UG/WAVE技術在鋁氧化銀電堆結構設計中的應用

牛長冬

(中國電子科技集團公司第十八研究所，天津300384)

UG/WAVE技術在鋁氧化銀電堆結構設計中的應用

牛長冬

(中國電子科技集團公司第十八研究所，天津300384)

鋁氧化銀電堆雙極性堆式結構復雜，關聯數據較多，采用傳統自底向上的設計方法已無法滿足其設計要求。介紹了UG/WAVE技術及其自頂向下的建模方法，研究了某型號鋁氧化銀電堆雙極性堆式結構設計以及裝配夾具設計的WAVE技術。采用WAVE設計思想和方法，可以有效地解決雙極性堆式結構之間的相互關系，以及裝配夾具與電堆結構之間的配合關系，提高了設計的效率，縮短了設計周期，使并行工程的優勢得到充分的發揮。

WAVE；自頂向下設計；結構設計

隨著世界各國潛艇和水面艦艇性能的大為改善，各種抗魚雷技術(誘騙、干擾和迷惑)的進步，魚雷命中的難度越來越大，伴隨著攻擊對象航速有了較大的提高，魚雷也必然向著高航速、遠航程、高性能的方向發展。影響電動魚雷性能的關鍵是電源，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?，F役法國的“海鱔”，歐洲的MU90魚雷和“黑鯊”等均采用了該種電源。

鋁氧化銀電源主要由輔助系統和電堆兩部分組成，輔助系統用以控制激活電堆和維持電堆正常放電，電堆則負責對外輸出能量。鋁氧化銀電堆內部是由若干雙極性平板串聯而成，其外部結構表現就是雙極性堆式結構樣式。其本體結構設計往往需要根據總體要求、實驗放電結果要求以及輔助系統要求來進行相應的變更，這種變更必然會影響自身零部件和裝配夾具的設計，而傳統的自底向上設計方法只能逐個更改每一個零部件結構，這樣必然造成效率低下、設計周期長等弊端。如何能在設計當中快速解決這些問題，實現電堆結構和裝配夾具的并行設計，本文采用最新的UG/WAVE技術對鋁氧化銀電堆堆式結構設計和裝配夾具設計展開應用性研究。

1 UG/WAVE技術簡介及功能特點

WAVE(What-if Alternative Value Engineering)是美國UGS公司在其核心產品Unigraphics(簡稱UG)上進行的一項軟件開發，是一種實現產品裝配的各組件間關聯建模的技術。它是在概念設計與最終產品及夾具之間建立一種相關聯的設計方法，能對復雜產品的總裝配設計、相關零部件和夾具設計進行有效控制。總體設計可以嚴格控制總裝配體和次級裝配體及零部件的關鍵尺寸，而無需考慮細節設計；而零部件的細節設計對總體設計沒有影響，并無權改變總體設計的關鍵尺寸。因此，在主模型完成總體設計之后，次級裝配體及零部件、夾具可由設計團隊中不同的人完成，實現了并行工程(Concurrent engineering)。當總體設計的關鍵尺寸修改后，次級裝配體、零部件以及夾具的設計自動更新，從而避免了零部件重復設計的浪費，使得后續零部件的細節設計得到有效管理和再利用，大大縮短了產品的開發周期，提高了企業的市場競爭力。

其主要應用模式有以下三種。

1.1 關聯零件間建模

關聯零件間建模是WAVE最基本的功能。在一個裝配中，利用已有的零件，通過關聯性復制幾何體的方法建立另一個零件或在另一個零件上建立特征，維護了設計的一致性和完整性。

1.2 自頂向下的產品建模

通過在裝配中建立產品的總體參數，并將控制幾何對象關聯性復制到相關零件，使組件的裝配位置和精度得到嚴格的技術保證。當產品的幾何對象修改后，相關組件的細節設計自動更新，顯著縮短設計周期，避免重復設計。

1.3 WAVE控制結構

使用控制結構方法，可以將產品總體設計和零件設計分離出來，形成各自獨立的裝配結構，以滿足總體控制結構和結構細節設計的不同需要。

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構的設計與實際裝配分析

鋁氧化銀電堆堆式結構是由正極、負極、隔膜粒、進出口分液板、正負集流板、正負端板、正負引出極柱、套筒、拉桿和輔助系統管道等零部件組成。其實際裝配工藝為先將隔膜粒遷移至負極，與分液板粘接組成負極組件，再與正極粘接組成雙極性平板，若干個雙極性平板粘接疊加后組成雙極性模塊，若干個雙極性模塊與帶有集流板的端板粘接即為電堆的堆式結構，然后拉上拉桿，最后與套筒進行密封膠封裝成電堆。整個裝配過程必須由裝配夾具來實現，一旦電堆的整體設計發生更改，那么裝配夾具必須更改。傳統設計方法是指設計人員先設計單個電堆零部件，在此基礎上進行虛擬裝配生成電堆結構，即自底向上設計方法。這種設計方法建模虛擬裝配時需要設計人員交互給定各零部件之間的配合約束關系，最后由系統自動計算零部件的轉移矩陣。然而，給定零部件之間的配合約束關系不僅費事，并且當零部件之間的配合較多或者設計有誤時，容易出現約束不當或約束出錯等情況。而且由于鋁氧化銀電堆堆式結構的復雜性，其結構設計往往需要根據總體要求、實驗放電結果的相關數據要求以及輔助系統要求做一些變更，一旦上述要求發生變更或者設計不合理，就要對其進行重新設計，相關零部件也需要進行更改，并需要重新虛擬裝配，同時實際裝配需要的夾具也需要更新，這必然需要耗費大量時間和精力，設計周期必將加大，所以傳統的設計方法已經無法跟上技術產業革新的步伐。而利用UG/WAVE技術，設計人員只需要根據要求來識別驅動其產品設計一些關鍵尺寸，并將這些關鍵尺寸進行關聯復制，當設計的關鍵尺寸發生變更后，其相關零部件的設計也會自動更新，并且不存在整體結構干涉現象發生，同時裝配夾具的設計也會自動更新，因此這種技術方法對于復雜的鋁氧化銀電池電堆堆式結構來說，不僅是目前最佳的設計手段，而且也是最新穎的設計理念。

