提高核电装备设计质量与设计效率的若干思考（下）

来源：《新技术新工艺》杂志作者：何英勇，张峰，任宪常，等...

3核电装备的数字化与自动化设计

数字化样机技术是20世纪80年代迅速发展起来的一项计算机辅助工程技术，随着波音777、空中客车380等民用飞机的推出和我国新一代先进战斗机“枭龙”系列的问世及科技型制造业的崛起，“数字化”的概念逐步进入了人们的视野。数字样机是指相对于物理样机，在计算机上表达的机电产品整机或子系统的数字化模型，其作用是用来验证物理样机的功能和性能。数字样机在功能上可实现产品干涉检查、运动分析、性能模拟、加工制造模拟、培训宣传和维修规范等。

随着计算机辅助设计（CAD）软件能够创建越来越精确的三维CAD模型，数字样机开发逐渐被明确提出。国际知名的研究机构Aberdeen与主流的CAD厂商共同完成的一项研究表明，采用数字样机开发技术不仅能够大大减少物理样机的制作数量，从而降低成本，而且可以提高产品研发效率，缩短产品上市周期，降低产品研发的风险，使研发的产品更加适应市场需求。作为先进的设计方法，数字样机技术的应用对设计的创新、提高设计工作效率、减少设计缺陷、提高设计质量和加快产品开发周期有着重要的意义。

数字化样机技术在发达国家，如美国、德国等都已经得到了广泛的应用，应用领域包含了汽车业、工程机械、航空航天业、机械电子业、国防工业、通用机械以及人机工程学等诸多领域。美国波音飞机公司的波音777飞机是世界上首架以无图样方式研发及制造的飞机，其设计、装配、性能评价及分析就是采用的数字化样机技术。这不但使研发周期大大缩短，研发成本显著降低，而且很好地保证了最终产品的一次拼装成功。美国航天航空局(NASA)喷气实验室(JPL)研制成功的实现在火星上软着陆的“探路号”探测器，也是成功应用数字化样机技术设计的范例。

产品设计通常可以分为创新设计和变形设计两大类。在实际的设计工作中，大约有70%属于变形设计，即在原有产品的基础上，按市场需求进行局部变形、调整或模块重组，形成新的产品。变形设计的实现过程可以最大限度地利用企业已有的成熟产品资源，具有很强的灵活性和适应性。变形设计不但可以快速开发产品、响应市场，而且还可以极大地降低产品设计阶段的成本，是一种适应于大规模客户化定制生产模式的现代设计方法。变形设计有效地解决了大批量生产的低成本、短交货期与定制生产的高成本、长生产周期的统一问题。

机械零件是最适合参数化设计的，因为它们往往具有相类似的形状和结构，且控制形体的尺寸约束和几何约束的种类和数量都是相同的，即产品型号的不同，各个组成零件的尺寸大小不同，而结构却是相似的，所以能够通过参数化来进行产品的系列化设计与开发。

参数输入部分提供了主要的尺寸输入。用来驱动模型中对应的尺寸重新生成模型。如果数据较多，可以通过Access软件建立系列尺寸数据库，通过调用数据查询函数，直接调用Access软件数据库中的数据，来驱动模型中的系列尺寸的重新生成，可提高设计效率。在机电产品的快速变形设计中，也可以将常用的一些强度校核计算等功能集成到所开发的变形设计程序中，以加快同类产品变形设计的速度，并保证设计质量。

在建立大型复杂装配件时，因为零部件过多，易发生装配干涉。在Pro/E软件中提供了一个骨架模型的功能，允许使用者在加入零件之前，先设计好每个零件在空间的静止位置，或者运动时相对位置的结构图。当设计好结构图后，利用结构将每个零件装配上去，以避免不必要的装配限制冲突。在复杂产品的装配设计中采用骨架模型具有如下优点。

1）集中提供设计数据。骨架模型定义了一些非实体单元，例如参考面、轴线、点、坐标系、曲线和曲面等，勾画了产品的主要结构、形状和位置等，作为装配的参考和设计零部件的参考。

2）零部件位置自动变更。零部件的装配是以骨架模型中基准作为参考的，因此，零部件的位置会自动跟着骨架模型变化。

3）减少不必要的父子关系。因为设计中要尽可能的参考骨架模型，而不参考其他的零部件，所以可以减少父子关系。

4）可以任意确定零部件的装配顺序。零部件的装配是以骨架模型作为基准装配的，而不是依赖其他的零部件，因此，可以方便地更改装配顺序。

5）改变参考控制。通过设计信息集中在骨架模型中，零部件设计以骨架作为参考，可以减少对外部参考的依赖。

通过创建产品初始零、部件模型库，开发应用程序，设计人性化的人机交互界面，可建立一个由参数控制的产品参数化快速变形设计系统。零、部件模型的快速调用和参数的便捷修改，可节省设计中的大量重复工作，缩短设计时间，提高设计效率。

