应用组件建模（通用7篇）
应用组件建模 篇1
进入20世纪90年代以来,以信息技术为核心的高新技术广泛用于军事领域,使战争形态从机械化战争逐步向信息化战争转变。军事领域的技术变革也同时为军事训练提出新的要求,应用计算机仿真技术构建的作战模拟训练系统,在军事训练领域中发挥越来越重要的作用。
针对不同的训练目的需要有不同种类的仿真模型作支撑,面对当前新概念武器快速发展的特殊时期,很难做到系统一次研发长期满足使用需求。此外,作战模拟训练系统的仿真对象是复杂的战场环境,这其中既包括坦克、舰船等多样的指挥作战单元,也包括多变的自然环境和人工环境。如果对战场中的要素一一建模,则工作量将相当巨大,模型的可靠性和准确性也难以得到保证。因此,开发作战模拟训练系统亟需有效手段以适应系统模型扩展频繁、内容复杂的特点。
传统的模块化和面向对象的建模方法,在互操作性和重用性方面还存在一定限制,无法满足本系统对建模的要求。近几年发展的组件化建模方法将组件设计理念与建模技术相结合,能够有效地减少建模任务的复杂性,提高仿真系统的重用性和可扩充性,是解决上述问题的有效途径。
1 组件化建模技术
组件化建模方法继承并发展了面向对象的建模方法。它把对象技术应用于模型设计,对面向对象的模型设计的实现过程作了进一步的抽象,将系统模型细分为组件模型。组件化建模方法将模型开发看成是一个模型组装过程,在系统指导下寻找可重用模型组件或开发新的模型组件,并进行模型组装,直接形成系统所需的仿真应用模型,而无需完全从头开发。这样大大减少了开发工作量,提高了开发效率。
1.1 模型组件化的仿真模型开发方法
基于组件的仿真模型开发与传统的仿真模型开发相比产生了较大的改变,具体开发方法的基本原理如下:
(1)概念模型设计,概念模型是关于真实世界中被仿对象相关内容和行为的一致性描述,是从系统应用领域的角度对本系统进行的第一次抽象。概念模型设计过程也是对系统领域全面分析的过程,由此产生组件复用需求,确定模型组件构成关系。
(2)当前组件模型库分析,与传统的开发方法相比,基于组件的仿真模型开发无需重新构建完整的系统模型,在概念模型设计完成后可以在当前组件模型库中查找是否有满足本系统需求的模型组件,如果现有组件经组装后可以完全满足系统要求则无需开发仿真模型直接进行模型组装;否则针对缺少的模型组件进行开发实现。
(3)组件模型开发,组件模型开发是在概念模型的基础上进行数学模型和仿真模型的设计开发工作,其中的活动包括模型分析、设计、编程和测试。
(4)组件模型提交,将检验后的组件模型加入到组件模型库中并进行注册。
(5)系统模型组装,利用组件组装工具将组件模型库中的一系列组件组装成一个应用仿真系统。利用组件化技术开发系统的目的是提高系统重用性,但不是所有的组件都具有共用特征,由于仿真对象的特异性,系统必然存在一些针对性较强的专用组件模型。所以系统模型组装是将一些共用组件和专用组件组装在一起,构成多样仿真实体的过程。
(6)系统应用,系统模型组装后可以实例化成仿真实体,在不同的想定环境下运行后支持系统应用研究。
1.2 组件化建模与面向对象建模的关系
组件化建模技术是在面向对象建模的基础上逐渐发展起来的一种新技术。组件化建模技术和面向对象建模技术之间的关系:(1)基于组件的设计抽象了许多面向对象技术的实现概念,是将面向对象技术应用于系统设计级上的一种自然的延伸。(2)基于组件的设计是面向对象技术的一个简单化的版本,它注重封装性,但忽略了继承性和多态性。(3)基于组件的设计是构造系统的体系结构级的方法,并且组件可以采用面向对象的方法很方便地实现组件。
2 组件化技术在模拟训练系统的应用
2.1 模拟系统功能及组成
模拟训练系统是人在回路的计算机模拟对抗训练系统,为开展模拟化军事训练提供全功能平台,具体功能:(1)训练管理功能,导演可以通过系统控制训练进程,实时掌握学员的训练情况,并针对出现的问题给以干预处理。(2)战场模拟功能,系统能够模拟部队在各种作战样式下的典型战场环境,包括红蓝兵力模拟、自然环境模拟、人工环境模拟等,为学员构造虚拟的战场空间。(3)训练操作功能,系统构建逼真的指挥所场景,提供指挥自动化系统基本功能,通过分队训练和协同训练全面提高学员的指挥能力。(4)训练评判功能,系统记录学员的训练过程,并通过过程回放,数据统计分析等手段对训练效果进行评判和管理。
构建作战模拟训练系统,结构如图2所示。作战模拟训练系统根据功能定义划分为战场模拟、指挥控制、导调管理和训练评判4个分系统。
战场模拟分系统:战场模拟分系统是作战模拟训练系统的核心部分,也是实现虚拟练兵模式的关键部分。战场模拟分系统用于模拟气象、水文、地形等战场环境以及各军兵种作战实体及其作战行动,从而构建一个完整、逼真的虚拟战场空间。在训练过程中,战场模拟分系统可以实时接收、解析受训人员下发的指挥控制命令并按命令要求进行模型解算,模拟执行相应的作战活动,动态改变战场态势,驱动训练系统运行。为提高模型解算效率,便于系统配置,战场模拟分系统由一台高性能服务器组成。
指挥控制分系统:指挥控制分系统模拟真实的指挥所环境,具备指挥控制系统的基本功能,为受训人员提供训练操作的平台,实现对战场情况的了解、掌握,对作战部队的指挥、控制。
导调管理分系统:导调管理分系统是作战模拟训练系统的运行支撑部分,提供支持训练开展的配套工具和控制系统运行的管理软件。导调管理分系统在训练前规划训练内容,制作训练用想定;在训练过程中控制系统运行,监视、引导训练过程。主要包括想定服务器、想定席、总导演席、红蓝双方导演席。其中导演席显示的战场态势是战场中的真实信息,用于客观表现战场情况,便于导演导调控制。
训练评判分系统:用于在训练结束后评估训练效果。具体评估的手段有态势重演回放、学员操作重演回放、训练过程数据统计分析等。导演可利用这些辅助工具对每个受训团队和个人的表现进行评判并给出结果和建议,主要包括训练记录服务器和训练评判席。
2.2 基于组件技术的模型系统设计
采用组件化技术构造系统模型的基础是对系统模型进行分解,将每个具有个性特征的仿真模型分解成若干个共性的子模型,即组件模型。这样在后期构造其他系统时无需重新建立一套完整的系统模型,而将一系列可重用的组件模型组装起来即可。
为实现作战模拟训练系统模型的重用性、可扩展性,采用面向对象的方法分析作战模拟训练系统,将各类作战单元的属性和行为进行抽象,分解为平台、干扰器、武器、传感器、弹药、通信、作战行为7类组件模型,并在此基础上设计形成3层模型组件架构,如图3所示。
(1)组件模型库,是最基本的模型组件的集合,如上所述,根据抽象分析的结果划分为7个基本类型。其中每类模型组件都完成一些特定的功能,从不同角度描述仿真对象。将这些组件进行组装后可以提供一个作战单元的全部功能。
