PTC解决方案在开关制造行业中的应用

　　本文介绍项目是天水长城开关厂2002～2003年度的重点新品开发项目，专为青藏铁路开发的、处于领先地位的新型中压开关设备“XGNE-40.5”。“XGNE-40.5”是40.5kV电压等级，采用SF6气体作为绝缘介质，采用真空开断的C-GIS开关设备，是国际上新发展起来的高新技术的成套配电装置。与其他相同电压等级的开关设备相比较，“XGNE-40.5”具有体积小，可靠性高，免维护等优越性，因而能够适应各种恶劣的运行环境。

　　天水长城开关厂是具有33年历史的、拥有完整的产品系列的、中国年产量最高的专业输变电开关设备制造企业，主要生产0.4～35kV高压开关设备、3～35kV高压电器元件及低压开关柜。产品广泛用于国家大、中型电力工程和工业项目，并出口到二十多个国家和地区。

　　电力是支撑国民经济建设与发展的重要能源，是我国国民经济实现可持续发展的基础。当前我国的电力供应总体上偏紧，电力消费保持高速增长。输变电设备制造业，尤其是中压开关制造行业的市场前景十分广阔。

　　由于市场竞争日益激烈和面对国外知名企业的冲击，为加快我厂新型开关设备的产品研发速度，在开关设备的设计和制造中引入新的理念和方法势在必行。我厂继产品设计成功地应用二维CAD技术之后，为提高产品设计效能，推动设计工具的标准化，又购买了PTC公司的机械设计自动化软件系统Pro/ENGINEER、Pro/Motion和Pro/Structure等三维设计软件进行辅助设计工作。应用PTC解决方案进行了包括“XGNE-40.5”在内的一系列新产品开发项目。

2 采用PTC解决方案的项目目标
（1） 由于市场需求和企业新产品开发计划的迫切要求，产品必须在两年内完成从研发到生产的全过程。
（2） 在产品的前期阶段能看到产品的三维仿真模型，同时应该可以在三维环境下很轻易地观察产品模型中任意感兴趣的剖面，以作为工程选型的基础。
（3） 采用自顶向下的装配设计，在设计中可以先用零部件的外轮部来考虑预留空间，然后在后续的设计中用详细设计的零部件进行替换。也可以在装配中进行零件设计以保证其形状和装配的精度。还可用干涉及间隙检查的功能来检查装配情况。
（4） 通过机构分析和产生的动作仿真看到我们所关心的零部件的速度、位置以及加速度，初步验证机构工作的正确性。
（5） 对产品设计的运动部分进行运动力学方面的研究和优化。
（6） 对产品设计的结构进行研究和优化。
（7） 行为建模生成关键零部件关键部位的外形。
（8） 产生开关设备装配过程和联锁操作过程的动态演示，为开关设备的装配工和维修员提供培训，
同时为用户和参观人员提供清晰的演示和教学。
（9） 产品设计过程中的数据库内容全相关性和工程数据的可再利用性。

3 采用PTC解决方案的项目内容
3.1 CAD实体几何造型（应用Pro/ENGINEER建立数学模型）
采用几何造型的方法将产品的数学模型在计算机内部建立，在几何造型时，我们力求做到以下几点。
（1）明确设计意图，创建几何模型，由设计要求导出几何模型。利用特征和设计基准，生成三维实体，可以在三维空间中观看它的形状；当需要修改零件时，只需修改尺寸或增加特征。
（2） 基于特征建模的全相关性和参数化。全相关性是指在设计过程中任何一处的变动都会反映到从设计到加工的各个过程，以确保所有零件和各个环节保持一致性和协调性。参数化是指用熟知的特征作为产品的几何模型的构造要素，通过给这些特征设置参数，然后修改参数很容易地进行多次设计，实现产品开发。
（3） 产品设计中的装配关系管理。将各个零部件装在合适的位置上，确定系统部件间的装配关系，系统会根据给定的约束自动地安排零部件的装配关系，如改变一零件的装配相关尺寸，则与它相关零部件位置或约束都会自动地改变。

3.2 CAE功能仿真（应用Pro/Mechanica进行优化分析）
（1） 干涉检查及结构检查。通过对各零部件的空间体积进行计算，可以及早的发现产品结构设计中相互干涉影响的部分，保证产品设计的正确性。
（2） 进行机构运动仿真。了解机构的运行情况，研究机构的灵敏度，自动地优化机构以满足特定的目的和限制，能够计算组合体中运动和影响运动的力之间的关系。使用这些计算结果通过改变参数可以实现最佳的设计方案来优化设计。具体地讲能完成以下的工作：简便而快速地校验机构模型的空间关系；利用行为建模功能合成凸轮轮廓并研究相应的运动条件下的参数变化；指定运动驱动器模拟机构运动中的实际载荷；优化机构模型，研究运动过程中各种可能发生的情况时参数及受力情况的变化。
（3） 结构优化设计。在一定载荷的条件下评估产品的性能，预测产品在实际使用环境下的性能，研究哪些设计参数对结构特性有最大的影响，进行几何形状优化。对产品设计构想中的任意类型结构进行建模，通过CAE分析结果比较各方案的优劣；施加不同载荷的约束，观察各参数及相关结构设计变量的变化情况；进行结构形状优化和灵敏度分析，寻找最佳工作点；针对设计方案，输出多种格式的结果，方便设计数据的共享。

4 PTC解决方案的实施过程及结果
该作品中应用PTC解决方案按照设计流程主要经历三个阶段（如图1所示），采用了Pro/ENGINEER 2001和Pro/Mechanica两种PTC软件模块。