基于SolidWorks Flow Simulation的多点滚轮焊头结构优化

冯晓虎，李向东

(太原风华信息装备股份有限公司，山西太原 030024)

基于SolidWorks Flow Simulation的多点滚轮焊头结构优化

冯晓虎，李向东

(太原风华信息装备股份有限公司，山西太原 030024)

利用SolidWorks Flow Simulation流体分析软件，对一种应用于太阳能电池焊接所设计的多点滚轮焊头，进行计算流体力学分析，使用图表方式对得出的数据作了分析对比，并对结构进行优化设计。探索一种应用计算流体力学分析软件对机械结构进行优化设计的方法。

太阳能电池；多点滚轮；SolidWorks Flow Simulation流体分析；结构优化

随着光伏行业的不断发展，太阳能组件的生产进入自动化阶段。自动化生产提高生产效率，提高产品质量。尤其在人工成本不断增长的今天，自动化生产能极大地提高企业的经济效益，加速企业的发展。为了降低制造成本，太阳能组件生产中所用的电池片厚度越来越薄。在太阳能电池片串联焊接时，焊带与电池片需要有一定程度的接触，面对薄而脆的电池片，接触压力过大，容易产生裂片，接触压力偏小，又容易造成虚焊。焊接，作为太阳能组件加工的重要组成部分，其质量好坏直接影响组件的效率和使用寿命，这样，焊接时所用焊头的设计显得尤为重要。

本单位研发生产的串焊机，模拟手工焊接的方式，制成多点滚轮焊头，对太阳能电池进行多点焊接。该焊头通过控制每个滚轮处气流量的大小，实现对多点滚轮的压力控制，从而完成焊带与电池片的焊接过程。

由于生产的需要、空间限制，在对焊头作结构设计时，焊头所用的滚轮被集中安装于一定尺寸的零件上。根据树状管路的形式，在零件内部制成一定结构的管网，自入口气源处一点分叉，将主管道中的流体引向多点，满足设计需求。笔者以此滚轮焊头为例，利用SolidWorks Flow Simulation流体分析软件，对该多点滚轮焊头的气道进行计算流体力学（CFD）分析。

1 流体分析

1.1 建立物理模型

根据结构要求，使用SolidWorks三维软件设计出如图1所示的物理模型。为了降低机械的加工难度，在模型结构设计时，设置每个出口的截面积是相同的。利用SolidWorks Flow Simulation进行计算流体分析时，需要对模型进行封闭处理。在新建流体分析项目时，分别对模型的入口和多点出口使用固体封盖以关闭开口。

图1 三维结构物理模型

1.2 初始设置

使用SolidWorks Flow Simulation中的向导，进行初始设置。在常规设置中，分析类型选择为内部流动；考虑封闭腔方面，选择排除不具备流动条件的腔；通过对模型进行“检查模型”，显示状态为正常，分析类型选择为内部。流体选用空气，空气容易获取，成本低廉，可广泛应用于实际生产。壁面条件：选择绝热壁面，粗糙度为0微米，不考虑零部件在制造与装配过程中对管路壁面的影响。

单位系统中，设置压力和应力为MPa，速度为m/s，长度为mm，温度为℃，物理时间为s，体积流量为L/s。

初始条件：压力0.101325 MPa；温度20.05℃。

根据三维模型结构及计算机配置，设定初始网格的级别为3。根据模型的大小，对计算域进行编辑，使其覆盖整个待分析的物理模型。

1.3 确定边界条件

工作时，管路入口有一个可以设定压强数值的气源，出口直通大气。结合模型管路结构及其实际的使用情况，设置入口总压为0.5 MPa，设置多点滚轮的出口环境压力为0.1 MPa。

1.4 求解目标设定

选择入口和出口气体的体积流量作为分析的求解目标，对模型进行流体分析求解。体积流量反映了单位时间里经过流断面的流体体积。

图2为该流体分析软件在运行时的求解器信息。其中流体网格2 963个，部分网格1 641个，运算时长131 s，满足该流体计算分析要求。

图2 求解器信息表

图3所示为气体在该物理模型内的流动迹线。出口入口的体积流量表如表1所示，各出口数值中的“-”代表气体流动方向与入口的气体流动方向相反。依照气体在三条出口管路中流经出口的先后顺序，分别命名每个出口，即：左出口1、左出口2、左出口3、左出口4、左出口5、中出口1、中出口2、中出口3、中出口4、中出口5、右出口1、右出口2、右出口3、右出口4、右出口5等。本文中，流体体积流量偏差控制在±15%以内，可以认为其体积流量近似相等。

