摘要：从变压器结构设计入手，利用Autodesk Inventor三维软件参数化建模，通过参数化控制设计变压器结构组件，再进行结构装配，建立三维模型，利用三维模型可生成二维平面图纸，三维模型可以转换为BIM模型，还可以通过分析元件接口进行多种仿真分析。
关键词：变压器；Autodesk Inventor；参数化；三维模型；仿真分析
引言
变压器因其使用地区不同，线路运行和供电方式的差异，变压器的技术指标有所差异，利用传统AutoCAD软件进行变压器设计，工作量大，内容繁杂。变压器设计方案还需进行大量的仿真计算，验证设计方案。另外，随着轨道交通建设和技术不断发展，许多工程项目需要进行BIM设计，这就需要变压器生产企业提供变压器产品的BIM模型。
Autodesk Inventor软件是Autodesk公司开发的一款三维制图软件，兼顾仿真功能，广泛应用于机械设计、工业制造等行业。Autodesk Inventor、AutoCAD、Autodesk Revit同属于Autodesk公司开发，它们之间具有良好的兼容性。
本文结合变压器的设计、制造等环节，从变压器的基本技术条件入手，依据变压器全局设计方案，编辑EXCEl参数表，运用Autodesk Inventor链接功能链接EXCEl参数表，按照自底向上的设计思路，依次设计零部件，然后进行部件装配，完成变压器总装配模型，总装配模型进行结构分析，进行优化设计，然后按照制造要求生成二维图纸，还可根据要求完成BIM转换，生成变压器BIM模型。此外，利用与ANSYS Workbench的链接接口，可切换到ANSYS Workbench进行多种有限元分析。
1、Autodesk Inventor的特点
（1）建立模型承载数据量大。建立的模型除包含零部件尺寸、材料、材料的屋里特性、质量等参数外，还可以包括零部件的设计者、状态、隶属项目等管理参数。
（2）易于建模。设计建模的顺序及方法灵活，便于设计者理解和掌握。
（3）软件自带模块丰富。软件自带结构有限元分析模块，可实现设计模型结构强度、疲劳等分析（图1）。
（4）具有较开放、标准的接口。可方便与AutoCAD、Autodesk Revit、ANSYS Workbench等多种设计分析软件进行交互，可更好的进行设计分析、协同设计、二次开发（图1、图2）
图1 Autodesk Inventor分析模块及BIM交换
图2 ANSYS Workbench接口模块
2、设计流程
首先根据变压器电磁计算，确定变压器的全局设计方案，编辑EXCEl参数表编辑EXCEl参数表，运用Autodesk Inventor链接功能链接EXCEl参数表，按照自底向上的设计思路，依次设计零部件，然后进行部件装配，完成变压器总装配模型。
整体设计流程如图3所示
图3 设计流程图
2.1 确定全局设计方案
根据项目技术规格书、客户要求，以及相关标准，经过变压器电磁计算、结构布局等，确定变压器的全局设计方案。
2.2 编辑EXCEl参数表
依据电磁计算、全局设计方案，编写到EXCEl参数表，参数包括设计基本参数和细化参数。基本参数由电磁计算、全局设计方案确定，比如变压器油箱的箱壁长度、宽度、高度等，细化参数由基本参数经过固定公式计算得出。例如，套管间距，加强铁间距、开关定位等参数。
图4是Autodesk Inventor的fx参数表，参数表中的参数驱动三维模型，参数之间可以关联计算公式。表中参数d13由油箱内壁长度计算所得，油箱内壁长度是由Autodesk Inventor的fx参数表与EXCEl参数表所获得的参数，修改EXCEl参数表中的参数就可以驱动更改三维模型和二维平面图纸，这项功能对于设计修改设计
图4 fx参数表
2.3 参数化设计零部件
零件设计是实现装配的基础，它需要完成参数的引用，草图的绘制和特征生成，以及零件特性设置等工作。
设计零部件的三维模型，通过链接基于EXCEl参数表，驱动零部件尺寸。设计零部件时，需确定合适的基准面、基准点，基准面、基准点的正确选取可以使后期装配高效、快捷，更利于设计的标准化。