4核电装备数字化与自动化设计案例

自动开封盖装置是核电站核放射性废料处理流水线中不可或缺的关键设备，在核废料的处理过程中，首先将放射性核废料装入废料金属桶，进行水泥固化，然后自动开封盖装置为废料桶盖上桶盖，拧紧螺栓，将废料桶封装。

自动开封盖装置数字化样机快速设计平台（以下简称为“设计平台”）的开发将减少非标设计物理样机的数量，在数字环境下完成设计和验证的大部分工作，降低设备开发的风险；设计平台的建设将大大提高产品设计的效率，以计算机替代人力进行复杂的运算、校核，提升设计效率；此外在设计平台的支持下，可以对设计缺陷进行自动辨识和修复，缩短设计周期，保证设计质量，最终设计平台在参数化设计方法的支撑下，能够完成自动开封盖装置的快速变形设计，形成系列产品。

设计平台的研发对于提升非标设备的开发能力，提高设计效率具有重要的意义。该设计平台能够完成开封盖装置的快速变形设计，也为其他核电核心装备的快速智能化设计模式提供了重要的参考和模板，其方法和原理能够向更多的产品推广，从而从根本上提升核电设备的研发能力，加快核电设备国产化的进程。

设计平台以创建自动开封盖机的数字化样机为核心，基于Pro/E 5.0软件构建自顶向下的自动开封盖装置快速设计系统，并集成ANSYS、ADAMS等软件对样机进行优化设计、运动学和动力学仿真，最终形成核电产品数字化样机设计的一般规范。项目的总体技术架构如图3所示。

设计平台将自动开封盖装置的机械结构分解为支架、平动机构、提升机构、旋转机构、取盖机构、拧紧轴和存盖装置等七大部件模块，基于此来构建开封盖机的骨架模型，具体的结构划分如图4所示。

用户进入设计平台，进行自动开封盖装置快速设计的基本流程如下：1）进入“总体设计模块”，该模块的输入信息为开封盖机的基本性能参数（如核废料桶的规格、总体尺寸），该模块的输出信息为一系列推荐的七大部件模块的结构参数，该推荐的结构参数可作为“参数化设计模块”的输入参数；2）逐一进入七大部件的“参数化设计模块”，以总体设计获得的推荐参数或者用户需要的参数作为输入，自动获得各个模块的变型设计三维模型；3）调用“总体装配模块”，将经过重新设计的七大部件按一定顺序进行组装，明显的干涉和错误会进行自动调整或者提示用户进行手动调整；4）调用“缺陷辩识/修复模块”，对组装的整机中存在的更多设计缺陷进行辨识和分析，并自动调整或者提示用户进行手动调整。

自动开封盖机数字化设计平台包括如下基本功能模块。

1）总体设计模块。

2）参数化设计模块。包括：a.支架参数化设计模块；b.平动机构参数化设计模块；c.提升机构参数化设计模块；d.旋转机构参数化设计模块；e.取盖机构参数化设计模块；f.拧紧轴参数化设计模块；g.存盖机构参数化设计模块。

3）总体装配模块。

4）缺陷辩识/修复模块。

上述功能模块之间的关系如图5所示。

上述实施方案完成后，将实现自动开封盖装置数字化样机设计全流程的自动化，实施方案中增加了顶层的“总体设计模块”，采用上述实施方案，可以减少甚至避免出现由于各结构部件“参数化设计模块”参数输入不合理造成的总体装配不协调等问题。在该实施方案中还增加了一个“缺陷辩识/修复模块”，该模块可在一定程度上避免设计失误的出现，保障自动开封盖机的设计质量。

5结语

本文探讨了容错纠错设计技术、可验证设计技术以及数字化与自动化设计技术在核电装备设计中的应用前景，分析了上述设计技术对于提高核电装备设计质量与设计效率的重要意义，研究了其中的关键技术。在核电装备设计的早期引入容错纠错技术、设计验证技术，可大幅缩短设计验证时间，降低设计验证难度，实现设计缺陷辩识、定位和修复的集成，从而有效提高核电装备的设计质量、水平和效率，保障核电装备运行的安全性与可靠性。容错纠错设计技术、可验证设计技术以及数字化与自动化设计技术的研究及其在核电装备中的应用将会产生显著的社会和经济效益。

作者简介：何英勇（1978-），男，工程师，主要从事核岛设备设计等方面的研究。