2 模型第一次优化

图3 气体在模型内的流动迹线图

针对左路5个出口的体积流量较大的情况，不改变出口数量，对模型管路内部结构进行优化，在靠近中路与右路增加一路通气管路，并进行新一轮的流体分析。通过对新增通气管路的位置进行多次调整，并进行相应的流体分析，得出如图4所示的气体流动迹线图，新增通气管路中有流体对右路、中路进行分流。

图4 模型第一次优化后气体的流动迹线图

表1 气体在模型中的体积流量表

由表1显示，左出口1体积流量＞中出口1体积流量≈右出口1体积流量，左出口2体积流量＞中出口2体积流量≈右出口2体积流量，左出口3体积流量＞中出口3体积流量≈右出口3体积流量，左出口4体积流量＞中出口4体积流量≈右出口4体积流量，左出口5体积流量＞中出口5体积流量≈右出口5体积流量，即中路与右路在每个相同位置的出口体积流量近似相等，而左路的5个位置的出口体积流量都相对比较大。在左路、中路和右路的每条管路中，出口1至出口5的体积流量逐渐增大。

由表2中气体在模型中的体积流量数值显示，左出口1体积流量≈中出口1体积流量≈右出口1体积流量，左出口2体积流量≈中出口2体积流量≈右出口2体积流量，左出口3体积流量≈中出口3体积流量≈右出口3体积流量，左出口4体积流量≈中出口4体积流量≈右出口4体积流量，左出口5体积流量≈中出口5体积流量≈右出口5体积流量。而在左路、中路和右路三条管路中，出口1至出口5的体积流量依旧规律性地逐渐增大。

3 模型第二次优化

针对模型第一次优化后，出口1至出口5体积流量规律性增大的情况，在模型的每个出口增加类似阀门结构，通过调节阀门开口的大小，对各个管路上每个出口的截面积大小进行控制，并通过SolidWorks Flow Simulation进行多次分析运算，得出图5所示的气体流动迹线图，并由表3显示，多点出口的体积流量可以实现近似相等。由此可知，通过每个阀门对其所对应的出口的截面积大小的调节，可以实现每条出口管路上各个出口的气体体积流量近似相等。

表2 模型第一次优化后气体的体积流量表

图5 模型第二次优化气体的流动迹线图

表3 模型第二次优化后气体的体积流量表

在此模拟结果基础上，气体经由该管网可分别作用于多点滚轮，通过对各个出口气体流量的控制，实现了对每个滚轮压力的控制，从而达到电池片串焊时对多点滚轮焊头的要求。

4 结 论

利用SolidWorks Flow Simulation流体分析软件对流体管网结构进行优化分析，可以极大地降低设计风险，降低试验及样机的生产成本，缩短设备的研制周期。对于设计人员来说，使用流体分析软件在分析解决问题的同时，亦可以提高设计水平，可谓一举两得。

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The Welding Head Structural Optimization of Multipoint Roller Based On SolidWorks Flow Simulation

FENG Xiaohu,LI Xiangdong

(Taiyuan Fenghua Information-equipment Co.,LTD,Taiyuan 030024,China)

Using SolidWorks Flow Simulation analysis software,the design of multipoint welding head，used in solar cell welding,was analyzed and calculated.The data was analyzed and compared, and the structure was optimized.Explore a method that using Computational Fluid Dynamics analysis Software optimizes the design of the mechanical structure.

Solarcell；Multipointroller；SolidWorksflowsimulationfluidanalysis；Structuraloptimization

TG431

：B

：1004-4507(2015)08-0051-04

冯晓虎（1987-），男，山西清徐人，助理工程师，本科，毕业于中北大学，现就职于太原风华信息装备股份有限公司，从事电子专用设备的研发设计、安装与调试工作。

2015-06-11