基于一个用于住宅和农村应用的微型风力涡轮机发电项目，ACV+Engineering 和 APA Engineering 提出了一个实际案例研究，涵盖了塑料外壳的开发，从使用 CAD 和 CAE 工具定义需求和进行优化，到原型制作、防水测试和批量生产的准备。.
ACV+Engineering公司拥有先进微型风力涡轮机设计的知识产权。
他们最近决定启动该项目的开发，该产品最初将在意大利生产和销售。
项目缘起及目标：
我们拥有大量的可再生能源，但遗憾的是，我们并未充分利用这些资源。例如，风能。
虽然小型风力涡轮机的发电量相对较低，但它没有光伏电池板装置的缺点和不足。
无论如何，完全可以将这两种系统结合起来安装，以达到互补的效果。
西班牙是全球领先的风力发电技术国家之一，读者们也认同，家用小型风力涡轮机对环境和家庭经济都大有裨益。
一种明智的使用方法是将能量存储在电池中，以便在电价较高的非高峰时段使用，这在世界各地已是普遍做法。
欧洲拥有一套双向售电系统，用于出售多余的发电量。
这些自主系统可以在预计会发生停电的地区提供备用电源。
小型风力涡轮机在农村家庭、偏远地区应用和低能耗应用（例如气象站和摄像机）中可能最为实用，是一种便捷的解决方案。.
项目及其挑战
该项目着重于设计一款空气动力效率高、结构坚固的产品，从而减少了所需的维护工作量和成本，使其比光伏系统更具优势。.
确定了预期应用后，ACV+Engineering 便着手开发其设计概念。.
从那一刻起，工程挑战才真正开始。
我们分析了用户需求，并制定了实现项目目标所需的技术规范。
就电子模块而言，它会暴露在各种大气因素的影响下：灰尘、雨水，甚至潮湿环境。ACV
+Engineering 的首席执行官 Alejandro C. Vagni Álvarez 解释说：“空气动力学设计和机械解决方案是我们的专长。然而，我们决定将电子元件的保护和用户安全委托给专业的工程师。”
我们的声誉和安全都是至关重要的考量因素：电子元件的使用寿命可能会受到影响，而且人们接触到这些元件时可能会触电。
解决方案：
为了应对这些挑战，我们自 2013 年起便与技术合作伙伴 APA Engineering 携手合作。APA
Engineering 是一家国际工程和采购咨询公司，拥有 500 多名涵盖各个领域的专家，总部位于印度钦奈。ACV
+Engineering 是 APA Engineering 在欧洲的商业代表。
两家公司在结构、热力学和流体动力学等领域的数值模拟、电子和机械元件采购以及物流管理服务方面均开展合作。APA
Engineering 还为各行业的公司提供合规服务。
APA Engineering 可以参与电子模块外壳开发的各个阶段，从概念和原型制作到测试，再到交付用于生产的 CAD 设计。
换句话说，从概念到批量生产的准备工作，我们都能提供全方位的服务。
具有 IP 防护等级的机柜的开发阶段
保护外壳的基本要求如下：
- 内部隔室必须有足够的容积以利于散热。-
厚度和半径必须与注塑成型工艺相符。-
密封垫必须具有合适的尺寸、弹性材料和硬度；其外壳的设计也必须合理，以确保其功能正常。
工程团队一致认为，外壳应通过 IP65 防护等级验证。
适用的国际技术标准是 IEC 60529。
外壳的防护等级采用代码进行分类，该代码指示其防止固体异物和水进入的防护程度。
IP 代码结构：
该代码由字母 IP（代表防护等级）和两个数字组成：
第一个数字表示固体防护等级：它对灰尘和其他固体颗粒的侵入防护能力进行分类，数值范围从 0 到 6，其中 6（即 IP6X）表示完全防尘。
第二个数字表示液体防护等级：它对液体的侵入防护能力进行分类，数值范围从 0 到 9。
我们认为，IP65防护等级已经足够且充分。.
计算机辅助设计 (CAD) 和计算机辅助工程 (CAE)
我们首先使用了一个初步的CAD模型，该模型似乎符合既定标准。.
项目开发计划步骤如下：
首先进行初步的CAD设计及其虚拟验证；随后进行物理验证。
通过数值模拟和三维CAD模型改进的迭代，可以在制造原型之前优化几何形状和材料。
只有在原型制造完成后，才会投入资金购买用于物理测试的材料。
CAE数值模拟循环的目标非常复杂。它必须找到最佳结构几何形状，在满足以下多个要求的同时，最大限度地减少所需的结构材料：
- 热分析；
- 验证结构对关闭力的抵抗能力（柜门可能采用螺钉或铰链和锁定机构）；
- 正确的连接功能
；- 额外的失效模式及影响分析 (FMEA)；
- 注塑成型过程模拟；
- 运输包装设计模拟。
该研究首先进行了热分析，以验证系统的散热能力。
分析表明，系统的几何形状和内部空气容积足以进行结构设计。
当保护壳需要持续使用时
当外壳无法达到所需的防护等级，无法有效防止外部因素侵入时，其失效通常悄无声息（此处为比喻）。
失效模式十分隐蔽：在CAD图纸上看似完美的密封层被微量水分渗透后，往往在投入大量资金制造模具数月后才被发现。
本项目中分配给 APA Engineering 的目标很容易定义，但很难保证：我们 ACV+Engineering 以一款结构特性优异的优质金属机柜模型为例，委托 APA Engineering 对其进行重新设计，使其能够以低成本批量生产注塑成型的塑料盒，防护等级达到 IP65。.
