基于SolidWorks Flow Simulation的多點(diǎn)滾輪焊頭結(jié)構(gòu)優(yōu)化

馮曉虎，李向東

(太原風(fēng)華信息裝備股份有限公司，山西太原 030024)

基于SolidWorks Flow Simulation的多點(diǎn)滾輪焊頭結(jié)構(gòu)優(yōu)化

馮曉虎，李向東

(太原風(fēng)華信息裝備股份有限公司，山西太原 030024)

利用SolidWorks Flow Simulation流體分析軟件，對(duì)一種應(yīng)用于太陽(yáng)能電池焊接所設(shè)計(jì)的多點(diǎn)滾輪焊頭，進(jìn)行計(jì)算流體力學(xué)分析，使用圖表方式對(duì)得出的數(shù)據(jù)作了分析對(duì)比，并對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。探索一種應(yīng)用計(jì)算流體力學(xué)分析軟件對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法。

太陽(yáng)能電池；多點(diǎn)滾輪；SolidWorks Flow Simulation流體分析；結(jié)構(gòu)優(yōu)化

隨著光伏行業(yè)的不斷發(fā)展，太陽(yáng)能組件的生產(chǎn)進(jìn)入自動(dòng)化階段。自動(dòng)化生產(chǎn)提高生產(chǎn)效率，提高產(chǎn)品質(zhì)量。尤其在人工成本不斷增長(zhǎng)的今天，自動(dòng)化生產(chǎn)能極大地提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，加速企業(yè)的發(fā)展。為了降低制造成本，太陽(yáng)能組件生產(chǎn)中所用的電池片厚度越來(lái)越薄。在太陽(yáng)能電池片串聯(lián)焊接時(shí)，焊帶與電池片需要有一定程度的接觸，面對(duì)薄而脆的電池片，接觸壓力過(guò)大，容易產(chǎn)生裂片，接觸壓力偏小，又容易造成虛焊。焊接，作為太陽(yáng)能組件加工的重要組成部分，其質(zhì)量好壞直接影響組件的效率和使用壽命，這樣，焊接時(shí)所用焊頭的設(shè)計(jì)顯得尤為重要。

本單位研發(fā)生產(chǎn)的串焊機(jī)，模擬手工焊接的方式，制成多點(diǎn)滾輪焊頭，對(duì)太陽(yáng)能電池進(jìn)行多點(diǎn)焊接。該焊頭通過(guò)控制每個(gè)滾輪處氣流量的大小，實(shí)現(xiàn)對(duì)多點(diǎn)滾輪的壓力控制，從而完成焊帶與電池片的焊接過(guò)程。

由于生產(chǎn)的需要、空間限制，在對(duì)焊頭作結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，焊頭所用的滾輪被集中安裝于一定尺寸的零件上。根據(jù)樹狀管路的形式，在零件內(nèi)部制成一定結(jié)構(gòu)的管網(wǎng)，自入口氣源處一點(diǎn)分叉，將主管道中的流體引向多點(diǎn)，滿足設(shè)計(jì)需求。筆者以此滾輪焊頭為例，利用SolidWorks Flow Simulation流體分析軟件，對(duì)該多點(diǎn)滾輪焊頭的氣道進(jìn)行計(jì)算流體力學(xué)（CFD）分析。

1 流體分析

1.1 建立物理模型

根據(jù)結(jié)構(gòu)要求，使用SolidWorks三維軟件設(shè)計(jì)出如圖1所示的物理模型。為了降低機(jī)械的加工難度，在模型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)置每個(gè)出口的截面積是相同的。利用SolidWorks Flow Simulation進(jìn)行計(jì)算流體分析時(shí)，需要對(duì)模型進(jìn)行封閉處理。在新建流體分析項(xiàng)目時(shí)，分別對(duì)模型的入口和多點(diǎn)出口使用固體封蓋以關(guān)閉開口。

