3D打印结构设计_3D-CAD技术开启电力电子装置结构设计新模式
时间：2019-05-13 03:24:41 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
摘要：介绍了3D-CAD技术及电力电子装置结构设计的概念，对该类装置结构设计的传统模式及问题进行了归纳；对3D-CAD技术在电力电子装置结构设计中的显著优势进行了探讨；对目前国内企业该类装置结构开发过程中3D-CAD技术的应用现状和存在问题进行了剖析，最后对未来3D-CAD技术的发展和应用进行了展望。
关键词： 3D-CAD电力电子装置结构设计模式
中图分类号：TP391.7文献标识码：A文章编号：1007-3973（2012）004-086-02
13D-CAD技术的概念
CAD，即计算机辅助绘图Computer Aided Drawing，传统层面上是指二维计算机绘图技术。3D-CAD技术，即计算机辅助三维设计 Three Dimension- Computer Aided Design。20世纪70年代，飞机、汽车、家电、通讯工具等工业化产品的设计及制造中遇到了大量的复杂曲面问题，为了能够快速、准确、完整、简易地表达所要设计的特征，人们开发出了三维曲面设计系统。从此，使CAD技术从2D向3D完成了转变和跨越。3D-CAD技术的核心应用价值是用三维软件来完成设计。是通过一种途径，仿真出一个电子数据模型，分析其外观造型、结构设计、加工及组装工艺、装配关系等，进而可快速、准确、低成本地连续修改特征数据，使之满足设计要求。同时，三维实体模型文件电子存档后，不但能为装置的维护和数据查询带来巨大方便，更为公司后续新装置和系列装置的开发提供了模型数据的积累，实现了真正的Computer Aided Design。
2电力电子装置结构设计传统模式
2.1电力电子装置结构设计
电力电子装置的结构设计，主要包括：电气元件、功能模块、控制系统、散热系统的空间结构及基本的行线工艺；元件的安装方式、固定方法及可维护性；散热系统能满足该装置的发热需求；装置整体结构尺寸及外观合理，符合小巧轻薄、技术和艺术相结合的现代设计理念。电力电子装置和一般装置的结构设计主要区别为：(1)装置内有高频和大能量辐射源，电磁兼容性很难保证，因此对元器件在结构中的空间位置、线缆的行线方式及安装工艺要求比较严格，需众多相关环节的人共同讨论和设计方能形成一个合理实用的应用方案。(2)该系列装置工作过程中，半导体模块、电抗、电阻、电容等电子器件会产生大量的工作热，因此设计一个高效理想的散热系统至关重要。
2.2电力电子装置结构设计传统模式
传统的电力电子装置结构设计，整个过程通常有以下几个阶段。
初设计。按预估尺寸设计出主要结构及尺寸，甚至是简单勾勒几个草图。通常该部分图纸能满足装置样机基本的生产和安装需求。
初加工。按设计的图纸加工出所有的结构件。
实物组装。待PCB控制板设计并制作完毕、主要元器件购买到位后，在结构人员的指导下进行样机组装。固定孔现场配作；遇到没有设计的结构零件，根据安装需要现场设计 、制造并安装；遇到没有购买的电器元件，根据实际需要再进行采购与安装；最后完成线缆的安装。实物组装阶段，未知情况太多，需要反复拆装和更改样机结构。在传统结构设计过程中，该过程最为重要，花费的精力、物力和财力也最大，通常要持续5~15个工作日。
散热测试。样机组装完成后，根据装置使用的工况进行散热测试。测试过程中，需要不断调整风机的大小、风速、串并联使用方式、风道结构等，直至散热系统能满足该装置的发热需求。