平台模型描述了实体在战场环境下的运动过程以及平台的物理特性。包括基于关键点运动模型、基于编队运动模型、基于道路信息运动模型、前方车辆避让模型等。干扰器模型描述了雷达干扰、通信干扰等多类干扰设备在考虑地形条件下的对抗干扰过程。具体包括干扰功率计算模型、干扰角度计算模型等。传感器模型描述了光学传感器、对空监视和搜索雷达等探测设备在考虑地形天候条件下的探测、侦察过程。具体包括目标探测模型、目标识别处理模型等。通信模型描述不同种类的通信设备的工作性能和运行状态。具体包括通信节点匹配模型、基于地形特征的链路连通性计算模型等。武器模型描述实体平台上搭载的地对地直瞄、地对地间瞄、地对空直瞄、空对地导弹等主战武器系统的装备性能和运行状态。具体包含武器系统控制指令处理模型、火控系统仿真模型、弹药管理模型等。弹药模型模拟了间瞄武器发射的炮弹、导弹、火箭弹等主战弹药的性能以及运动、制导过程。包含弹药运动学模型、飞行控制模型、发射指令处理模型、引信控制模型、弹道误差计算模型等。行为模型描述了作战单元的基本作战动作,包含机动、调整火力、补给等。每个作战单元的作战行为实际上是一个基本作战动作序列,基于这些动作序列可以完成各种作战任务。
(2)组件对象库,是组件模型库中每个组件模型实例化的结果集。对每个组件模型的参数赋值后即可生成一个组件对象。
(3)作战单元库,是将7类组件对象组装后形成的有独立作战能力的作战单元集合。在单元组装时以平台组件为基础,将平台所搭载的各类传感器、武器、通信设备集成到该平台上形成在想定中的存在的一个个仿真实体,一般具有机动、探测、打击、通信等一系列作战能力。
根据作战模拟训练系统应用需求,基于上述提出的3层模型组件架构可以构建作战模拟训练系统的模型体系,如图4所示。
2.3 模型组件接口
组件接口描述了组件对外提供的服务,组件和组件之间、组件和用户之间均需要通过接口进行交互,遵循统一的接口标准是组件实现重用和高度互操作性的基础,只有使用同样的接口标准才能保证组件之间可以互相通信、协同工作,共同完成仿真任务。
作战模拟训练系统组件接口设计以实现组件重用性、可扩展性和互操作性为原则,定义如下5类接口:
(1)初始化接口:组件初始化信息设置接口。为提高灵活性,组件模型采用参数和功能分离的设计思路,组件的性能参数,初始状态等均可由用户设置,初始化接口提供了设置的渠道。(2)组件描述接口:用于描述该组件的功能和接口信息,为组件组装和管理提供支撑,其中包括组件名称,组件ID,组件功能说明,组件接口说明等。(3)组件功能接口:是系统预定义的功能函数调用接口,用于仿真引擎控制调用组件功能。(4)输入接口:是组件实现功能所需的信息输入接口,按交换的信息内容不同可分为状态信息接口和事件信息接口两大类。其中状态信息接口包括气象环境状态信息,目标状态信息等。事件信息接口包括装备控制信息,动作执行输入信息等。(5)输出接口:是组件对外输出的信息接口,其内容与该组件的具体功能相关,并且和输入接口一样,该接口也分为状态信息接口和事件信息接口两类。其中状态信息接口包括剩余弹药数量、当前行动状态等。事件信息接口包括导弹发射信息,情报上报信息等。
在接口设计时先抽取系统内核心作战单元模型的共有属性和通用操作,完成通用接口设计;之后再以通用接口为基础,综合考虑组件扩展性能,按照接口准则定义组件特有的输入、输出接口。
2.4 系统模型组装
组件化建模的核心内容是组件的产生和组装。组件本身是孤立的个体,一般无法独立实现作战单元的具体任务,只有将多个组件组装在一起并由仿真引擎组织调用后才能完成指定任务。组件组装要解决2个问题:(1)如何以图形方式建立友好界面,使用户可以对组件进行管理,包括组件生成、修改、复制和删除等。(2)如何将组件进行组装,形成一个有独立作战能力的作战单元。组件组装管理工具结构如图6所示。
基于系统3层模型组件架构的设计思路,组件组装工具由组件编辑器、作战单元编辑器两部分构成。
(1)组件编辑器,用于编辑生成模型组件对象,从而形成系统组件对象库。组件编辑器通过读取组件模型库中已有组件模型的组件接口文件,自动解析组件初始化接口信息和功能描述信息并在界面上显示组件对象性能参数的类型和名称,由用户输入参数值从而新建一个型号的组件对象并存储在组件对象库中。
(2)作战单元编辑器,用于将多个组件对象,组装产生新的作战单元并存储在系统作战单元库中。作战单元编辑器可以读取选择组件对象库中已有的多个组件对象,并定义单元配置信息,从而生成所需的作战单元,存储在系统作战单元库中。因此,在作战单元库中每个作战单元实际上是由一套作战单元配置表唯一定义的。该表结构如表1所示。
在一个作战单元上仅有一个平台组件,其他组件可以有多个,其中弹药与武器相对应,一般一种武器可配多种弹药,如表2所示。
3 结束语
作战模拟训练系统设计方案架构灵活、理念先进,可以支持用户开展单边、对抗、多级对抗等形式多样的作战训练。为进一步提高系统扩展性能、减少开发工作量,系统引入组件化建摸技术,在代码级实现模型重用,构建满足训练要求的模型系统。
摘要：为解决当前作战模拟训练系统模型扩展频繁、内容复杂的问题,提出了组件化建模解决方法。介绍了组件化建模技术,基于作战模拟训练系统的功能和组成情况,应用组件化建模技术构建了具有重用性、可扩展性的系统模型架构和模型组成体系,并深入研究了模型组件接口和组装技术。模型系统提高了系统的扩展性、减少开发工作量,满足了训练要求。
关键词：组件化建模,训练模拟,作战模拟
参考文献
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应用组件建模 篇2
光伏电池及组件的数学模型是研究光伏发电系统工作特性的重要基础之一,模型的准确性是确保光伏系统分析与设计正确、可靠的前提[1],因此研究光伏组件输出特性的建模问题对光伏发电技术具有重要的理论与实践意义。
光伏电池及组件输出特性的建模问题, 一直都是光伏发电技术研究的热点。 在已有的各种数学模型中, 基于物理等效电路的隐含指数方程模型[2,3,4]精度比较高, 能很好地体现出光伏电池内部的P-N结特性,但隐含方程不易求解,模型参数难以测量, 不便于工程应用;基于试验数据拟合的多项式及分段多项式模型[5,6]需要大量的试验样本数据,同时环境变化时模型的泛化能力较差; 从工程应用出发建立的基于光伏组件出厂参数的工程数学模型[7,8,9,10]较好地克服了前2种模型的不足, 但现有工程数学模型的建模精度不高, 与实测数据间存在超过6 % 的模型误差[8]。
为了提高光伏组件工程数学模型的建模精度, 本文首先指出了现有工程模型误差较大的原因,然后通过推导不同工况下光伏组件输出特性的变化规律,分析现有工程模型建模参数选取方法存在的不足,提出相应的改进措施,并建立改进的工程数学模型。 最后,通过对比仿真与试验验证所提方法的有效性、精确性。
1光伏电池模型
1.1光伏电池的物理模型
