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1、控制电器 张军化,2012年12月,现代低压电器设计,基于功能尺寸链的TOP-DOWN设计,多物理场仿真及优化,CAT及GD&T控制,拓扑优化设计,一： 基于功能尺寸链的TOP-DOWN设计简称功能设计,什么是TOP-DOWN？,Top-down(自顶向下)设计是一种设计思想，即设计由总体布局、总体结构、部件 结构到部件零件的一种自上而下、逐步细化的设计过程。 Top-down设计符合大部分产品设计的实际设计流程。比如载重卡车的设计，设计的 流程是先确定整车基本参数，然后是整车总布置、部件总布置，最后是零件设计和绘图。 这个过程就是Top-down设计的过程。,零件到组件,骨架-零件,何谓：设
2、计信息？,设计信息：骨架,骨架要求： 1 装配信息 2 功能特征 3 运动关系,一： 基于功能尺寸链的TOP-DOWN设计简称功能设计,功能尺寸链：在机器装配或零件加工过程中，由相互连接的尺寸行程的封闭的尺寸组 -互换性与测量技术基础 一维尺寸链：线性尺寸链，例如接触器开距 二维尺寸链：平面尺寸链，例如塑壳开距 三维尺寸链：空间尺寸链，例如起动器开距,低压电器设计关键参数： 开距 超程 锁扣量 脱扣力 触头压力,骨架,一： 基于功能尺寸链的TOP-DOWN设计简称功能设计,总体尺寸,性能参数,骨架,发布特征,TOP-DOWN,3D设计,3D设计,性能参数,DOWN-TOP,优化,核心思想： T
3、OP-DOWN：先设计性能，再设计3D，性能驱动3D；可多人协同设计，加快设计 DOWN-TOP：先设计3D，再分析性能，不断优化及修改3D。不利于协同设计,3D修改,各有优缺点,基于功能尺寸链的TOP-DWON设计,某国际公司微断设计手稿,Ex9S产品骨架,系统死点设计 锁扣量，脱扣力功能尺寸链 开距，超程，行程功能尺寸链,为CAT分析做准备,VOC-CCR,这种设计方法，究竟有什么好处？,协同设计，大幅缩短开发时间。 3D设计更准确，基于功能尺寸链的建模,二： 多物理场仿真及优化,低压电器,磁场,热流场,机构运动,强度及疲劳,仿真及优化,功能尺寸链设计 TOP-DOWN设计,磁场：冲击电磁
4、铁，动静铁芯 热流程：双金发热，电弧 机构运动：经典断路器机构，死点 强度及疲劳：关键零件的强度及疲劳寿命,3D,CAT,优秀的低压电器产品 设计师，需要掌握 什么？,公差 仿真,仿真的背后，是强大的理论 支持,3D,磁场,静态：定气隙值的B,F以及磁力线分布，可计算吸持功率 动态：变化气隙的B，F及磁力线分布，可计算冲击疲劳,如何降低功耗？,主磁通，漏磁通 吸力等,热流场,如何设计散热？ 传导，对流，还是辐射,机构运动,如何设计合理运动？要得到什么性能参数？,是否要经历无数次模型修改，才可获得准确运动？ 机构起动力矩是否合理？脱扣力矩是否过大？,静强度结算结果,疲劳寿命,最大表面应力减少10
5、MPa,寿命提高3W次,改进前,改进前,改进后,改进后,如何设计耐久性？,强度及疲劳,三： 拓扑优化设计,topology,最经济 难度最大,变密度法是拓扑优化设计最常用的方法。 引入一种假想的相对密度在01之间可变的材料，以单元的相对密度为设计变量，当 X=1时，则保留该单元，为0时则删除该单元。 通过单元相对密度的变化，导致单元刚度矩阵的变化，最终实现单元的增删。 拓扑优化是建立在有限元的基础上。,拓扑优化设计原理：,密度法中，弹性矩阵同设计变量存在如下关系,在密度法中，固体的相对弹性模量为：,表示为固体和空洞的材料的弹性模量。,3.1,3.2,目标函数是设计变量的函数，是优化设计追求的目
6、标。这个目标可以是结构总重量最小，或者是总造价最少，或承载能力最大，或自振周期最大等等，是一个约定的广义性能指标。结构设计，可以把不同性能要求作为目标函数，例如把最大等效弹性模量作为目标函数5，本文以最小柔度（最大刚度）作为结构设计的目标函数。,优化 设计三大变量,Structural Design Altair-Bus,CAD model with generic elements,System Level Requirements (Loads analysis and packaging),Finite Element Modeling,Size and Shape Optimizati
7、on,Altair OptiStruct,Final Design,Optimization in Practice Altair-Bus,图1,图2,图3,节省40%材料,加快机构速度 强度保持不变,Ex9S产品压板,优化前后对比,四： CAT及GD&T控制,CAT:计算机辅助公差分析 模拟产品真实物理装配，以统计学正态分布作为数据核心抽样方法，不断进行仿真 计算。最终得到了各功能条件的合格率，CPK，和影响功能条件的尺寸敏感度和权 重。根据现有制成能力和检测手段，不断优化结构和公差，以达到 目标：各设计参数的6西格玛设计；不合格产品，实现组装后合格产品 手段：CAT,开距抽样：正态分布,你
8、的断路器，实现了 6西格玛设计？,Simulation得到了很好参数 一旦量产，质量为什么不稳 定，甚至失控？,公差案例,公差分析（CAT）的核心是什么？,引入数量统计概念，考量制造波动，实现6西格玛设计,机构锁扣量敏感度,GD&T控制,坐标尺寸标注法,这有什么问题？,GD&T 是“Geometric Dimensioning and Tolerancing”的简称，即：几何尺寸和公差 GD&T是图纸上精确描述零件的国际语言 GD&T是精确的数学语言，描述零件尺寸、形状、方向和位置 GD&T是关于设计和标注零件的设计思路(基于功能的尺寸标注) GD&T标注，通常只对其功能尺寸进行标准。而未见尺
9、寸可见3D，此类应用在汽车行业已普遍使用。 GD&T标准：American National Standard (ASME Y14.5-2009) 美国标准,CAT计算结果，最终通过GD&T标注，实行控制,1,2,某国际公司尺寸设计,蓝色线条即为此零件功能尺寸,目标控制：黑线线条,3.9.3 9S32 功能尺寸控制图,GD&T:1 尺寸链设计 2 基准 3 公差设计和仿真分析 GD&T语言，是任何一个环节的通用语言，包含了设计，加工，检测，装配思想,现代低压电器设计：功能设计,客户要求 VOC 市场调研,样机分析 关键技术 指标（ CCR） QFD FMEA等,系统设计 功能尺寸链设计,设计可行,3D设计： 零件定位系统设计 （DFX） 面向装配设计 面向注塑设计 面向冲压设计 面向焊接设计,多物理场仿真及优化 尺寸，形状及拓扑 优化,公差仿真及优化 2D GD&T控制,功能技术实现,优化设计,样机机械性能测试 电气性能测试 尺寸测量 改进及优化,量产准备,THANK YOU,