样机评估。装置样机测试后，企业组织相关专家和技术人员来共同对样机的整体结构进行全方位的评估，并提出改进意见。
新样机设计、制造与重测试。在样机基础上优化设计，使装置结构及工艺能更合理，更具应用性。新样机经过安装与测试，如有问题的，还要继续更改结构，直至满足设计要求。
设计形成。最终稿样机经各项指标通过后，结构设计人员再根据样机结构进行现场测绘，就可形成了一套完整的结构设计图纸。
总之，传统的电力电子装置的结构设计重样机、轻设计，方法比较繁琐、笨拙，未预知因素较多，为了验证是否达到设计意图，必须要制造物理样机来进行匹配，研发周期太长，成本太高，使得该类装置的开发和更新换代一直受到制约。
3电力电子装置结构设计新模式
3D-CAD技术的不断成熟，开启了电力电子装置结构设计新模式。从装置基本功能架构设计、内部元器件排列及线缆设计、外观设计、实体工程设计、热仿真设计到图纸输出，整个过程完全实现了一个高效精准的、无纸化的设计过程。新模式使繁琐的“样机”制作过程不再成为企业研发的噩梦。
3.1概念设计
概念设计阶段，结构设计师完成一系列针对装置结构方面的方案仿真工作，此阶段主要使用以3DMAX为代表的快速造型设计软件。
3.1.1思路设计
结构人员根据需求，用3D软件仿真出装置结构的基本设计思路：安装环境是室内还是室外；是屏柜式、箱体式还是抽屉式；是立式还是挂式；是多模块拼装还是大模块组合；断路器、接触器、IGBT等主要元件在装置内的空间位置；端子排及进出线情况；散热系统框架及进出风方式等。一般电力电子装置而言，完成此阶段通常只需1~2个工作日左右。
3.1.2行线设计
针对仿真好的模型，召开一次技术开发会议。有2个目的：
(1)对装置前期结构设计成果进行讨论和修正，明确设计意义；
(2)相关人员一起对装置线路及安装工艺进行设计和规划：线缆具体行线及施工工艺、线缆标准及特殊要求、线槽设置与设计、EMC应对措施、整个线路布局既经济又符合美学理念等都明确下来。
会议后，结构人员按照讨论方案，将整体线路仿真到装置结构中。
3.1.3 造型设计
经过以上设计，装置内部结构已基本定型。接下来就是外观造型设计。对电力电子装置，通常客户更多关注的是功能。因此，此阶段，结构设计师更多的是考虑装置外观色彩效果、表面处理工艺及前面板图案设计。设计师利用3DMAX，通过对灯光、材质、滤镜等仿真参数的调节，可快速渲染出外观设计效果，如果对输出效果要求更高，则可结合使用VRay、Brazi等外挂渲染器可渲染出照片级效果图。效果设计完成后，方案经讨论、修改并确认。
3DMAX强大、快速的Poly建模和面建模功能为装置的概念设计提供了技术保障，使得装置结构的每个设计细节包括外观效果都能生动真实地展现给讨论方，从而保证了设计的有效性。等CAE热仿真结束后，就可形成一个应用级虚拟三维模型。真正意义上的装置结构设计工作到此基本结束。
3.2散热系统设计
电力电子装置散热系统的设计包含了散热器的设计及风道的设计。Ansys和Flothem等CAE热场分析技术为散热系统的设计和测试提供了虚拟解决方案。通过CAE热仿真软件，影响系统散热的所有单元都可在软件中形成一个三维仿真模型，然后利用该类软件的热分析及计算功能，并能动态和静态地显示热效应结果。通过仿真结果，设计人员就可在软件里不断修改元素，直至形成一个既符合整体结构又能解决散热的仿真系统。从根本上解决了样机反复热测试的工作。
3.3工程设计