金属板材和模压塑料在结构上的表现并不相同；它们的密封性能也不同，而且对设计缺陷的容忍度也更低。因此，这种改造从一开始就需要采用工程方法。
仅仅用不同的材料重新设计盒子是不够的。
以下解释了团队如何通过逐步做出决策来防止失败并确保达到所需的 IP 等级。.
“获得知识产权认证最难的不是垫片本身，而是确保产品开发的所有先前阶段都对垫片将要执行的功能达成一致。”.
图3显示了通过有限元模拟获得的机械应力分布。
颜色图表示使用有限元方法（FEA）计算得到的零件中的机械应力分布。
外壳和可拆卸面板上有一个凹槽，用作垫圈的安装座，垫圈可以由橡胶或硅胶制成。.
选择邵氏硬度为SH35-40的弹性硅胶O型圈垫片。.
通过对螺栓拧紧至最终位置或设计扭矩时的特定弹性变形进行模拟，可以控制接头的压溃变形，确保其符合建议并沿整个周长均匀分布。
这是一种高级结构模拟，因为它本质上是“非线性”（非线性有限元分析），因为随着部件变形，接触面积、压力分布和作用力都会不断变化。
附加失效模式及影响分析 (FMEA)
针对可能存在的结构性故障的额外检查
对产品在运输和搬运过程中抵抗意外事故和误用的能力进行评估。
目标是达到所需的坚固性，并最大限度地减少可预见事故造成的损失。
- 有限元分析 (FEA) 以防止误用，例如对外壳和盖子施加过大的压力、组件组装错误或施加过大的关闭力。.
- 意外跌落的有限元分析：模拟设备从至少 1 米的高度以不同方向撞击地面的情况。.
一旦确定了参考配置，就会并行进行注塑成型、误用和跌落模拟，该配置仍可能发生细微的几何变化。.
制造过程
图 4 是一个复杂零件（汽车门板）的示例，显示了尝试定位熔融塑料的注射通道。.
获得初步几何形状后，即可进行塑料注塑成型工艺的特定模拟。
熔融材料流动模拟包括以下几个阶段：
- 填充可行性及优化：分析熔融聚合物的流动情况，并检查厚度、半径和角度的适用性，以避免出现未填充区域。
通过迭代优化注射点，以实现模具完全填充并达到计划的循环时间。
验证在注射过程中将零件固定在位所需的模具夹紧力。-
冷却模拟：分析凝固过程和温度分布。-
潜在缺陷分析：
i) 识别潜在的缩痕和熔接线。熔接线会影响外观和机械强度，具体取决于材料和工艺条件。ii
) 翘曲：零件在凝固和冷却过程中发生的几何变形，与差异收缩有关。
金属模具制造完成后再纠正这些问题可能非常昂贵。
经过所有虚拟检查后，我们得到了一个 CAD 文件，希望它能成为最终版本。.
原型制造与物理验证
下一阶段是制造原型并进行实验室测试。
通常的做法是使用 3D 打印技术制作原型。
我们进行了一项名为“IP65 喷水测试”的内部实验室测试，随后对设备进行了完全拆解。
在印刷电路板 (PCB)、连接器或机箱内部均未发现任何水渍。
这项验证测试使我们能够确定该设计是否可以投入生产，或者是否需要进一步迭代。
批量生产
：经过物理验证后，流程进入预生产阶段，采用注塑模具。
选用的材料为ASA基树脂（奇美KIBILAC PW-957），表面涂有RAL 9003信号白漆。这种材料和表面处理的组合兼顾了耐用性、可成型性和外观。
每台下线的产品都经过目视检查，同时从生产批次中抽取样品，执行与原型相同的IP测试流程。
只有成功通过这项质量测试，产品才能进行包装和发货。
结论
团队积累了经验并得出了一些结论。
其中最重要的经验教训贯穿整个过程：
IP防护等级并非仅仅通过选择合适的密封垫并拧紧就能实现。它需要一个协调一致的流程，材料、仿真和注塑成型领域的专家需要将各自的设计决策整合起来。IP防护等级
不应仅仅被视为最后才检查的指标，而应是在整个开发过程中需要不断关注的目标。
我们对项目目前阶段的工作成果非常满意。
此外，APA Engineering 还可以协助我们完成技术文档、包装设计、数字内容制作，并就出口法规合规性提供咨询服务。
视频
有一部纪录片视频可供感兴趣的人观看。.
接触：
作者：
作者：AC Vagni Álvarez，ACV+Engineering 首席执行官，与印度 APA Engineering 公司合作撰写。 - www.acv-engineering.de