圖1 三維結(jié)構(gòu)物理模型

1.2 初始設(shè)置

使用SolidWorks Flow Simulation中的向?qū)?，進(jìn)行初始設(shè)置。在常規(guī)設(shè)置中，分析類型選擇為內(nèi)部流動(dòng)；考慮封閉腔方面，選擇排除不具備流動(dòng)條件的腔；通過(guò)對(duì)模型進(jìn)行“檢查模型”，顯示狀態(tài)為正常，分析類型選擇為內(nèi)部。流體選用空氣，空氣容易獲取，成本低廉，可廣泛應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)。壁面條件：選擇絕熱壁面，粗糙度為0微米，不考慮零部件在制造與裝配過(guò)程中對(duì)管路壁面的影響。

單位系統(tǒng)中，設(shè)置壓力和應(yīng)力為MPa，速度為m/s，長(zhǎng)度為mm，溫度為℃，物理時(shí)間為s，體積流量為L(zhǎng)/s。

初始條件：壓力0.101325 MPa；溫度20.05℃。

根據(jù)三維模型結(jié)構(gòu)及計(jì)算機(jī)配置，設(shè)定初始網(wǎng)格的級(jí)別為3。根據(jù)模型的大小，對(duì)計(jì)算域進(jìn)行編輯，使其覆蓋整個(gè)待分析的物理模型。

1.3 確定邊界條件

工作時(shí)，管路入口有一個(gè)可以設(shè)定壓強(qiáng)數(shù)值的氣源，出口直通大氣。結(jié)合模型管路結(jié)構(gòu)及其實(shí)際的使用情況，設(shè)置入口總壓為0.5 MPa，設(shè)置多點(diǎn)滾輪的出口環(huán)境壓力為0.1 MPa。

1.4 求解目標(biāo)設(shè)定

選擇入口和出口氣體的體積流量作為分析的求解目標(biāo)，對(duì)模型進(jìn)行流體分析求解。體積流量反映了單位時(shí)間里經(jīng)過(guò)流斷面的流體體積。

圖2為該流體分析軟件在運(yùn)行時(shí)的求解器信息。其中流體網(wǎng)格2 963個(gè)，部分網(wǎng)格1 641個(gè)，運(yùn)算時(shí)長(zhǎng)131 s，滿足該流體計(jì)算分析要求。

圖2 求解器信息表

圖3所示為氣體在該物理模型內(nèi)的流動(dòng)跡線。出口入口的體積流量表如表1所示，各出口數(shù)值中的“-”代表氣體流動(dòng)方向與入口的氣體流動(dòng)方向相反。依照氣體在三條出口管路中流經(jīng)出口的先后順序，分別命名每個(gè)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，流體體積流量偏差控制在±15%以內(nèi)，可以認(rèn)為其體積流量近似相等。

2 模型第一次優(yōu)化

圖3 氣體在模型內(nèi)的流動(dòng)跡線圖

針對(duì)左路5個(gè)出口的體積流量較大的情況，不改變出口數(shù)量，對(duì)模型管路內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，在靠近中路與右路增加一路通氣管路，并進(jìn)行新一輪的流體分析。通過(guò)對(duì)新增通氣管路的位置進(jìn)行多次調(diào)整，并進(jìn)行相應(yīng)的流體分析，得出如圖4所示的氣體流動(dòng)跡線圖，新增通氣管路中有流體對(duì)右路、中路進(jìn)行分流。

圖4 模型第一次優(yōu)化后氣體的流動(dòng)跡線圖

表1 氣體在模型中的體積流量表

由表1顯示，左出口1體積流量＞中出口1體積流量≈右出口1體積流量，左出口2體積流量＞中出口2體積流量≈右出口2體積流量，左出口3體積流量＞中出口3體積流量≈右出口3體積流量，左出口4體積流量＞中出口4體積流量≈右出口4體積流量，左出口5體積流量＞中出口5體積流量≈右出口5體積流量，即中路與右路在每個(gè)相同位置的出口體積流量近似相等，而左路的5個(gè)位置的出口體積流量都相對(duì)比較大。在左路、中路和右路的每條管路中，出口1至出口5的體積流量逐漸增大。