光伏电池的单二极管等效电路模型[1,2,3,4]如图1所示,其正向工作的U-I特性方程如式(1)所示。
其中,U 、I分别为光伏电池的输出电压和电流;Iph为光生电流;I0为P-N结等效二极管的反向饱和电流; UT=Ak T / q为温度电势,q为电子电荷(1.602×10-19C), A为P-N结等效二极管 ( 非 ) 理想因子 , 一般取值1~1.25,T为电池温度;k为Boltzman常数(1.38 × 10-23J / K);Rs、Rp分别为等效串联电阻和等效并联电阻。
式(1)所示模型较好地体现了光伏电池内部各种因素对光伏电池输出特性的影响,已被广泛应用于光伏系统的理论分析之中, 但其中的参数Iph、I0、Rs、 Rp、A等都不易测量,同时隐含方程不易求解[4,10,11,12,13,14]。
1.2光伏电池的工程数学模型
针对隐含指数模型求解困难、模型参数难以测量的问题,文献[6 - 9]研究了基于光伏组件出厂技术参数(短路电流Isc0, 开路电压Uoc0, 最大功率点电流Im0、电压Um0,开路电压温度系数koc, 短路电流温度系数ksc,最大功率温度系数kpm)的建模方法 ,构建了光伏组件的工程数学模型,如式(2)、(3)所示。
其中,G0= 1 000 W / m2、T0≈298.16K分别为标准测试条件下的辐照度和电池温度;G、T分别为实际辐照度和电池温度;Uoc、Um、Isc、Im为不同工况下的建模参数;γ 为开路电压对辐照度的敏感系数。 电池温度T与环境温度Ta、辐照度G之间的关系为T = Ta+ kGG, 其中光致温升系数[8,15,16]kG≈0.032 °C / (m2·W-1)。 式 (2)为任意工况下建模参数的获取公式。
式(2)、(3)所示的解析指数方程克服了隐含指数方程的求解困难问题,但存在如下2点主要不足:
a. 任意工况下建模参数获取公式中 , 光伏电池输出特性与辐照度间关系同光伏电池实际特性不符;
b. 建模过程中忽略了Rs、Rp的影响,由于Rs对最大功率点电压具有较大影响[10,11,12],导致现有工程数学模型与实测曲线之间的拟合误差较大。
2工程数学模型的改进方法
2.1任意工况下建模参数的获取
针对现有模型建模参数计算存在的不足,下面将通过推导辐照度G与开路电压Uoc和最大功率点电压Um的关系提出改进方法。 在温度不变的条件下,式(2)中辐照度G与开路电压Uoc和最大功率点电压Um的关系为:
由光伏电池单二极管模型可得任意工况下开路电压的表达式为(注:Iph≈Isc):
在温度不变的条件下,忽略Rp的影响时,近似有:
将G=G0代入式(6)可得Uoc0的表达式,进而可以得到辐照度G与开路电压Uoc的关系式:
其中,γG= UT/ Uoc0取值范围为0.040 5 ~ 0.05,γG的取值与理想因子A有关,一般取 γG= 0.041。
对于辐照度G与最大功率点电压Um的关系,同样可基于理想二极管模型下最大功率点的定义获得,在温度不变时,任意辐照度下,最大功率点电压与辐照度的关系为:
又由G=G0时开路电压Uoc0的关系可得:
将式(9)代入式(8)进行化简,两边取对数可得:
将G=G0代入式(10)可得Uoc0与Um0的关系:
将式(11)代入式(10)并展开,同时考虑到理想光伏电池近似存在,有:
故辐照度G与最大功率点电压Um关系近似有:
式(7)、(13)是基于理想二极管模型获得的辐照度G与开路电压Uoc和最大功率点电压Um的关系。
2.2原始建模参数的选择
式(2)中除辐照度与开路电压、最大功率点电压关系式误差较大之外,选择Um 0作为建模参数也是导致曲线拟合误差较大的原因。 现有工程数学模型是在忽略了Rp、Rs的影响下获得理想光伏电池的函数关系,所以建模参数应该选择理想情况下的最大功率点电压Um′0,这样才能使工程模型在最大功率点处的导数为零。 理想光伏电池的最大功率点电压与开路电压之间存在近似的比例关系[3],即:
其中,kA取值范围为0.865~0.875。
此外,式(2)中最大功率点电压、开路电压采用同样温度系数也是导致模型误差较大的原因,选择最大功率点功率的温度系数kpm作为最大功率点电压的温度系数可以显著减小误差。
令 ΔT = T - T0, 式 (7)、 (13)、 (14) 代入式 (2), 可得改进的建模参数获取公式:
2.3改进的解析指数工程模型
如文献[8]所述,令解析指数模型的方程为:
式(16)通过(Isc,0)、(Im,Um′)、(0,Uoc)3个点是工程数学模型需要满足的必要条件。 式(16)显然通过 (Isc,0)点,由式(16)通过(Im,U′m)、(0,Uoc)可得:
联合式(17)中的两式,同时有exp(K0Uoc)>>1、 exp(K0U′m)>>1,故可得:
式(18)是理想光伏电池的工程数学模型,所以必须将其最大功率点从(Im,U′m)修正到(Im,Um)点。 式 (16)改写为电压输出模型 ,由于实际输出电压U与理想输出U′ 的差值,就是串联电阻Rs上的压降,故有修正的电压输出模型为:
串联电阻Rs可以用下式估算:
改进后的电压输出解析工程数学模型为:
3仿真与实验分析
3.1改进工程模型与物理模型仿真对比分析
为了验证式(15)、(21)所示的改进工程数学模型的有效性,选择英利集团的YL310P组件为仿真对象,首先,通过对比工程数学模型仿真输出曲线与物理模型仿真输出曲线的重合程度来体现该方法的有效性。 组件参数及仿真参数如下:Uoc0= 45.6 V, Isc0= 8.99 A,Um0= 36.3 V,Im0= 8.53 A,ksc= 0.045 %,koc= -0.34 %,kpm= -0.44 %,γ = 0.000 3,γG= 0.041,kA= 0.875。
标准条件(G = 1 000 W / m2,Ta= 298.16 K,不考虑电池温升)下的仿真对比曲线如图2所示。
定义工程模型与物理模型的最大功率误差除以物理模型的最大功率为拟合误差。 则由图2中功率误差曲线可见,现有工程数学模型的拟合误差约 为22 %,改进工程模型的拟合误差为1.3%。
考虑温升系数kG≈0.032 °C / (m2·W-1)时,不同辐照度下的仿真曲线对比如图3所示。
由图3可见,在考虑光致温升系数时,不同辐照度下改进的工程数学模型与物理模型同样具有非常高的拟合精度。 由图2、3可知,改进的工程模型与物理模型之间具有较高的拟合精度。
3.2改进工程模型与试验数据的误差分析
a. 工作环境 (Ta= 293.16 K,G = 800 W / m2,kG≈ 0.032 °C / (m2·W-1))下10个型号光伏组件出厂实测参数的误差分析。 仿真模型输出数据用Pm_s、Um_s、 Im_s、Uoc_s、Isc_s表示,组件实测NOCT电气参数用Pm、 Um、Im、Uoc、Isc表示。 定义开路电压相对误差Eoc,最大功率点电压、电流、功率相对误差EUm、EIm、EP m,短路电流相对误差Esc分别为:
数据来源于天合和英利光伏组件数据手册中提供的正常工作条件下的组件参数 (NOCT电气参数), 图4为不同型号组件关键参数的建模误差,图中横轴1—10分别代表组件型号DC05A-260、DC05A-270、 PC14 -295、PC14 -310、DC80 -215、YL260C、YL280C、 YL290P、YL310P、YL260P。
由图4(a)可见,现有工程模型最大功率点电压误差超过2% 的有9个型号, 最大功率点电流误差超过2% 的有5个型号,开路电压误差超过1% 的有6个型号 ,各种误差的最大值超过了6 %。 对比图4(b)可见, 改进工程数学模型对所有型号的光伏组件误差均小于2%,其中英利光伏组件的模型误差均小于1%。 可见改进后的工程模型对不同型号的组件均具有比较高的建模精度。
b. 不同辐照度下(温升系数为零)光伏组件输出特性参数误差分析。 样本组件的标称参数为Im0= 8.11 A,Um0= 28.73 V,Uoc0= 36.9 V,Isc0= 8.75 A。
数据来源于振兴光伏新能源有限公司提供的光伏组件在不同辐照度下的实测数据(光伏组件测试仪XJCM-9A)。 图5为不同辐照度下关键参数的建模误差。
由图5(a)可见,不同辐照度下改进后的工程模型的开路电压、最大功率点电压的误差均小于0.5%, 而现有模型的最大开路电压误差却达到了6 %。 由图5(b)可见,在辐照度大于400 W / m2的区间,改进工程模型的误差均小于1%,在辐照度小于400W / m2的区间,由于短路电流误差Esc的增加,导致改进模型的误差有所增加。 而现有模型存在接近8% 的最大功率误差。 由此可见,改进后的工程模型在较大辐照度范围内都具有比较高的建模精度。
c. 不同辐照度下 (温升系数为零 )光伏组件输出特性曲线拟合误差分析。
为了进一步验证改进模型与实测数据曲线的拟合精度,图6给出了3种不同辐照度下实测数据曲线与仿真曲线的误差。 为了定量描述拟合误差的大小,定义不同辐照度下最大输出功率误差除以实测最大功率为拟合误差。 则由图6可见,辐照度为1 000 W / m2时,其拟合误差为-3.02%;辐照度为500 W / m2时,其拟合误差为1.86 %;辐照度为200 W / m2时,其拟合误差为9.7%。
4结论
通过分析光伏电池输出曲线的特征,针对现有光伏组件工程数学模型建模过程存在的不足,给出了工程建模的改进方法,建立了一种改进的工程数学模型。 具体优点可归纳为:
a. 该工程数学模型与物理模型之间具有较高的拟合精度,曲线拟合误差小于1.5%;
b. 该工程数学模型对不同型号光伏组件关键参数的建模精度最大误差不超过2%;
应用组件建模 篇3
星载电子设备在运输、发射、工作过程中都要经历恶劣的振动环境,其振动可靠性问题一直是航天关注的焦点。印制电路板组件(PCBA)又是振动问题的核心。为提高印刷电路板组件的抗振性能,航天领域多采用螺栓紧固方式,将印制板与加强筋连接加固。但螺栓连接中存在摩擦、非线性边界约束及螺栓预紧力的影响[1,2],给仿真获得螺接型PCBA的模态频率带来困难。不掌握结构的模态频率,避开外部激励频率,抗振问题就无从谈起[3]。因此在有限元仿真过程中,合理简化螺栓建模及接触,降低模态分析误差,对结构设计人员了解螺接型PCBA的动态特性,解决抗振问题具有重要意义。
本文针对螺栓紧固型PCBA,提出四种螺栓建模及接触简化方案。
在4种方案下,利用ANSYS-Workbench仿真软件,对目标PCBA分别建模仿真,得出仿真模态频率与试验数据的相对误差,并比较大小,从而提出分析精度高、时间省的建模方案。
1 螺栓紧固型PCBA模态分析
1.1 螺栓紧固型PCBA有限元建模
进行模态分析的有限元建模方案如下:
方案1:忽略螺钉实体,忽略安装孔,将PCB与框架接触面绑定。
方案2:忽略螺钉实体,建立PCB安装孔特征,将PCB安装孔边与框架接触面绑定。
方案3:将螺钉模型简化为圆柱,将PCB安装孔和框架安装孔分别与圆柱接触面绑定,忽略预紧力。
方案4:建立螺钉模型,忽略螺纹特征,将印制板上表面和螺钉帽接触面绑定,在螺栓柱与印制板孔接触面施加400 N预紧力,再将螺栓柱与框架孔接触面绑定[4]。
依据以上各方案,对目标螺接型PCBA建立三维模型,印制板为FR-4环氧玻璃纤维板,尺寸为237 mm×160 mm×2.0 mm,左右板面中心处装联有3D-PLUS公司的SOP封装芯片,实物及整板模型图如图1所示,方案4螺栓连接局部特征如图2所示。
仿真过程中,目标PCBA材料均设置为线弹性材料[5],其密度、弹性模量、泊松比数值如表1所示。
对4种方案下的三维实体模型均采用自动网格划分(Automatic)方法,自动生成六面体、四面体单元。
1.2 目标PCBA仿真模态频率
对PCBA模型框架底面全约束,分析前3阶模态频率。其中模型4施加了螺栓预紧力,需要先考虑预应力对模态频率的影响。
目标PCBA用M2螺钉固定于加强筋,根据拧紧力矩与预紧力的关系M=1.25μFd,当螺钉拧紧力矩为0.2 N·m时,换算螺钉承受的预紧力[6]为400 N。因而要先对螺钉施加400 N预紧力进行静力分析,再在此基础上进行模态分析[7]。
4种方案模态分析频率如表2所示。
Hz
2 仿真模态频率与试验数据误差分析
扫频试验采用1216VH型49 kN电动振动台,通过振动台法向特征扫频,激发印制板组件垂直于板面的振动模态,利用加速度传感器收集测试点频率响应,后通过频响谱线各峰值对应的横坐标得出各阶模态频率值[8,9],扫频条件为5~1 500 Hz,0.5 g,2 oct/min。试验组件约束位置和加速度传感器安装位置如图3所示。
试验测得频响谱线如图4所示,可以看出,该螺栓连接型PCBA的1阶模态频率为376.3 Hz,2阶模态频率为418.4 Hz,3阶模态频率为684.4 Hz,各方案下前三阶模态频率相对误差如表3所示。
%
由表3可看出,模型2~4对1阶频率的分析相对误差均小于2%,分析精度高。而模型1的1阶频率分析误差达24.2%;对于2阶模态频率,模型2仿真数据高于实测数据16.5%,模型3仿真数据高于实测数据15.5%,模型4误差最小,仅高于实测数据4.7%;对于3阶模态频率,模型2、3的分析误差大于10%,模型4的分析误差仅为1.7%。从误差分析可以看出,模型4仿真结果最为精确,前3阶模态分析误差均小于5%。
由于实际安装过程中,会对螺钉施加预紧力,造成PCB发生一定程度的微小形变[10],使得PCB与框架之间一定程度上接触变弱而并非理想的面与面全接触,因而传力特性发生变化。建模方案4在处理螺栓接触时正是考虑了螺栓预紧力的影响,与有限元分析过程中先进行静力分析,如静力分析云图如图5所示,螺栓预紧力使得PCB发生弯曲形变,造成PCB与框架间边界约束条件变化,导致传力特性变化,因而更好地仿真了实际状况下PCB与框架间的传力特性,模态分析结果更为准确。