装置概念设计和散热系统设计结束后，就进入了工程设计阶段，此阶段主要使用CAD技术中的实体三维建模来实现装置的工程设计。3D-CAD工程设计软件，如UG、PRO/E、SOLIDWORKS等，为三维建模提供了多种实现途径，可使设计人员方便地进行特征设计和曲面设计。Part子模块使用参数化建模，零件特征的设计尺寸被关联化。若要对尺寸进行局部修改，只需要更新一个参数，整个零件结构将做自动更新，为设计人员节约了大量的修改时间，并保证了设计更新的连续性和有效性。Assembly子模块使设计人员直观地看到各零部件装配后的状态，还可以对各装配尺寸进行真实测量,极大方便了设计。装配子模块下的干涉分析功能，能根据各装配零件的空间尺寸来确定是否干涉，并自动生成分析报告，明确指出互相干涉零件的名称和干涉位置，使设计更改更具针对性。工程设计最终的结果是实现图纸输出，CAD三维软件从根本上解决了这个问题。设计人员对三维模型反复修正后，利用Drawing子模块，可方便的生成能直接指导生产的二维工程图。所有数据尺寸直接从三维实体转化而来，极大地提高了设计效率及成功率。此阶段基本不再考虑结构设计问题，只需按此前已仿真好的概念模型生成实体工程模型，并将所有安装孔位生成设计即可。
3D-CAD技术为电力电子装置结构开发提供了新思路和新模式。整个产品开发设计过程可并行进行，彻底改变以前那种现先有安装实体，最后才能拼搭样机的传统模式，大大缩短了开发周期，并从根本上提高了开发成功率，为企业带来的价值也不言而喻。
43D-CAD技术在企业电力电子装置结构开发中的应用现状
我国3D-CAD技术的应用始于20世纪80年代，发展迅速。但总的来说，国内3D-CAD技术在企业电力电子装置结构开发中应用的水平还有很大提升空间。主要原因在于：
4.1未能真正实现辅助设计
企业在使用3D-CAD技术进行电力电子装置结构开发时通常有二方面的问题：(1)不进行概念设计，直接进行工程设计。该类装置结构设计的特殊性，决定了需要反复修改和众多人员参与的设计过程。而工程设计三维模型一旦完成，软件固有的建模属性决定了修改起来势必会增加很多工作量，加大开发周期，而概念设计软件则能出色灵活地完成这一任务；而且工程设计软件在线缆设计和造型设计方面没有概念设计软件更直接方便，不利于设计讨论的形成。(2)很多企业并未真正运用3D-CAD技术进行整体空间设计、受力分析和热分析。他们只是用计算机辅助出图，只停留在这个阶段，就失去了其应有的价值，因为3D-CAD的最大价值是辅助设计，不是辅助出图。
4.2企业投入不够
3D-CAD技术是一个复杂、多样的系统，技术更新快，并不是每个设计人员都能很好地接受和掌握，而且相当企业的设计人员并没有正规地接受过CAD软件的应用培训，对软件的大多数功能了解不够透彻，但多数企业并不想投入更多的成本来改变这一现状。随着消费者对产品要求的进一步提高，企业自然会加大CAD技术的投入来提升产品的竞争力，这需要经历一个长期的市场化的过程。
5结束语
3D-CAD技术在电力电子装置结构开发中极具优越性，它能辅助技术人员快速、准确无误地进行装置的设计，真正做到“从概念设计到零件加工全数字化、无纸化”，缩短装置研制周期，降低装置成本和废品率，为装置开发提供了新的设计理念。另外，随着智能技术、网络通讯技术和人机交互技术的成熟和发展，利用基于网络CAD/CAPP/CAM/PDM/ERP系统集成技术，实现真正的全数字化的研发、设计、制造和管理，已成为发展大趋势。
参考文献：
[1]魏生民.机械CAD/CAM[M].武汉:武汉理工大学出版社,2001.
[2]段清.CAD技术在机械工程设计中的发展与应用[J].山西科技,2005,(5).
[3]张佑生,王雷刚.智能CAD方法及应用[J].合肥工业大学学报,1999,(8).
[4]刘芒果.机械CAD三维设计的应用研究[J].煤矿机械,2005,(9).
