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CN112036025A - 一种仿星器线圈结构的优化方法 - Google Patents

一种仿星器线圈结构的优化方法 Download PDF

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CN112036025A CN202010874297.XA CN202010874297A CN112036025A CN 112036025 A CN112036025 A CN 112036025A CN 202010874297 A CN202010874297 A CN 202010874297A CN 112036025 A CN112036025 A CN 112036025A
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Abstract

本发明提出一种仿星器线圈结构的优化方法，通过对仿星器线圈构建线圈三维模型，然后对其离散化分析以及构建离散化单元面，并对每个单元面逐个旋转，以便调整面扭曲率的方式，实现了对线圈三维模型的优化。在得到优化后的线圈三维模型后，又以此为基础，对成型模具进行仿形加工，此时加工出的成型环槽模型与优化后的线圈三维模型一直，能后保证成型环槽模型的内侧面和外侧面均与地面呈90°夹角，这样就能实现模具的一体化加工，从而提高模具的制造精度，在模具的制造精度提高的情况下，依靠模具所绕制成型的仿星器线圈尺寸精度也将得到提高。

Description

一种仿星器线圈结构的优化方法
技术领域
本发明涉及物理工程技术领域，具体涉及一种仿星器线圈结构的优化方法。
背景技术
仿星器线圈应用于磁约束核聚变装置—仿星器中，为多股线圈体绕制构成的结构，其总体结构为环形体，并且由于线圈的四个面都为不规则异形曲面，所以存在较大的制造难度。目前通常在成型模具上进行多股线圈体绕制成型，这样就需要在模具顶端开设成型环槽，并将多股线圈体填充成型环槽内绕制成型，这样就对模具的成型环槽模型加工提出了较高的要求，通常要求加工精度在0.05mm以内。
但是由于仿星器线圈底部和侧边的异形曲面是不规则的，故成型模具的成型环槽为了严格的贴合于仿星器线圈轮廓面，可能就会出现成型环槽的内侧面与底面、或者外侧面与底面之间的夹角小于90°的情况，而对于夹角小于90°的槽体加工由于刀具干涉的原因无法实现一体化加工，故必须将成型环槽两侧的外侧板和内侧板分开加工后再进行组装成型，这样由于安装或者二次装夹等原因就会出现较大的制造误差，从而降低成型模具的制造精度，进而降低依靠成型模具绕制成型的仿星器线圈的尺寸精度。故针对现有技术制造方式存在的问题，如何能够提高仿星器线圈成型后的尺寸精度，是一个有待解决的问题。
发明内容
针对现有技术存在的上述不足，本发明提出一种仿星器线圈结构的优化方法，通过对仿星器线圈构建线圈三维模型，然后对其离散化分析以及构建离散化单元面，并对每个单元面逐个旋转，以便调整面扭曲率的方式，实现了对线圈三维模型的优化。在得到优化后的线圈三维模型后，又以此为基础，对成型模具进行仿形加工，此时加工出的成型环槽与优化后的线圈三维模型一致，能保证成型环槽的内侧面和外侧面均与底面呈90°夹角，这样就能实现模具的一体化加工，从而提高模具的制造精度，在模具的制造精度提高的情况下，依靠模具所绕制成型的仿星器线圈的尺寸精度也将得到提高。
本发明通过下述技术方案实现：
一种仿星器线圈结构的优化方法，包括如下步骤：
步骤S100：模型优化阶段；具体包括：
步骤S110：基于仿星器线圈构建线圈三维模型；仿星器线圈为闭环结构的连续体；线圈三维模型与仿星器线圈形状一致；
步骤S120：对线圈三维模型进行离散化分析，具体为将线圈三维模型拆分成若干截面大小一致的离散单元面；若干离散单元面叠加组合构成线圈三维模型；
步骤S130：构建线圈三维模型包括两两垂直的X轴、Y轴和Z轴以及空间圆心O的空间坐标系；空间圆心O位于线圈三维模型的环内，Z轴和Y轴分别指向线圈三维模型的环面；在各离散单元面上构建包括相互垂直的v轴和u轴以及平面圆心rG的平面坐标系，并且u轴指向线圈三维模型的环面；