图5 变压器管接头零件三维模型
2.4 装配
设计完成的零部件，即可根据后期二维图纸需要，进行标准化装配，装配体的生成需要调用所需的零部件。
调用设计完成的零部件，对变压器进行装配，为了缩短设计周期及简化设计，结合变压器生产制造过程，可以利用已完成的零部件装配若干模块，如高低压引线、铁心、上节油箱、下节油箱等，这样减少占用计算机资源，而且并行设计减少设计周期。
变压器总装配的最有一个阶段是自适应零件装配，自适应零件是Autodesk Inventor一个强大且利于设计的功能，自适应零件会随模型参数的更改而自适应改变，缩短设计周期，例如，变压器中的油路联管在传统CAD平面图纸设计中，不同产品都需从新设计，工作重复，费时费力。而Autodesk Inventor的自适应零件功能，设计者只需根据需要建立自适应联管模块，标定出联管七点，终点，路径即可，以后新产品设计时，联管会随着变压器的参数变化而自适应改变，自动建立合适的联管管路，免去了重复性工作，节约时间。
图6 自耦变压器总装配三维模型
2.5 分析优化
变压器相关标准对于变压器油箱有明确的机械强度要求，例如，《TB/T 2888-2010 电气化铁路自耦变压器》中规定“应能承受真空度50kPa和正压力为60kPa的油箱机械强度试验，油箱不应有损伤和不允许的永久变形。”
Autodesk Inventor自带的应力分析和结构件分析功能，能非常方便的对变压器油箱进行机械强度仿真，并可以根据仿真计算优化油箱结构，优化油箱结构不仅可以改善机械强度性能，还可以在一定程度上节约油箱材料，中大型变压器油箱及其附属结构件在十几吨，甚至20吨以上，优化油箱结构可以节约相当的成本。
图7是对于一台电气化铁路自耦变压器油箱进行机械强度仿真分析图。
2.6 生成二维图纸
三维模型设计实际上也是服务于产品生成制造，目前，生产制造流程图纸仍是二维工程图，所以需要将三维零部件和装配模型生成二维图纸。
Autodesk Inventor具有完善的、功能强大的二维工程图纸生成功能，可自动、半自动完成工程图纸所需的视图。
图8为Autodesk Inventor生成的箱盖图纸。
图7 油箱机械强度分析
图8 箱盖工程图
2.7 BIM转换及ANSYS Workbench链接分析
随着工程技术的发展，当前许多项目都在进行BIM设计，而变压器厂家利用BIM软件对变压器重新建模工作量巨大，Autodesk Inventor软件自带BIM交换功能，能够对部分已经设计完成的.ipt格式Inventor三维模型转换为.rfa格式的Revit族模型，大大减少了工作时间。图9为转换成的电流互感器族模型。
另外，例如铁路变压器运行环境为冲击性负荷，变压器运行环境恶略，对变压器进行必要的仿真分析是十分必要的，Autodesk Inventor自带的与ANSYS Workbench的接口，可以方便的将已经设计好的变压器三维模型转换为ANSYS Workbench有限元分析模型，进行热油循环、绕组温度、电磁分布等有限元分析十分方便。图10为变压器散热器转换成的ANSYS Workbench有限元分析模型。
图9 电流互感器族模型
图10 散热器Geometry模型
3 总结
变压器结构设计采用Autodesk Inventor三维设计，其建模过程采用参数化方法，利于后期新产品图纸的设计，会缩短设计周期。基于数字化和信息化的三维设计已经成为行业发展趋势。Autodesk Inventor的扩展功能可以更好的与其他方面衔接。更好的设计优化产品，还需更多的设计者集思广益，积极探索。
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作者简介：孙蕾（1987-）男，汉族，河北保定人，本科，中铁电气工业有限公司研发中心工程师，从事变压器设计工作。
论文作者:孙蕾
论文发表刊物:《电力设备》2019年第2期
论文发表时间:2019/6/5
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