3 结语
(1)在只关注1阶模态频率时,方案2~4都可以满足模态分析精度要求;在关注多阶模态频率时,尤其要基于模态结果继续进行振动应力分析时,建议使用方案4建立有限元模型,应力计算结果将更加精确。
(2)使用方案4对螺栓紧固型PCBA建立有限元模型,仿真模态结果更加接近实际螺栓安装情况下组件结构的模态频率。
参考文献
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应用组件建模 篇4
2009年5月,国家电网公司提出了立足自主创新,以统一规划、统一标准、统一建设为原则,建设以特高压电网为骨干网架,各级电网协调发展,具有信息化、自动化、互动化特征的统一坚强智能电网的发展目标。高压智能设备作为智能变电站的重要组成部分,它的可靠性直接关系到电网能否正常、高效、经济的运行。
高压设备智能化作为智能电网的重要组成部分,是变电站主要设备与智能电网进行信息互动的基础,也是区别传统电网的主要标志之一。根据国家电网公司智能变电站高压设备智能化的基本思想,智能化变电站在线监测系统要完成设备状态监测参量的统一采集、就地存储、综合分析评估、标准化接口输出,并实现在变电站自动化系统中的可视化显示,通过自动化系统实现变电站关键设备与上级电网间的数据互通以及信息协同互动,为优化设备状态检修策略及基于设备实时状态信息的全寿命资产管理提供支持。这就要求在国际IEC 61850标准[1]模型基础上进行统一信息建模和服务建模,对所建立的信息模型作扩展,对具体的逻辑节点、数据节点进行分析研究。因此,高压设备状态监测智能组件建模技术是实现变电站高压设备智能化亟待攻克的关键技术。
2 高压设备状态监测智能组件建模技术研究
2.1 高压设备状态监测智能组件简介
高压设备状态监测智能组件包括分IED和主IED,状态监测中的各分IED按照监测功能分布设置,主要实现设备实时数据采集和运行工况监视的状态监测功能,主IED装置则按照间隔分布设置,支持IEC 61850协议,可实现分IED与主IED之间、主IED与变电站信息一体化平台之间的无缝连接,可定期将设备状态监测综合分析结果上传信息一体化平台,在监控后台进行设备状态综合分析结果的可视化展示,分析结果上传上级主站,实现电网与变电站主要设备之间的协同互动。智能组件为实现基于状态检测的设备全寿命周期综合管理[2]提供基础数据支持,为设备检修策略方案制定提供辅助决策。
2.2 基于IEC61850标准的一体化信息模型体系结构
模型体系是智能变电站业务应用的核心,它提供无缝连接61850协议支持。智能变电站模型体系具有以下特点:
1)变电站系统采用设备功能建模,实现与61850的无缝连接。2)建立系统知识模型体系以更方便简洁的系统建模,支持不同领域模型体系的扩展,例如可以扩展一次设备类型、逻辑间隔类型以支持工业以及其它的应用领域。3)构建在一体化信息模型基础上的SCADA业务处理。独立建立策略模型,处理策略建立业务处理组件库,可以实现更容易的扩展业务。
2.3 基于IEC61850建模技术的具体实现方案
该技术方案采用一种基于变电站继电保护通用模型,与现有基于国际IEC 61850标准的数字化监控系统完全兼容的建模方法,将高压设备(变压器、断路器、避雷器等)在线监测系统的所有对象看作一个整体,采用一个名为PROT的Logic Device(以下简称LD)模型,遥信量采用GGIO类通用过程I/O模型的逻辑节点建模,遥测量采用MMXN类相别无关量通用模型的逻辑节点建模,均符合变电站继电保护通用模型,与现有基于国际IEC 61850标准的数字化监控系统实现无缝连接,具备完善的自描述功能,采用国际IEC 61850标准MMS(Manufacturing Message Specification)服务报文传输,可与基于国际IEC 61850标准的数字化监控系统直接通信,与国内外主流监控系统完成了一致性规约测试。
3 具体实施方式
3.1 系统配置
根据国际IEC61850标准统一规定,采用面向对象的建模方法对整个电力系统进行统一建模,包括采用分层分类思想建立的基本信息模型和对基本信息模型进行操作的其它服务模型。
方案整体采用一个名为PROT的LD模型,遥信量采用GGIO类通用过程I/O模型,遥测量采用MMXN类相别无关量通用模型,符合变电站继电保护通用模型,与现有基于国际IEC 61850标准的数字化监控系统实现无缝连接。
3.2 建模方法行为分析
具体建模过程基于分层和面向对象的建模的总体原则,进行在线监测的一体化建模。即同一个功能对象相关的数据以及数据属性,建模在该功能对象中(包括对该对象的扩展);多个功能相关,或全系统功能相关的数据,建模在公共的逻辑节点或者逻辑设备中。
分层结构的数据对象包括的五大部分:
1)服务器(Server):用来表示外部可视化设备,包含了智能电子设备IED的所有通信网络可见信息。本变压器在线监测模型只包含一个名为S1的服务器对象,这符合一个IED建模为一个服务器的通用规范。
2)逻辑设备(LD):包含一组特定应用及功能信息的虚拟设备。为了简化模型和增加通用性,本变压器在线监测模型采用一体化建模思想,只包含一个名为PROT的LD对象。这样做的好处是使模型具有简单和通用性,而且LD越少,出错的几率越少,兼容性也越强。
3)逻辑节点(LN):由数据和方法构成的对象,包含特定应用功能。根据IEC61850标准,每个LD对象中应至少包含3个LN对象(LLN0、LPHD和至少1个其他逻辑节点)。属于同一测量对象的数据宜建立在同一LN中。
4)数据(Data):提供各种包含在逻辑节点内的不同类型的信息,如果不够,可以扩展。
5)数据属性(DA):定义用来传输的数值名称、格式、范围或允许值及表示法。
4 结语
本论文提出了一种基于国际IEC61850标准的高压设备(变压器、断路器、避雷器等)在线监测智能组件建模技术解决方案,通过深入研究,更有效地降低了运行成本,简化维护程序,满足智能电网建设需要,提高了变电站的运行水平和效益。成功实施后可大大降低高压设备检修率,并具有良好的推广前景。而且相关技术已经形成了产品,建议在下批智能化变电站建设中应用这些研究成果,必将大大促进我国智能变电站的技术水平。
摘要：对高压设备状态监测智能组件建模技术进行了研究。实践表明:该技术成功实施后可大大降低高压设备检修率,具有良好的推广前景。
关键词：在线监测,IEC61850,PMU系统,远动系统
参考文献
[1]王丽华,江涛,盛晓红,等.基于IEC61850标准的保护功能建模分析[J].电力系统自动化,2007,31(2):55-59.
