基于SolidWorks Flow Simulation的多點滾輪焊頭結構優化

馮曉虎，李向東

(太原風華信息裝備股份有限公司，山西太原 030024)

基于SolidWorks Flow Simulation的多點滾輪焊頭結構優化

馮曉虎，李向東

(太原風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，對一種應用于太陽能電池焊接所設計的多點滾輪焊頭，進行計算流體力學分析，使用圖表方式對得出的數據作了分析對比，并對結構進行優化設計。探索一種應用計算流體力學分析軟件對機械結構進行優化設計的方法。

太陽能電池；多點滾輪；SolidWorks Flow Simulation流體分析；結構優化

隨著光伏行業的不斷發展，太陽能組件的生產進入自動化階段。自動化生產提高生產效率，提高產品質量。尤其在人工成本不斷增長的今天，自動化生產能極大地提高企業的經濟效益，加速企業的發展。為了降低制造成本，太陽能組件生產中所用的電池片厚度越來越薄。在太陽能電池片串聯焊接時，焊帶與電池片需要有一定程度的接觸，面對薄而脆的電池片，接觸壓力過大，容易產生裂片，接觸壓力偏小，又容易造成虛焊。焊接，作為太陽能組件加工的重要組成部分，其質量好壞直接影響組件的效率和使用壽命，這樣，焊接時所用焊頭的設計顯得尤為重要。

本單位研發生產的串焊機，模擬手工焊接的方式，制成多點滾輪焊頭，對太陽能電池進行多點焊接。該焊頭通過控制每個滾輪處氣流量的大小，實現對多點滾輪的壓力控制，從而完成焊帶與電池片的焊接過程。

由于生產的需要、空間限制，在對焊頭作結構設計時，焊頭所用的滾輪被集中安裝于一定尺寸的零件上。根據樹狀管路的形式，在零件內部制成一定結構的管網，自入口氣源處一點分叉，將主管道中的流體引向多點，滿足設計需求。筆者以此滾輪焊頭為例，利用SolidWorks Flow Simulation流體分析軟件，對該多點滾輪焊頭的氣道進行計算流體力學（CFD）分析。

1 流體分析

1.1 建立物理模型

根據結構要求，使用SolidWorks三維軟件設計出如圖1所示的物理模型。為了降低機械的加工難度，在模型結構設計時，設置每個出口的截面積是相同的。利用SolidWorks Flow Simulation進行計算流體分析時，需要對模型進行封閉處理。在新建流體分析項目時，分別對模型的入口和多點出口使用固體封蓋以關閉開口。

圖1 三維結構物理模型

1.2 初始設置

使用SolidWorks Flow Simulation中的向導，進行初始設置。在常規設置中，分析類型選擇為內部流動；考慮封閉腔方面，選擇排除不具備流動條件的腔；通過對模型進行“檢查模型”，顯示狀態為正常，分析類型選擇為內部。流體選用空氣，空氣容易獲取，成本低廉，可廣泛應用于實際生產。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程中對管路壁面的影響。

單位系統中，設置壓力和應力為MPa，速度為m/s，長度為mm，溫度為℃，物理時間為s，體積流量為L/s。

初始條件：壓力0.101325 MPa；溫度20.05℃。

根據三維模型結構及計算機配置，設定初始網格的級別為3。根據模型的大小，對計算域進行編輯，使其覆蓋整個待分析的物理模型。

1.3 確定邊界條件

工作時，管路入口有一個可以設定壓強數值的氣源，出口直通大氣。結合模型管路結構及其實際的使用情況，設置入口總壓為0.5 MPa，設置多點滾輪的出口環境壓力為0.1 MPa。

1.4 求解目標設定

選擇入口和出口氣體的體積流量作為分析的求解目標，對模型進行流體分析求解。體積流量反映了單位時間里經過流斷面的流體體積。

圖2為該流體分析軟件在運行時的求解器信息。其中流體網格2 963個，部分網格1 641個，運算時長131 s，滿足該流體計算分析要求。

圖2 求解器信息表

圖3所示為氣體在該物理模型內的流動跡線。出口入口的體積流量表如表1所示，各出口數值中的“-”代表氣體流動方向與入口的氣體流動方向相反。依照氣體在三條出口管路中流經出口的先后順序，分別命名每個出口，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，可以認為其體積流量近似相等。

2 模型第一次優化

圖3 氣體在模型內的流動跡線圖

針對左路5個出口的體積流量較大的情況，不改變出口數量，對模型管路內部結構進行優化，在靠近中路與右路增加一路通氣管路，并進行新一輪的流體分析。通過對新增通氣管路的位置進行多次調整，并進行相應的流體分析，得出如圖4所示的氣體流動跡線圖，新增通氣管路中有流體對右路、中路進行分流。

圖4 模型第一次優化后氣體的流動跡線圖

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相同位置的出口體積流量近似相等，而左路的5個位置的出口體積流量都相對比較大。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的體積流量依舊規律性地逐漸增大。

3 模型第二次優化

針對模型第一次優化后，出口1至出口5體積流量規律性增大的情況，在模型的每個出口增加類似閥門結構，通過調節閥門開口的大小，對各個管路上每個出口的截面積大小進行控制，并通過SolidWorks Flow Simulation進行多次分析運算，得出圖5所示的氣體流動跡線圖，并由表3顯示，多點出口的體積流量可以實現近似相等。由此可知，通過每個閥門對其所對應的出口的截面積大小的調節，可以實現每條出口管路上各個出口的氣體體積流量近似相等。

表2 模型第一次優化后氣體的體積流量表

圖5 模型第二次優化氣體的流動跡線圖

表3 模型第二次優化后氣體的體積流量表

在此模擬結果基礎上，氣體經由該管網可分別作用于多點滾輪，通過對各個出口氣體流量的控制，實現了對每個滾輪壓力的控制，從而達到電池片串焊時對多點滾輪焊頭的要求。

4 結 論

利用SolidWorks Flow Simulation流體分析軟件對流體管網結構進行優化分析，可以極大地降低設計風險，降低試驗及樣機的生產成本，縮短設備的研制周期。對于設計人員來說，使用流體分析軟件在分析解決問題的同時，亦可以提高設計水平，可謂一舉兩得。

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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

馮曉虎（1987-），男，山西清徐人，助理工程師，本科，畢業于中北大學，現就職于太原風華信息裝備股份有限公司，從事電子專用設備的研發設計、安裝與調試工作。

2015-06-11