步骤S140：定义离散单元面相对于线圈三维模型面扭转率i，具体为：首先将Z轴和v轴的夹角设为β；然后对面扭转率i进行计算，面扭转率i=cosβ；
步骤S150：进行各离散单元面的面扭转优化，具体为将各离散单元面于所在平面内旋转，直至β转至90°，进而使面扭转率i =0，最终使线圈三维模型得到扭转优化。
进一步的，上述一种仿星器线圈结构的优化方法，还包括如下步骤：
步骤S200：线圈模具模型建立阶段；具体包括：
步骤S210：将扭转优化后的线圈三维模型输入建模软件；
步骤S220：建模软件对线圈三维模型进行轮廓参数提取，生成轮廓代码信息；
步骤S230：基于轮廓代码信息，生成线圈模具模型。
优选方案，上述一种仿星器线圈结构的优化方法，还包括如下步骤：
步骤S300：工程分析阶段；具体包括：
将线圈三维模型和成型环槽模型进行比对，并得出匹配度，并判断匹配度是否达到设定的最佳值，如果没有则进行步骤400；
步骤S400：迭代优化阶段；具体包括：将线圈三维模型代入步骤S100，并重复执行步骤S100至S300。
进一步的，步骤S120中将线圈三维模型拆分成若干离散单元面的拆分方法具体为：以X轴为基准，做若干与X轴重合的拆分平面，相邻拆分平面之间的夹角相等并且所有拆分平面夹角之和为360°，拆分平面位于线圈三维模型上的截面构成离散单元面。
作为优选方案，步骤S120中将线圈三维模型共计拆分成了48个离散单元面。
更优一步的，步骤S110中线圈三维模型的构建方式采取逆向建模的方式实现。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
通过对线圈三维模型各离散单元面进行纠正，从而使线圈三维模型得到优化，并以线圈三维模型为基础，实现对成型模具的一体化加工，实现了成型模具制造精度的提高，并伴随成型模具制造精度的提高，使得最终绕制成型的仿星器线圈的尺寸精度提高，确保了产品质量。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为本发明一个实施例的线圈三维模型图；
图2为本发明一个实施例的离散单元面结构图；
图3为本发明一个实施例的线圈三维模型未经模型优化的A状态图；
图4为本发明一个实施例的线圈三维模型经模型优化的B状态图；
图5为本发明一个实施例的线圈三维模型经模型优化的C状态图；
图6为本发明一个实施例的离散单元面经面扭转优化示意图；
图7为本发明一个实施例的线圈模具模型结构图；
图8为本发明一个实施例的线圈模具绕制仿星器线圈示意图；
图9为本发明一个实施例的线圈三维模型未经优化的结构图；
图10为本发明一个实施例的线圈三维模型经优化后的结构图。
附图中标记及对应的零部件名称：
线圈三维模型1、离散单元面1A、空间坐标系O-XYZ、平面坐标系rG-vu、线圈模具模型2、成型环槽模型2A、仿星器线圈10、线圈模具20、压板202。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
一种仿星器线圈结构的优化方法，大体思路如图7所示首先对现有的仿星器线圈10进行建模，然后对其模型优化，随后基于优化后的模型来优化模具结构，然后基于优化后的模具重新加工仿星器线圈，就能够使仿星器线圈的尺寸精度得以提高，此方法为一个逆向反馈的过程，基于后端的产品质量，来对前段的模型、加工设备等进行优化调整，此逆向反馈的过程可以不断迭代循环，使仿星器线圈的尺寸精度得到保证，下面开始详述。
首先进行的是步骤S100：模型优化阶段，具体包括：
步骤S110：构建仿星器线圈10的线圈三维模型1，该方法可以是采用逆向建模的方式进行，比如选取一与理想状态较为接近的现有仿星器线圈10，采用测绘、扫描等方式构建与其外形一致的线圈三维模型1，三维软件可选用常用的具有曲面建模功能的UG、CATIA等等进行。这里仿星器线圈10如图8所示为闭环结构的连续体，构建出的线圈三维模型1如图1所示与仿星器线圈10形状一致。当然也可以根据已经有的代码然后基于软件推导出线圈三维模型1，比如代码可以为设计图样上涉及线圈三维模型1轮廓面的所有坐标点，将这些坐标点输入UG、CATIA等建模软件构建曲面，进而构建线圈三维模型1，这里不再详述。
