PTC解決方案在開關制造行業(yè)中的應用

　　本文介紹項目是天水長城開關廠2002～2003年度的重點新品開發(fā)項目，專為青藏鐵路開發(fā)的、處于領先地位的新型中壓開關設備“XGNE-40.5”?！癤GNE-40.5”是40.5kV電壓等級，采用SF6氣體作為絕緣介質(zhì)，采用真空開斷的C-GIS開關設備，是國際上新發(fā)展起來的高新技術的成套配電裝置。與其他相同電壓等級的開關設備相比較，“XGNE-40.5”具有體積小，可靠性高，免維護等優(yōu)越性，因而能夠適應各種惡劣的運行環(huán)境。

　　天水長城開關廠是具有33年歷史的、擁有完整的產(chǎn)品系列的、中國年產(chǎn)量最高的專業(yè)輸變電開關設備制造企業(yè)，主要生產(chǎn)0.4～35kV高壓開關設備、3～35kV高壓電器元件及低壓開關柜。產(chǎn)品廣泛用于國家大、中型電力工程和工業(yè)項目，并出口到二十多個國家和地區(qū)。

　　電力是支撐國民經(jīng)濟建設與發(fā)展的重要能源，是我國國民經(jīng)濟實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的基礎。當前我國的電力供應總體上偏緊，電力消費保持高速增長。輸變電設備制造業(yè)，尤其是中壓開關制造行業(yè)的市場前景十分廣闊。

　　由于市場競爭日益激烈和面對國外知名企業(yè)的沖擊，為加快我廠新型開關設備的產(chǎn)品研發(fā)速度，在開關設備的設計和制造中引入新的理念和方法勢在必行。我廠繼產(chǎn)品設計成功地應用二維CAD技術之后，為提高產(chǎn)品設計效能，推動設計工具的標準化，又購買了PTC公司的機械設計自動化軟件系統(tǒng)Pro/ENGINEER、Pro/Motion和Pro/Structure等三維設計軟件進行輔助設計工作。應用PTC解決方案進行了包括“XGNE-40.5”在內(nèi)的一系列新產(chǎn)品開發(fā)項目。

2 采用PTC解決方案的項目目標
（1） 由于市場需求和企業(yè)新產(chǎn)品開發(fā)計劃的迫切要求，產(chǎn)品必須在兩年內(nèi)完成從研發(fā)到生產(chǎn)的全過程。
（2） 在產(chǎn)品的前期階段能看到產(chǎn)品的三維仿真模型，同時應該可以在三維環(huán)境下很輕易地觀察產(chǎn)品模型中任意感興趣的剖面，以作為工程選型的基礎。
（3） 采用自頂向下的裝配設計，在設計中可以先用零部件的外輪部來考慮預留空間，然后在后續(xù)的設計中用詳細設計的零部件進行替換。也可以在裝配中進行零件設計以保證其形狀和裝配的精度。還可用干涉及間隙檢查的功能來檢查裝配情況。
（4） 通過機構分析和產(chǎn)生的動作仿真看到我們所關心的零部件的速度、位置以及加速度，初步驗證機構工作的正確性。
（5） 對產(chǎn)品設計的運動部分進行運動力學方面的研究和優(yōu)化。
（6） 對產(chǎn)品設計的結構進行研究和優(yōu)化。
（7） 行為建模生成關鍵零部件關鍵部位的外形。
（8） 產(chǎn)生開關設備裝配過程和聯(lián)鎖操作過程的動態(tài)演示，為開關設備的裝配工和維修員提供培訓，
同時為用戶和參觀人員提供清晰的演示和教學。
（9） 產(chǎn)品設計過程中的數(shù)據(jù)庫內(nèi)容全相關性和工程數(shù)據(jù)的可再利用性。

3 采用PTC解決方案的項目內(nèi)容
3.1 CAD實體幾何造型（應用Pro/ENGINEER建立數(shù)學模型）
采用幾何造型的方法將產(chǎn)品的數(shù)學模型在計算機內(nèi)部建立，在幾何造型時，我們力求做到以下幾點。
（1）明確設計意圖，創(chuàng)建幾何模型，由設計要求導出幾何模型。利用特征和設計基準，生成三維實體，可以在三維空間中觀看它的形狀；當需要修改零件時，只需修改尺寸或增加特征。
（2） 基于特征建模的全相關性和參數(shù)化。全相關性是指在設計過程中任何一處的變動都會反映到從設計到加工的各個過程，以確保所有零件和各個環(huán)節(jié)保持一致性和協(xié)調(diào)性。參數(shù)化是指用熟知的特征作為產(chǎn)品的幾何模型的構造要素，通過給這些特征設置參數(shù)，然后修改參數(shù)很容易地進行多次設計，實現(xiàn)產(chǎn)品開發(fā)。
（3） 產(chǎn)品設計中的裝配關系管理。將各個零部件裝在合適的位置上，確定系統(tǒng)部件間的裝配關系，系統(tǒng)會根據(jù)給定的約束自動地安排零部件的裝配關系，如改變一零件的裝配相關尺寸，則與它相關零部件位置或約束都會自動地改變。

3.2 CAE功能仿真（應用Pro/Mechanica進行優(yōu)化分析）
（1） 干涉檢查及結構檢查。通過對各零部件的空間體積進行計算，可以及早的發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品結構設計中相互干涉影響的部分，保證產(chǎn)品設計的正確性。
（2） 進行機構運動仿真。了解機構的運行情況，研究機構的靈敏度，自動地優(yōu)化機構以滿足特定的目的和限制，能夠計算組合體中運動和影響運動的力之間的關系。使用這些計算結果通過改變參數(shù)可以實現(xiàn)最佳的設計方案來優(yōu)化設計。具體地講能完成以下的工作：簡便而快速地校驗機構模型的空間關系；利用行為建模功能合成凸輪輪廓并研究相應的運動條件下的參數(shù)變化；指定運動驅(qū)動器模擬機構運動中的實際載荷；優(yōu)化機構模型，研究運動過程中各種可能發(fā)生的情況時參數(shù)及受力情況的變化。
（3） 結構優(yōu)化設計。在一定載荷的條件下評估產(chǎn)品的性能，預測產(chǎn)品在實際使用環(huán)境下的性能，研究哪些設計參數(shù)對結構特性有最大的影響，進行幾何形狀優(yōu)化。對產(chǎn)品設計構想中的任意類型結構進行建模，通過CAE分析結果比較各方案的優(yōu)劣；施加不同載荷的約束，觀察各參數(shù)及相關結構設計變量的變化情況；進行結構形狀優(yōu)化和靈敏度分析，尋找最佳工作點；針對設計方案，輸出多種格式的結果，方便設計數(shù)據(jù)的共享。

4 PTC解決方案的實施過程及結果
該作品中應用PTC解決方案按照設計流程主要經(jīng)歷三個階段（如圖1所示），采用了Pro/ENGINEER 2001和Pro/Mechanica兩種PTC軟件模塊。