Inventor参数化变压器三维结构设计

张 丹

0 引言

铁道牵引变压器日趋标准化，电压等级从110 kV一直延伸到330 kV，连接组别一般采用Vv，Vx等几种方式。但是因其使用地区不同，线路负荷差异，以及运输方式，运输线路的不同，变压器的具体参数会发生变化。随着设计的进行，各种变压器的结构日趋标准化，参数不同的变压器，结构设计方案基本不变，仅细微结构有所改变，因此设计工程师的工作大量重复，浪费了很多宝贵时间。

笔者利用Inventor软件对变压器外部结构进行了自顶向下的参数化设计与优化，成本优化，并且进行了3D设计图和2D工程图的关联，使得图纸完成迅速且无错化，减少了校核与审核的时间，缩短了制造周期，节约了变压器成本。

Inventor是Autodesk公司开发的一种3D画图软件，能够对结构件进行力学分析。而且Inventor与传统的绘图软件Autocad属同一公司，3D/2D之间可以无缝化连接。

传统的2D设计一般先从主体布置图入手，然后逐步细化，笔者在3D设计中，也秉承了变压器设计一贯的自顶向下设计（Top-down），从变压器的基本参数入手，按部就班的分解成模块，配合大量工厂标准化通用件的使用，可以节省设计时间，并且在设计之初就对变压器进行参数化设计，致使形式基本一样的结构，可仅修改几个参数就能得到最终的变压器图纸。

1 Top-down的设计思路与流程

Top-down自上而下的设计是变压器传统 2D图纸设计一般采用的方法，由在顶端的变压器基本参数自上而下的传递，由参数划分模块，每个模块都与顶端数据关联，而模块和模块之间又相对独立，这样一来可以分组、分人共同设计，大大缩短了设计时间。

设计流程如图1所示。

1.1 初步确定变压器结构

由变压器规格书中的用户要求，依照工厂标准，确定变压器的基本形式，如器身绝缘布置，散热结构布置，储油柜布置等。选取最优化的设计方案，为下一步设计做好基础。

1.2 编写基本参数及细化参数表格

基本参数包括油箱的长度，宽度，高度等由计算单传递基本不做更改的参数。

图1 Top-down的设计流程图

细化参数是指需要空间布置，但是又在3D图纸中肯定会用到的参数。因铁道牵引变压器日趋标准化，这类参数可由油箱长度，宽度，高度等基本参数经固定公式计算得出。诸如，高低压套管的开孔形式，开孔位置；接地部分的布置参数等。

图2是Inventor的fx参数表，表中的参数与变压器的 3D模型之间通过等式关联，例如：d0=油箱长度。等式中的“油箱长度”是在参数表中定义的一个参数，而 Inventor中的参数表与外部的Excel表格关联，修改外部的Excel表格中的参数就可以直接更改3D模型。

图2 参数链接表图

1.3 参数化建立油箱主体骨架

油箱的主体骨架是由第1.2节中的基本参数完成的，该主体骨架只与极少的基本参数关联。

骨架图相当于2D设计中的初始布置图，是整个3D模型的基础，当骨架图发生变化时，由骨架图衍生出来的零件图就会发生改变。在该步骤中还需确定基准面，基准点。标准基准面，点的建立可以使以后的装配过程标准化，易于操作。

图3为利用第1.2节参数表中的参数搭建的油箱主体骨架，利用该骨架在以后的流程中逐步完善装配。

主体骨架图可以生成关联的独立零件，例如上节油箱，箱沿等，它们本质上都与该主体骨架联系，是一种继承关联的关系。

1.4 通用件选择

选定工厂标准化库里已有的通用件有利于生产和加工，该通用件基本可以包括变压器外部结构的所有模块，诸如套管升高座，油箱加强铁，千斤顶等，大量地选用通用件可以大大缩短设计时间和减少在生产过程中碰到问题的几率。对于在设计中没有的通用件则需要新建模块设计，然后再将新建模块补充到通用件之内，丰富通用件库。