步骤S120：如图1所示对线圈三维模型1进行离散化分析，具体为将线圈三维模型1拆分成若干图2所示的离散单元面1A。若干离散单元面1A彼此截面大小形同并叠加组合构成线圈三维模型1。
步骤S130：如图1所示构建线圈三维模型1的空间坐标系O-XYZ，空间坐标系O-XYZ包括两两垂直的X轴、Y轴和Z轴以及空间圆心O。空间圆心O位于线圈三维模型1的环内，Z轴和Y轴分别指向线圈三维模型1的环面。如图2所示在各离散单元面1A上构建平面坐标系rG-vu，平面坐标系rG-vu具有相互垂直的v轴和u轴以及平面圆心rG，并且u轴指向线圈三维模型1的环面。
步骤S140：定义离散单元面1A相对于线圈三维模型1面扭转率i，具体为：首先将Z轴和v轴的夹角设为β；然后对面扭转率i进行计算，面扭转率i=cosβ。
步骤S150：基于面扭转率i进行各离散单元面1A的面扭转优化，具体为将各离散单元面1A于其所在平面内进行图6所示的旋转，直至β转至90°，进而使面扭转率i =0，最终使线圈三维模型1得到扭转优化。
对上述原理进行分析，在未进行面扭转之前，如图3所示，相邻的两离散单元面1A可能存在一定程度的相互扭曲，比如选取其中一个面扭转率i=0的离散单元面1A作为标准，即该离散单元面1A的v轴与Z轴相互垂直，并位于其后的两个离散单元面1A分别记为离散单元面1A`和离散单元面1A``，可以看出离散单元面1A`和离散单元面1A``相对Z轴是有一定程度的面扭转的，即v`轴、v``轴均不与Z轴垂直，这样就需要对各离散单元面1A进行图6所示的逐个旋转，并使各离散单元面1A的V轴均与Z轴垂直，即步骤S150中的面扭转优化，优化之后的各离散单元面1A在微观上呈现出图4或图5的两种状态。宏观上也可从图9和图10看出，图9为未进行面扭转优化的线圈三维模型1，由于整个结构是呈现扭曲状态的，可以看出线圈三维模型1环端面与环侧面并不垂直，而图10是经过面扭转优化后的线圈三维模型1，纠正了整个结构的扭曲状态，并且从俯视角度看可以得到线圈三维模型1环端面与环侧面为相互垂直状态，由于进行了面扭转优化，使得线圈三维模型1的结构得到了简化，相应的依据该线圈三维模型1制作模具精度也能够提高。
同时需要指出的是，步骤S120中将线圈三维模型1拆分成若干离散单元面1A的拆分方法具体如图1所示：以X轴为基准，做若干与X轴重合的拆分平面，相邻拆分平面之间的夹角相等并且所有拆分平面夹角之和为360°，拆分平面位于线圈三维模型1上的截面构成离散单元面1A，即以角等分的方式在线圈三维模型1上构建离散单元面1A，并且可以由图1看出，由于线圈三维模型1并不会正圆结构，故所构建的离散单元面1A在局部位置布局紧密，局部位置布局松散。同时根据实际经验，将线圈三维模型1拆分成48个离散单元面1A，也可以根据实际情况对数量进行增加或减少。
在完成对线圈三维模型1的优化后，随即进入线圈模具模型2建立阶段，具体步骤如下：
步骤S210：将扭转优化后的线圈三维模型1输入CATIA等建模软件。
步骤S220：建模软件对线圈三维模型1进行轮廓参数提取，生成轮廓代码信息。比如对线圈三维模型1的轮廓进行分析，从而提取用于构建线圈三维模型1的轮廓表面的若干坐标点。
步骤S230：基于轮廓代码信息，生成线圈模具模型2。具体为通过线圈三维模型1的轮廓表面坐标点，首先生成位于线圈模具模型2顶部成型环槽模型2A，该成型环槽模型2A与线圈三维模型1形状互补，然后在生成线圈模具模型2的外轮廓模型，这样就构建了整个线圈模具模型2。
由上可知，构建的线圈模具模型2用于加工线圈模具20，构建的成型环槽模型2A用于加工线圈模具20的成型环槽，而线圈模具20的成型环槽如图8所示用于最终成型仿星器线圈10。仿星器线圈10成型如图8所示，仿星器线圈10填充于线圈模具20的成型环槽中，并被顶面的压板202所压制成型。故如果不进行此面扭转优化，线圈三维模型1的环面在局部位置可能存在与环端面呈锐角夹角，这样在依据线圈模具模型2加工线圈模具20时，具体为依据成型环槽模型2A加工线圈模具20的成型环槽时，局部位置也会出现锐角夹角，对于型槽加工，锐角夹角会对刀具造成干涉致使无法一体化加工，这样就需要组合加工，多次加工，这样将导致所加工的线圈模具20的成型环槽，由于制造误差累计、安装误差等因素导致制造精度降低，而后依据线圈模具20的成型环槽最终成型的仿星器线圈10精度也将降低。
