零件設(shè)計(jì)分離出來(lái)，形成各自獨(dú)立的裝配結(jié)構(gòu)，以滿(mǎn)足總體控制結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)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(jì)與實(shí)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(shí)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(gè)雙極性平板粘接疊加后組成雙極性模塊，若干個(gè)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(gè)裝配過(guò)程必須由裝配夾具來(lái)實(shí)現(xiàn)，一旦電堆的整體設(shè)計(jì)發(fā)生更改，那么裝配夾具必須更改。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法是指設(shè)計(jì)人員先設(shè)計(jì)單個(gè)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(jì)方法。這種設(shè)計(jì)方法建模虛擬裝配時(shí)需要設(shè)計(jì)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(dòng)計(jì)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(fèi)事，并且當(dāng)零部件之間的配合較多或者設(shè)計(jì)有誤時(shí)，容易出現(xiàn)約束不當(dāng)或約束出錯(cuò)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(jì)往往需要根據(jù)總體要求、實(shí)驗(yàn)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(jì)不合理，就要對(duì)其進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，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(shí)實(shí)際裝配需要的夾具也需要更新，這必然需要耗費(fèi)大量時(shí)間和精力，設(shè)計(jì)周期必將加大，所以傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法已經(jīng)無(wú)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(jì)人員只需要根據(jù)要求來(lái)識(shí)別驅(qū)動(dòng)其產(chǎn)品設(shè)計(jì)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(jì)的關(guān)鍵尺寸發(fā)生變更后，其相關(guān)零部件的設(shè)計(jì)也會(huì)自動(dòng)更新，并且不存在整體結(jié)構(gòu)干涉現(xiàn)象發(fā)生，同時(shí)裝配夾具的設(shè)計(jì)也會(huì)自動(dòng)更新，因此這種技術(shù)方法對(duì)于復(fù)雜的鋁氧化銀電池電堆堆式結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，不僅是目前最佳的設(shè)計(jì)手段，而且也是最新穎的設(shè)計(jì)理念。

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

產(chǎn)品的設(shè)計(jì)是一個(gè)漸進(jìn)的過(guò)程，一般經(jīng)過(guò)概念設(shè)計(jì)、參數(shù)化設(shè)計(jì)和詳細(xì)設(shè)計(jì)三個(gè)階段。這種漸進(jìn)式的設(shè)計(jì)過(guò)程，就是自頂向下設(shè)計(jì)[3]，如圖2所示。

圖2 自頂向下設(shè)計(jì)過(guò)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(jì)思路建立的模型。該結(jié)構(gòu)均為自行設(shè)計(jì)，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(gè)堆式結(jié)構(gòu)模型與裝配能得到有效的控制。其設(shè)計(jì)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(jí)部件，其中包括基準(zhǔn)面、基準(zhǔn)軸、草圖、關(guān)鍵點(diǎn)等，這些幾何元素要被準(zhǔn)確控制，并且易于修改。頂級(jí)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(jí)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(jí)部件后，使用WAVE模式創(chuàng)建下一級(jí)部件建立起始部件分液板，將基準(zhǔn)面、邊、線(xiàn)、草圖、關(guān)鍵點(diǎn)添加到新構(gòu)件中，創(chuàng)建分液板實(shí)體模型。此時(shí)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(jí)部件建立模型部件集流板，以此類(lèi)推。其設(shè)計(jì)流程圖如圖3所示。

圖3 電堆堆式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(shí)，端板部分結(jié)構(gòu)會(huì)自動(dòng)更新，從而保證了兩個(gè)零件參數(shù)的全相關(guān)，而且不會(huì)影響端板的其它結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

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(jì)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(yàn)等幾個(gè)環(huán)節(jié)。每個(gè)環(huán)節(jié)都需要相同或者不同的裝配夾具來(lái)實(shí)現(xiàn)。其中以負(fù)極組件的裝配尤為重要，其每個(gè)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(lái)實(shí)現(xiàn)，所以可以設(shè)計(jì)一套裝配夾具來(lái)滿(mǎn)足不同的使用功能。下面以該裝配夾具單元的設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)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(jì)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(jì)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(xiāo)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(duì)負(fù)極定位進(jìn)行細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)，完成負(fù)極組件定位裝配功能。

(4)在模塊裝配中，要求實(shí)現(xiàn)正負(fù)極絕緣可測(cè)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(jì)上支架，二者之間加高度基準(zhǔn)塊來(lái)保證高度一致性要求，同時(shí)利用負(fù)極邊緣某一位置在上下支架上設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)絕緣的可測(cè)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(shí)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(jì)中，由于所有裝配夾具的關(guān)鍵尺寸均由電堆尺寸WAVE而來(lái)，那么如果電堆的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)有更改，其夾具也會(huì)隨之自動(dòng)更新，也可以隨時(shí)在裝配夾具結(jié)構(gòu)中設(shè)置諸如此類(lèi)的細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，后續(xù)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也會(huì)自動(dòng)更新，極大地提高了設(shè)計(jì)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(lái)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)其結(jié)構(gòu)功能。傳統(tǒng)自底向上設(shè)計(jì)方法不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且設(shè)計(jì)周期非常長(zhǎng)。而采用全新設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)電堆結(jié)構(gòu)和裝配夾具并行設(shè)計(jì)，并且無(wú)須過(guò)多考慮結(jié)構(gòu)上的細(xì)節(jié)?？傮w設(shè)計(jì)通過(guò)控制電堆結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)傳送到每一個(gè)零部件，并可以隨時(shí)根據(jù)總體要求、實(shí)驗(yàn)結(jié)果要求以及輔助系統(tǒng)要求修改結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，同時(shí)后續(xù)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也會(huì)自動(dòng)更新，提高了設(shè)計(jì)效率，縮短了設(shè)計(jì)周期。

[1]蔡年生.國(guó)外魚(yú)雷動(dòng)力電池的發(fā)展及應(yīng)用[J].魚(yú)雷技術(shù)，2003，3(1)：12-16.

[2]Unigraphics Solutions Inc.WAVE產(chǎn)品設(shè)計(jì)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(jì)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(zhǎng)冬(1979—)，男，吉林省人，工程師，主要研究方向?yàn)殇X氧化銀電池。