应用组件建模 篇5
关键词：光伏电池组件,最大功率跟踪,模糊控制,Simulink
太阳能光伏发电系统就是利用太阳能电池半导体材料的光伏效应,将太阳光的能量直接转换为电能的一种发电系统,制约太阳能发电系统发展的关键问题是能量转换效率低和太阳能发电成本过高两个因素。该文在构建光伏电池组件模型的基础上将模糊控制算法应用于simulink仿真中,这样MPPT控制器会实时跟踪太阳能板中的最大功率点,使太阳能板功率最大化。在一定的范围内,利用电压越高,就可以输出更多的电量,从而提转换效率。理论上讲,使用MPPT控制器的系统会比传统太阳能发电系统的效率提高50%【1】。
1 光伏电池的输出功率【2~3】
图1为工作状态下光伏电池物理模型的等效电路图。其中Ip:光电流;Id:暗电流;U1:外部负载的端电压;R1:光伏系统的负载电阻;Rh:光伏电池的旁路电阻;Rs:太阳能电池的串联电阻;I:输出到负载的电流,由图可知
其中,Ud为等效二极管两端的电压
Ud=U1+IRs,U1为外部负载的端电压
其中,k为波尔兹曼常数,k=0.86×10-4eV/K;T为绝对温度;A为PN结的曲线常数;q为电子电荷量,q=1.6×10-19c。
当R>Rh时,(Rh和Rs为光伏电池的固有电阻,一般情况下Rh大约是几千欧,Rs小于1欧姆。)由此可得
根据exp函数的性质,忽略部分。
由上述分析可知电池结温和太阳照射的强度是影响太阳能发电系统功率的核心参数。
2 MPPT原理和控制算法[4,5,6,7]
MPPT即为最大功率点跟踪(Maximum Power Point Tracking,简称MPPT),现在国内外研究MPPT的算法很多,比较成熟的有扰动观测法、恒定电压法、爬山法等。恒定电压法(CVT)就是将光伏电压固定在最大功率点附近,基于恒定电压的追踪器制造简单容易实现,初期投入少,该系统工作电压具有良好的稳定性,但是跟踪精度差,忽略了外界温度对太阳能电池开路电压的影响。扰动观测法(P&O)和爬山法(Hill Climbing)都是通过先确定一个电压值,输出该电压下的功率;然后给一个电压扰动再输出比较功率,来寻找最大功率点的位置。该控制方法的思路简单,效率高,实现比较方便,能提高光伏电池的利用效率,本设计采用的就是扰动观测法。
3 模糊控制器设计
由于扰动观察法(P&O)的基本原理可知,模糊控制器以前一时刻的占空比和当前功率的变化量作为模糊控制器的输入,输出为当前时刻的占空比步长。由前一时刻的占空比和当前功率的变化量决定当前需要调整的步长大小。
3.1 变量的模糊子集和论域
占空比步长ed(n)量化后映像到模糊集合域Ed,语言值模糊子集:{OB(负大),OM(负中),OS(负小),MS(正小),MM(正中),MB(正大)},功率变化量ep(n)量化后映像到模糊集合域Ep,语言值模糊子集:{OB(负大),OM(负中),OS(负小),OO(正零),MS(正小),MM(正中),MB(正大)}。
根据光伏发电系统特点,选择三角形为功率差Ep和占空比步长Ed的隶属度函数类型。
3.2 模糊控制规则表
综合考虑太阳能光电系统的输出功率和占空比之间的关系,可以得到以下规则:
1)当Pn+1>Pn时,若Dn>Dn-1,继续负向(较小的数值方向)输出新步长值。
2)当Pn+1
3)如果当前工作点与最大工作点接近,应采用较小的步长,降低与最大工作点的偏差,减少功率损失;如果当前工作点与最大功率点误差比较大,可以选择较大的步长,通过粗调的方法加快系统的响应速度。以上就是模糊控制器的基本规则,在此基础上再根据实际仿真结果进一步调整。由此可得到模糊控制规则表2【8,9】。
以上表格所表达的规则为:If Ed(n-1)is A,and Ep(n)is B,then Ed(n)is C,就是在给定的误差和误差变化的情况下对输出值Ed(n)的调整。表中大多数规则是离线制定的,再通过实际实验观察,进一步的修正规则表。
4 仿真
4.1 光伏发电系统仿真模型
根据光伏发电系统输出功率的数学模型,利用Matlab中的Simulink模块可以建立光伏发电系统的仿真模型,搭建的光伏发电系统控制图如图2所示。
以T=25°时,R=3000W/m2和T=30°时,R=3000W/m2为例仿真P-V之间的变化关系,见图3和图4,从图中可以看出,该模型很好的体现了光伏发电系统的特点。
4.2 仿真结果
利用上述仿真模型,在光伏电池的表面温度为30℃;占空比初始值为1;仿真时间5s;日照强度函数为三角函数的条件下,对不采用模糊控制和采用模糊控制的系统分别进行仿真,如图6所示。
5 结论
本文将成熟的模糊控制理论应用到太阳能发电系统寻求最大功率点的跟踪控制中,使得太阳能发电系统能快速跟踪光伏阵列的最大功率点,提高了发电系统的效率,发挥了模糊控制的优势。
参考文献
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应用组件建模 篇6
目前我国太阳能发电的普及率很低,主要原因是光伏产品的价格昂贵,而且光电转换效率低[12]。文献[3]提到了一些常见的最大功率点跟踪方法。光伏组件的内阻具有非线性,当光伏组件上的光照不均匀时会变得更加复杂。处于阴影中的光伏电池元会吸收一些接收高日照强度的光伏电池元所产生的电能,并将其转化为热能,形成“热斑”,降低光伏组件的输出功率,甚至会损坏光伏电池元[45]。
本文以考虑了反向雪崩击穿效应的光伏电池元双二极管电路模型为基础,建立了部分遮挡时光伏组件的数学模型并使用Matlab软件进行仿真,分析了其输出的I-V,P-V特性曲线及输出能力的变化。最后利用分析结果改进了传统的集中式光伏系统并介绍了一种光伏组件发电控制电路。
1 部分遮挡时光伏组件数学模型
考虑了反向雪崩击穿效应的光伏电池元双二极管等效电路模型如图1所示[6]。图1中Iph为光伏电池元光生电流,ID1是流过二极管D1的电流,ID2是流过二极管D2的电流,Ip是反向雪崩击穿电流,Rsh,Rs分别为光伏电池元的等效并联电阻和等效串联电阻,V,I分别是光伏电池元的输出电压和输出电流。
由等效电路可得考虑了反向雪崩击穿效应的光伏电池元的数学模型为
I=Iph-ID1-ID2-Ip-Ish
式中:Is1 ,Is2分别为二极管D1,D2的反向饱和电流;A1,A2为相应的品质因子;Vbr为雪崩击穿电压,其取值范围为-30～-14 V;a,nn为雪崩击穿特征常数;T为光伏电池元温度;q为电子的电荷量;k为波尔兹曼常数。
光照不均匀的光伏组件等效电路如图2所示。其中电流I1,I2分别是流过未被遮挡的电池元和被遮挡的电池元的电流,V1,V2是相对应的电压,I,V分别是整个光伏组件输出的电流和电压,根据图2可得