而由于在步骤S100中进行了对线圈三维模型1的面扭转优化，使线圈三维模型1环端面与环侧面优化为垂直状态，这样线圈模具模型2和成型环槽模型2A也将得到相应的优化，这样构建的线圈模具20和线圈模具20的成型环槽也能够由于垂直而实现一体化加工，从而避免刀具干涉以及提高制造精度。
完成上述线圈模具20的模型建立后，随即进入步骤S300：线圈三维模型1和线圈模具模型2的工程分析阶段，具体为分析线圈三维模型1和成型环槽模型2A曲面曲率等的信息，判断线圈三维模型1和成型环槽模型2A的匹配度是否达到设定的最佳值。
需要指出的是步骤S100～步骤S300是可以循环进行的，如果在步骤S300是判断线圈三维模型1和线圈模具模型2匹配度较低，则进行步骤S400迭代优化阶段，具体为将线圈三维模型1代入步骤S100中继续优化，不断循环递进，不断迭代使线圈三维模型1和线圈模具模型2达到要求的匹配度。
如本申请和权利要求书中所示，除非上下文明确提示例外情形，“一”、“一个”、“一种”和/或“该”等词并非特指单数，也包括复数。
以上的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种仿星器线圈结构的优化方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S100：模型优化，具体包括：
步骤S110：基于仿星器线圈(10)构建线圈三维模型(1)；仿星器线圈(10)为闭环结构的连续体；线圈三维模型(1)与仿星器线圈(10)形状一致；
步骤S120：对线圈三维模型(1)进行离散化分析，将线圈三维模型(1)拆分成若干截面大小一致的离散单元面(1A)；若干离散单元面(1A)叠加组合构成线圈三维模型(1)；
步骤S130：构建线圈三维模型(1)包括两两垂直的X轴、Y轴和Z轴以及空间圆心O的空间坐标系(O-XYZ)；空间圆心O位于线圈三维模型(1)的环内，Z轴和Y轴分别指向线圈三维模型(1)的环面；在各离散单元面(1A)上构建包括相互垂直的v轴和u轴以及平面圆心rG的平面坐标系(rG-vu)，并且u轴指向线圈三维模型(1)的环面；
步骤S140：定义离散单元面(1A)相对于线圈三维模型(1)的面扭转率i，先将Z轴和v轴的夹角设为β，再对面扭转率i进行计算，面扭转率i＝cosβ；
步骤S150：进行各离散单元面(1A)的面扭转优化，将各离散单元面(1A)于所在平面内旋转，直至β转至90°，使面扭转率i＝0，使线圈三维模型(1)得到扭转优化。
2.根据权利要求1所述的仿星器线圈结构的优化方法，其特征在于，还包括：
步骤S200：线圈模具模型(2)建立，具体包括：
步骤S210：将扭转优化后的线圈三维模型(1)输入建模软件；
步骤S220：建模软件对线圈三维模型(1)进行轮廓参数提取，生成轮廓代码信息；
步骤S230：基于轮廓代码信息，生成线圈模具模型(2)。
3.根据权利要求2所述的仿星器线圈结构的优化方法，其特征在于，还包括：
步骤S300：工程分析，将线圈三维模型(1)和成型环槽模型(2)进行比对，并得出匹配度。
4.根据权利要求3所述的仿星器线圈结构的优化方法，其特征在于，步骤S300还包括：判断匹配度是否达到设定值，如果没有达到，则进行步骤400；
步骤S400：迭代优化，将线圈三维模型(1)代入步骤S100，并重复执行步骤S100至S300。
5.根据权利要求1～4中任意一项所述的仿星器线圈结构的优化方法，其特征在于，
步骤S120中将线圈三维模型(1)拆分成若干离散单元面(1A)的拆分方法具体为：以X轴为基准，做若干与X轴重合的拆分平面，相邻拆分平面之间的夹角相等并且所有拆分平面夹角之和为360°，拆分平面位于线圈三维模型(1)上的截面构成离散单元面(1A)。
6.根据权利要求5所述的仿星器线圈结构优化的方法，其特征在于，步骤S120中将线圈三维模型(1)共计拆分成48个离散单元面(1A)。
7.根据权利要求1～4中任意一项所述的仿星器线圈结构的优化方法，其特征在于，
步骤S110中线圈三维模型(1)的构建方式采取逆向建模的方式实现。
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