3 UG/WAVE技術在電堆堆式結構設計上的應用

產品的設計是一個漸進的過程，一般經過概念設計、參數化設計和詳細設計三個階段。這種漸進式的設計過程，就是自頂向下設計[3]，如圖2所示。

圖2 自頂向下設計過程

鋁氧化銀電堆堆式結構就是基于UG/WAVE技術自頂向下的設計思路建立的模型。該結構均為自行設計，并使用電子表格和表達式控制模型的數量、關鍵尺寸和裝配尺寸，使得整個堆式結構模型與裝配能得到有效的控制。其設計流程如下：

首先根據總體技術指標要求確定正負極的尺寸、質量和數量，在明確這些參數之后，首先要建立頂級部件，其中包括基準面、基準軸、草圖、關鍵點等，這些幾何元素要被準確控制，并且易于修改。頂級部件包含最基礎的產品參數，如電堆高度、直徑等幾何參數與輔助系統預留管道、溫控閥、分離器等等裝配尺寸。頂級部件使用電子表格建立表達式控制產品數量、幾何尺寸與裝配尺寸，這些表達式可以有效地控制電堆形狀。

建立完頂級部件后，使用WAVE模式創建下一級部件建立起始部件分液板，將基準面、邊、線、草圖、關鍵點添加到新構件中，創建分液板實體模型。此時分液板與正負極組成雙極性平板，利用數量完成堆式結構的建立。然后繼續使用WAVE模式創建下一級部件建立模型部件集流板，以此類推。其設計流程圖如圖3所示。

圖3 電堆堆式結構設計流程圖

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聯性復制到正端板，再拉伸即可生成端板部分結構。因此，使用WAVE方法使得建模更加方便快捷，另外，當分液板的尺寸、相應表面孔的大小位置改變時，端板部分結構會自動更新，從而保證了兩個零件參數的全相關，而且不會影響端板的其它結構設計。

圖4 建立端板結構

4 UG/WAVE技術在電堆裝配夾具設計中的應用

鋁氧化銀電堆結構裝配主要分為負極組件裝配、雙極性平板裝配、模塊裝配、總裝配、灌封以及密封檢驗等幾個環節。每個環節都需要相同或者不同的裝配夾具來實現。其中以負極組件的裝配尤為重要，其每個零部件(包括進口分液板、出口分液板以及負極三部分)均需要定位。由于后續的雙電極平板裝配、模塊裝配和總裝配也都需要該定位來實現，所以可以設計一套裝配夾具來滿足不同的使用功能。下面以該裝配夾具單元的設計來說明WAVE技術的應用。

(1)在UG建模模塊中利用自頂向下方法建立負極組件夾具裝配目錄。

(2)利用WAVE技術把電堆結構設計三維建模中的分液板和負極裝配數據鏈接到相應的負極組件裝配夾具單元中，在進行定位結構的設計中，可以從分液板直接把孔的位置WAVE到定位下支架零件中，作為分液板定位銷的裝配基準。

(3)再利用WAVE把負極的邊緣數據鏈接到到負極定位零件中，對負極定位進行細節設計，完成負極組件定位裝配功能。

(4)在模塊裝配中，要求實現正負極絕緣可測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，并關聯復制定位支架，設計上支架，二者之間加高度基準塊來保證高度一致性要求，同時利用負極邊緣某一位置在上下支架上設計結構實現絕緣的可測試性。

(5)利用WAVE將負極組件上分液板的流道孔關聯復制到上定位支架，拉伸成孔，實現總裝配的功能目標。

在進行裝配夾具結構設計中，由于所有裝配夾具的關鍵尺寸均由電堆尺寸WAVE而來，那么如果電堆的設計結構有更改，其夾具也會隨之自動更新，也可以隨時在裝配夾具結構中設置諸如此類的細節結構設計，后續的結構設計也會自動更新，極大地提高了設計效率。

5 結論

鋁氧化銀電堆堆式結構復雜，往往根據多種要求來設計實現其結構功能。傳統自底向上設計方法不僅費時費力，而且設計周期非常長。而采用全新設計理念的UG/WAVE技術，可以方便快速地建立鋁氧化銀電堆堆式結構模型，實現電堆結構和裝配夾具并行設計，并且無須過多考慮結構上的細節?？傮w設計通過控制電堆結構數據傳送到每一個零部件，并可以隨時根據總體要求、實驗結果要求以及輔助系統要求修改結構設計，同時后續的結構設計也會自動更新，提高了設計效率，縮短了設計周期。

[1]蔡年生.國外魚雷動力電池的發展及應用[J].魚雷技術，2003，3(1)：12-16.

[2]Unigraphics Solutions Inc.WAVE產品設計技術培訓教程[M].北京：清華大學出版社，2002.

[3]董益量．WAVE技術及其在自頂向下設計中的應用研究[J]．機械與電子，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

牛長冬(1979—)，男，吉林省人，工程師，主要研究方向為鋁氧化銀電池。