I=I1=I2 (2)
V=V1+V2 (3)
式中:m1,Iph1分别为未被遮挡的电池元的个数和光生电流;m2,Iph2分别为被遮挡的电池元的个数和光生电流,光生电流与光强近似成正比。
根据式(2)～式(5)利用牛顿迭代法即可得到整个光伏组件的数学模型。
2 部分遮挡时光伏组件的仿真
首先对单体光伏电池进行仿真,仿真时所用各参数值为(光照强度1 000 W/m2,光伏电池元温度300 K) :Iph=5.8 A,Rs=0.008 Ω,Is1=3.29×10-5A,Rsh=875 Ω,Is2=2.12×10-6 A,Vbr=-22 V,A1=1.85,a=2.0×10-3,A2=1.55,nn=3。
图3为单体光伏电池在第1,2象限的伏安特性曲线。当电压接近反向击穿电压时,流过电池元的电流急剧增加。电池元工作在第1象限时输出电能,处于发电状态;工作在第2象限时转化为负载吸收能量,可能形成热斑,导致电池元的损坏。光伏组件被部分遮挡时,被遮挡的电池元会工作在第2象限,故应采取措施避免电池元的损坏。
在电池元两端反并联二极管是最常见的措施。电池元正常工作时,旁路二极管截止,当其运行在第2象限时,反压使旁路二极管导通,电流从旁路二极管流过,电池元不再吸收能量,避免了热斑的产生,保护了电池元,同时可提高组件的输出功率。
在下面讨论中以由36个电池元串联构成的光伏组件(模组)作为研究对象进行仿真,并且每一个光伏组件均具有反并联二极管。假设3个完全相同的光伏组件串联连接,本文设定3种不同的遮挡模式:1)没有遮挡,3个光伏组件的单体光伏电池接收的光照强度相等;2)1个光伏组件被遮挡,有70%的透光率;3)2个光伏组件被遮挡,其中一个具有70%的透光率,另一个只有30%的透光率。
图4是标准条件下,3种不同遮挡模式对应的串联光伏组件输出的I-V,P-V曲线。由图4可见,模式2具有2个峰值点,模式3具有3个峰值点,与串联组件接收光照强度的种类相同。而且遮挡存在时伏安特性曲线呈阶梯状,功率电压曲线具有多个峰值点。此时常规的单峰最大功率点跟踪算法(爬上法、电导增量法等)不再适用。为了提高光伏组件的输出能力,使其工作在全局最大功率点,需要找到较好的能避免组件陷入局部峰值点的最大功率点跟踪算法。
图5是串联光伏组件处于遮挡模式2,对应相同温度(25 ℃),不同光照强度时的I-V曲线和P-V曲线。由图5可知,随着光强的减小,对应的短路电流和最大功率点都明显下降,这与均匀光照时光伏组件的特性相一致。而且每条曲线都可类似于1 000 W/m2时的曲线一样分为AB和BC两段,AB和BC两段的平坦区域对应的电流分别接近于未被遮挡和被遮挡的组件的光生电流,当串联的3个组件工作在AB段时,流过组件的电流大于被遮挡的组件的光生电流,由于有反并联二极管的存在,电流通过二极管流过,被遮挡的组件被旁路掉,不产生电能,只有未被遮挡的组件进行发电。当串联的3个组件工作在BC段时,两种光伏组件都产生电能。不同温度,相同光照强度时部分遮挡的串联光伏组件亦具有与均匀光照相似的特点。
3 集中式光伏系统的改进
图6是光伏组件PV1,PV2在相同条件下串联和并联时输出的功率电压曲线。可见,组件串联时输出的功率是132.9 W,而并联时输出的功率是160.7 W,多输出20.9%的功率。部分遮挡时组件并联比串联多输出功率是因为组件的最大功率点电压约为开路电压的80%,而开路电压主要和温度有关,与日照强度关系不大,所以两块组件几乎可以同时运行在最大功率点的位置。但组件并联时输出电压低,对电压要求高的场合不适用,而且输出电流大,器件会产生较大的功率损耗,所以在实际系统中应视具体情况选择使用。
针对并联组件的优点,可以对传统的集中式光伏系统进行如图7所示的改进。将并联的光伏组件PV11,PV12,…,PV1n看做一个光伏组件,通过一个DC/DC变换器进行MPPT的控制,然后将这些DC/DC变换器进行级联就可以获得足够大的电压和功率,最后通过变流器供负载使用。这种连接方法可以减少DC/DC变换器的数量,降低硬件成本,而且可以避免部分遮挡对串联光伏组件的影响。
4 部分遮挡时的发电控制电路
部分遮挡时,串联光伏组件功率电压曲线呈多峰状,在某些情况下,被遮挡的光伏组件会因为反并联二极管的存在而被旁路掉,不输出任何功率。本文介绍一种光伏组件发电控制电路[7] ,部分遮挡时,该电路的存在可使未被遮挡和被遮挡的光伏组件均运行在最大功率点处,输出最大功率。
图8即为由多级斩波电路构成的发电控制电路(GCC)的拓扑结构。
图9是各开关管的驱动信号。
Di=Ti(OFF)/Tsw (6)
V1∶V2∶…∶Vn=D1∶D2∶…∶Dn (8)
Vi/Vout=Di (9)
由以上公式可以看出,可以通过控制各开关管的导通与关断的时间进而实现对光伏组件端电压的控制,使光伏组件均工作在各自最大功率点处。输出功率为各个组件输出最大功率之和。
图10是利用2个被部分遮挡的串联光伏组件、GCC和后级的buck电路组成的仿真模型的仿真结果。在仿真时间的1 s处启动GCC,在2 s处增加组件阴影遮挡的强度,在3 s处去除阴影。由图10可以看出,在1 s处启动GCC后光伏组件的输出功率明显增加。
5 结论
本文对部分遮挡时光伏组件并联连接的情况进行了分析,在此基础上对传统的集中式光伏系统进行了改进。文章最后介绍了一种可以使串联光伏组件部分遮挡时输出最大功率的发电控制电路。
参考文献
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射频电缆组件3D数据应用 篇7
1.射频组件分类及特点
根据使用的缆材类型射频电缆组件可分为柔性射频组件和半刚射频组件两大类:
(a) 柔性射频组件
由SFF等柔软类型线缆和SMA、N等类型射频电缆头组成, 互联形式通常为一对一, 近几年因产品集成化、小型化发展, 互联形式也出现一对多甚至多对多。其制造过程无需进行折弯成型, 只需将电缆与两端连接器进行装配即可, 故其外形指标重点关注总长。
(b) 半刚射频组件
由SFT等半刚类型线缆和SMA、N等类型射频电缆头组成, 互联形式均为一对一。其制造过程除需将电缆与两端连接器进行装配外, 还需进行折弯成型, 故其外形指标除需关注总长外还需重点关注成型形状。
2.问题现状
2.1射频电缆组件设计
在很长一段时期, 2D绘图软件是许多企业进行射频电缆组件设计的工具。一般射频电缆组件设计主要由电气设计人员利用Auto CAD和Excel完成二维图和明细表拟制, 如图1、表1所示, 两者包含不同信息, 相互配合实现对设计要求的表达。
(a) 二维图