由表2中氣體在模型中的體積流量數(shù)值顯示，左出口1體積流量≈中出口1體積流量≈右出口1體積流量，左出口2體積流量≈中出口2體積流量≈右出口2體積流量，左出口3體積流量≈中出口3體積流量≈右出口3體積流量，左出口4體積流量≈中出口4體積流量≈右出口4體積流量，左出口5體積流量≈中出口5體積流量≈右出口5體積流量。而在左路、中路和右路三條管路中，出口1至出口5的體積流量依舊規(guī)律性地逐漸增大。

3 模型第二次優(yōu)化

針對(duì)模型第一次優(yōu)化后，出口1至出口5體積流量規(guī)律性增大的情況，在模型的每個(gè)出口增加類似閥門結(jié)構(gòu)，通過(guò)調(diào)節(jié)閥門開口的大小，對(duì)各個(gè)管路上每個(gè)出口的截面積大小進(jìn)行控制，并通過(guò)SolidWorks Flow Simulation進(jìn)行多次分析運(yùn)算，得出圖5所示的氣體流動(dòng)跡線圖，并由表3顯示，多點(diǎn)出口的體積流量可以實(shí)現(xiàn)近似相等。由此可知，通過(guò)每個(gè)閥門對(duì)其所對(duì)應(yīng)的出口的截面積大小的調(diào)節(jié)，可以實(shí)現(xiàn)每條出口管路上各個(gè)出口的氣體體積流量近似相等。

表2 模型第一次優(yōu)化后氣體的體積流量表

圖5 模型第二次優(yōu)化氣體的流動(dòng)跡線圖

表3 模型第二次優(yōu)化后氣體的體積流量表

在此模擬結(jié)果基礎(chǔ)上，氣體經(jīng)由該管網(wǎng)可分別作用于多點(diǎn)滾輪，通過(guò)對(duì)各個(gè)出口氣體流量的控制，實(shí)現(xiàn)了對(duì)每個(gè)滾輪壓力的控制，從而達(dá)到電池片串焊時(shí)對(duì)多點(diǎn)滾輪焊頭的要求。

4 結(jié) 論

利用SolidWorks Flow Simulation流體分析軟件對(duì)流體管網(wǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化分析，可以極大地降低設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)，降低試驗(yàn)及樣機(jī)的生產(chǎn)成本，縮短設(shè)備的研制周期。對(duì)于設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)，使用流體分析軟件在分析解決問(wèn)題的同時(shí)，亦可以提高設(shè)計(jì)水平，可謂一舉兩得。

[1] 劉玉成.有限元法在偏光片磨邊機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].電子工藝技術(shù)，2011，32(1)：41-44.

[2] 鹿凱，徐瑩，郝俊彪，等.全自動(dòng)組件生產(chǎn)線在西部地區(qū)的應(yīng)用[J].科技傳播，2013(2)：155-156.

[3] DS SolidWorks公司.SolidWorks Flow Simulation教程[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2013.

[4] 任現(xiàn)坤，徐振華，姜言森，等.晶體硅太陽(yáng)電池焊接工藝研究[J].當(dāng)代化工，2013，42(6)：781-783.

[5] 施學(xué)斌.太陽(yáng)能電池焊接工藝改進(jìn)及全自動(dòng)焊機(jī)的介紹[J].制造業(yè)自動(dòng)化，2013，35(15)：17-18.

[6] 張磊，郎芳.180μm電池焊接工藝及降低碎片率的研究[J].科技風(fēng)，2010，2(下)：210.

[7] 陳璟，余恒建，韋建敏，等.基于 SolidWorks Flow Simulation乳化頭效果分析[J].粘接，2014，(2)：052-056.

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

馮曉虎（1987-），男，山西清徐人，助理工程師，本科，畢業(yè)于中北大學(xué)，現(xiàn)就職于太原風(fēng)華信息裝備股份有限公司，從事電子專用設(shè)備的研發(fā)設(shè)計(jì)、安裝與調(diào)試工作。

2015-06-11