图3 油箱主体骨架图

1.5 与上级模块配合油箱参数

上级模块是指铁心设计模块、引线设计模块等。在第1.3节中油箱主体骨架参数的基础上来确定与上级模块配合的参数，具体包括：散热结构的布置参数，内壁加强铁位置参数，压力释放阀等附件具体位置参数等。

在该步骤中，各级参数进行互交，对参数表进行完善及修改，使其完全关联3D设计图。该步骤与第1.2节中的步骤是一个循环过程，通过与上级模块的互交，进行通用件的初选，完善油箱参数。

1.6 完成油箱装配并进行受力分析及优化

利用第1.5节中的参数，以及第1.4节中的通用件，对油箱完成装配，从而转向结构设计的重要部分，受力分析。

Inventor软件中自带了受力分析的程序，用该程序可以仿真油箱的受力结构，通过对结果的分析对油箱的材料优化，优化油箱钢板的用料，优化加强铁的布置结构。

一个中等规模的变压器油箱结构件的重量在20 t以上，对油箱结构的细小优化，能节约很可观的成本。

图4为变压器上节油箱的受力分析图，图中钢板最大位移形变为8.725 mm，在安全范围内。

图4 上节油箱应力分析图

1.7 总装配及通用件完善

在第1.6节的基础上对变压器外部结构进行所有的装配，将升高座，储油柜，开关等配件分步，分批装配。

为了缩短设计时间以及简化设计参数，可利用已经完成的总体骨架图以及基本参数将总装配分割成若干模块。如高低压引线，铁心接地，器身绝缘等，每个模块之间只有关键数据互交关联，其余的参数只在该模块内使用，这样减少了占用的资源量，而且并行设计减少了工作时间。

总装配的最后一个阶段是自适应模块装配。自适应功能是Inventor软件里一个很强大的功能，即在Inventor的部件环境中建立部件或零件，使得新零件及部件与上级部件关联，在更改参数后自动的更改3D模型，缩短设计时间。

以联管焊接模块做一说明，一个大中型的变压器，最终的设计模块一般都是联管焊接，联管焊接都是由高低压升高座引管路与储油柜相连，每一个从高出箱盖的部分都要引出一个管路，在传统的2D设计中，一般都需要画出完整的三视图才能完全把管路的走向，长度确定，费时费力。而且每一次的变压器参数的细小改变就需要对联管焊装模块进行重新设计，所有的工作都需要从头进行。

而在3D图纸中，设计者可建立自适应的联管模块，标定需要自适应的管路起点，终点，然后利用3D草图功能，完成联管焊装模块。而且这样完成的自适应模块可以自动满足人们对变压器参数的修改，修改升高座的间距，储油柜的高度，管路就会自动的建立，免去了重复性的工作，大大节省了时间。变压器总装配3D模型图见图5。

图5 变压器总装配3D模型图

1.8 总装配的模块分割并生成传统2D工程图

在总装配3D图纸完成后，对bom表格进行编辑，设置其中零件的可见性以及 bom表格属性，选择性的将零件导入工程图纸中，分模块生成工程图纸。

在第1.7节流程中笔者对一些零件及模块虚拟装配，这样在 bom表格中能对该虚拟零件编辑，但是在3D模型中并没有出现，减少了对计算机资源的占用，提高了工作效率。

图6为变压器总装工程图。

图6 变压器总装工程图

2 设计总结

在利用Inventor软件进行Top-down的设计过程中，笔者总结出几条经验，首先自顶向下参数化设计需要建立在一个完善的标准件通用件体系中，Inventor设计广泛的采用这些通用件，会大大的缩短设计时间，而且有利于后期新图纸的参数化关联。新建模块，利用自适应功能，对其完全约束，在之后的图纸设计中，这些新模块会自动装配与关联。在3D图纸中可以加入虚拟零部件，简化设计，减少计算机资源占用。

Inventor软件的 Top-down的设计思路可以运用在变压器各种结构设计中，一些先进的设计思路和设计方法还有赖于更多的设计者的参与与实践。

[1]胡仁喜.Inventor 10中文版机械设计高级应用实例[M].北京：机械工业出版社，2006.

[2]陈伯雄.Autodesk Inventor Professional机械设计实战教程[M].北京：化学工业出版社，2008.