内容包括物理外形 (通过长度标注结合表格) 、器材位置 (通过序号指引) 、电气指标 (通过文字说明) 、其他要求 (通过文字说明) 、互联关系 (通过表格) 、印字标识 (通过表格) 。
(b) 明细表
内容包括器材序号 (通过数字) 、器材类型 (通过器件代号结合名称型号) 、器件用量 (通过单位并结合数值) 。
上述信息众多看似完整表达了设计要求, 实则存在问题。首先, 在2D设计模式下准确长度较难在设计阶段及时获得, 故初期设计文件中的长度信息多为参考, 不具使用性, 即使其值经过经验预估, 往往误差大, 欠缺准确性。第二, 对半刚组件而言, 在2D设计模式下成型信息更难以及时地在设计阶段获得, 即使后期想获取此部分信息也存在着一定的难度。故长期以来, 半刚组件图示表达方式与柔性组件完全相同, 如图1和表1, 该方式无法准确反映组件外形信息, 表达不合理。第三, 设计输出的正确性和规范性主要依赖个人经验或习惯, 往往造成连接器及线缆与辅材热缩管间的合理性匹配性存在问题, 各器件图示表达不合理不统一, 这对电气设计人员而言非其所长, 若要做到往往费时费力。
2.2射频电缆组件制造
外形长度和分段成型对射频电缆组件而言是极其重要的设计信息, 其缺失给其制造带来了很大困难。
很长时期, 通常采取实物配做方式, 即在相关零部件均已加工组装到位后再由电装人员根据互联关系现场规划射频电缆组件的路径、确定长度。该制造模式在产品研发周期缩短、小型化要求提高、质量控制提升的趋势下, 越来越凸显诸多问题, 如质量不稳定、一致性较差、装配效率低、制造周期长、制造成本难控等。
为解决上述问题, 也曾尝试采用实物打样方式。即前期通过在产品实物上进行试做验证得到标准样件, 再按标准样件进行测绘, 随后对测绘数据进行计算整理, 最终形成有效的加工数据。该途径在一定程度上缓解了制造的困境和瓶颈, 但因过程往往反复迭代, 费时费力, 且准确性受样件自身精度和测量误差影响较大, 加之后期组件制造误差, 精度控制较难, 尤其对半刚组件而言难度更大。
3.需求分析
3.1总体需求
为解决上述射频电缆组件设计制造面临的困难, 提升设计手段是必然需求。目前借助3D软件已完全可以基于结构模型实现射频电缆组件虚拟设计与仿真, 如图2所示。通过对3D模型中相关参数的提取和必要处理形成各类有效输出, 使射频电缆组件虚拟设计与仿真能够实实在在发挥作用, 实现应用落地。此项工作总体需求归结为两点:适用性和高效性。
3.2详细需求
3.2.1适用性
针对不同应用场合对射频电缆组件信息需求是不同的, 故对3D模型进行数据提取、信息输出时需有针对性。如设计用文件侧重最终结果, 制造用文件侧重中间过程, 制造过程又由若干工序组成, 各工序面对的操作人员不同、工作内容也不同, 需根据不同使用对象、使用目的确定不同类型信息输出, 并确定其组成要素和格式表达。
(a) 设计文件
要求要素齐全, 包含3.1所述二维图和明细表及上述全部信息, 格式表达满足标准化要求。柔性组件和半刚组件外形表达采用不同方式, 其中前者沿用原有方式, 采用端到端直线示意图, 后者采用准确3D投影视图, 反映实际折弯成型状态。
(b) 制造文件
针对下料、打标、切剥、成型等不同工序分别创建下料表、标识汇总表、手动成型表、自动成型文件等, 同时为利于物料采购、成本核算等创建器材汇总表。其中下料表核心要素含线缆类型、单位、用量, 标识汇总表核心要素含标识类型、单位、用量、打标内容, 折弯成型表核心要素含分段长度、折弯角度、扭转角度、折弯半径、始末端信息, 器材汇总表核心要素含物料种类、单位、用量。
3.2.2高效性
根据上述适用性要求, 为满足射频电缆组件设计制造所需应产生若干文件输出, 各份文件信息要素众多且相互间应保持一致, 同时达到标准化、规范化要求, 在满足上述工作质量要求的同时需考虑降低人员工作难度, 提高工作效率。
(a) 所有输出均由软件自动从3D模型中提取相关参数并结合必要辅助信息自动创建产生, 其中大部分内容由程序自动填写, 人员仅需在此基础上做少量完善修改即可发布使用。
(b) 同级产品中所有射频电缆组件设计文件批量创建。
(c) 射频电缆组件中所用各类热缩管型号及用量由程序按规则自动匹配选择, 并自动填写在相应输出文件中。
4.技术途径
为满足上述需求, 技术途径如下:
(a) 根据柔性组件和半刚组件自身特点并结合3D软件功能, 柔性组件采用3D软件线束模块进行实体设计, 刚性组件采用3D软件管道模块进行实体设计, 如图3、图4所示。
(b) 根据不同应用场合定制不同模板供程序调用输出, 包括图框模板、图样模板、明晰表模板、下料表模板、标识汇总表模板、手动成型表模板、自动成型数据格式定义, 表2为手动成型表模板。
(c) 制定辅助文件格式及其内容, 用于必要时程序对调用3D模型参数的合理处理与判断, 包括余量添加表、器件类型匹配表、基准误差修正表、组件接线及分组表等。
(d) 制定上述各类模板及辅助文件命名规范及调用规则。
(e) 对3D软件进行二次开发, 根据需求梳理详细功能项及其实现方式, 如操作界面、控件方式、操作流程等。
5.实现成果
按上述技术途径开发出的功能控件如图5所示, 各功能控件完全集成嵌入于3D软件中, 与3D软件自带的线束或管道模块使用环境一致, 为一体化操作。图为半刚组件图纸创建操作界面, 主要用于实现半刚组件批量出图, 具有多项功能:如出图组件选择、图幅大小选择、组件投影方向选择、存放路径选择、输出精度控制等。图7为由上述功能控件自动创建生成的半刚组件图, 几乎所有工作均有软件自动完成, 人员仅需对各投影视图、表格、技术说明等的位置做适当调整或据情况对模板中已有常规技术说明进行补充完善。其他功能界面及数据输出情况相似。
上述工作实现了对原有设计文件的改进补充, 大大提升了对射频电缆组件装配制造的工艺指导性, 如折弯方式、组装顺序等, 不同工序操作人员按对应文件完成相应工作, 同时也为射频电缆组件制造流程的改善优化提供了技术支撑, 实现其装配制造可与其他组成零部件的加工装配过程并行开展, 缩短制造周期。目前该项工作已在一定范围进行了实际应用。
结语
上述工作是解决长期制约产品研发制造困境的一次实践, 以射频电缆组件产品为突破点, 基于较小投入实现了从3D模型到实际应用的转化, 对3D技术在其他类型产品或专业领域的应用有一定借鉴意义。
摘要：射频电缆组件是电子装备中的重要组成部分, 3D技术的运用为其设计制造能力的提升提供了可能性, 但也同时产生了新问题需解决。本文介绍了基于3D模型解决射频电缆组件设计制造各环节所需数据的适用性及高效输出。此项工作较大程度地促进了3D技术在射频电缆组件领域的应用落地。
关键词：3D技术,射频电缆组件,半刚组件,柔性组件
参考文献