★北京廣利核系統工程有限公司單士起，張偉

關(guān)鍵詞：核電站；穩定可靠；模塊化設計

核電儀控系統結構產(chǎn)品包含機柜、操作臺、機箱、機架等，其搭載儀控系統控制整個(gè)核電站安全長(cháng)期運行，即使面臨儀控系統的重大升級改造，其結構部分也很難被完全替換。根據最新設計要求，正常工況下核電儀控用結構產(chǎn)品設計壽命為60年。2018年1月1日隨著(zhù)《中華人民共和國核安全法》的實(shí)施，應用到核電站的設備要“絕對安全”，核電儀控系統使用的結構產(chǎn)品既要滿(mǎn)足正常工況使用，還要考慮其在惡劣環(huán)境中正常運行。穩定可靠的產(chǎn)品性能，是核安全的重要保證。

我國核電儀控系統結構產(chǎn)品經(jīng)過(guò)多年自主化探索研究取得了長(cháng)足進(jìn)步，目前已具備自主設計、研發(fā)創(chuàng )新、生產(chǎn)制造能力。本文參考2020年新國標《智能制造能力成熟度模型》中設計成熟度的要求，結合數十臺核電機組項目實(shí)踐經(jīng)驗，從多角度闡述了核電儀控系統模塊化結構設計的方法。

1　設計過(guò)程

1.1　背景介紹

我國核電由二代與二代加堆型及華龍一號、國和一號等三代壓水堆和具有第四代特征的高溫氣冷堆及小型堆、四代堆等不同堆型組成。隨著(zhù)各個(gè)堆型發(fā)展以及各系統用戶(hù)對結構產(chǎn)品個(gè)性化和多樣化的要求，產(chǎn)品創(chuàng )作空間擴大，對創(chuàng )新程度的要求也越來(lái)越高。核電產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展，迫使產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期減少，更新頻率加快，產(chǎn)品在設計過(guò)程沒(méi)有足夠的時(shí)間去反復驗證產(chǎn)品的可靠性。傳統現代設計是以知識為基礎，以知識獲取為中心，設計從某種意義上說(shuō)是各種知識的物化過(guò)程，需要新設計就需要獲得新知識，并完成這個(gè)過(guò)程。顯然這種設計過(guò)程得到的產(chǎn)品不歷經(jīng)多次迭代，得不到穩定可靠的產(chǎn)品。

1.2　傳統設計方法

面對繁雜冗余的驗證過(guò)程，設計人員在拿到新的設計需求時(shí)，如何快速完成性能可靠的產(chǎn)品設計？按照設計流程應該是使用原材料，利用自己的專(zhuān)業(yè)知識和多年設計經(jīng)驗完成結構設計。這類(lèi)工作確實(shí)存在，且長(cháng)期存在于各專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員大腦中。傳統的設計理念強調，如果想要設計出更好的東西，就需要不斷學(xué)習新知識，學(xué)會(huì )創(chuàng )新，還需要具有創(chuàng )新思維才能不斷挑戰完成更復雜的設計任務(wù)。這種思想的灌輸對于團隊建設確實(shí)具有積極的影響，設計人員熱衷于學(xué)習更多知識，包括各類(lèi)材料性能、焊接工藝、電鍍工藝等關(guān)鍵工藝的生產(chǎn)優(yōu)化等。然而實(shí)踐證明，即使是經(jīng)驗豐富的結構工程師，且具備很強的產(chǎn)品和工藝設計能力，也無(wú)法在短期內設計出性能可靠的完全符合核電系統要求的結構產(chǎn)品。

在這里做個(gè)假設，設計人員面對一個(gè)項目任務(wù)，該任務(wù)要求機柜防護等級IP67，操作臺具備中高EMC防護等級、抗震要求、抗沖擊要求等等。設計人員面對上述問(wèn)題該如何處理？如果套用傳統現代設計理念按照規范化設計流程開(kāi)展設計工作，設計過(guò)程中設計人員疲于滿(mǎn)足項目需求，最后即使倉促完成設計也一定存在各種缺陷。

1.3　模塊化設計方法

模塊化設計：將目標產(chǎn)品根據功能分解為若干模塊，通過(guò)模塊的不同組合，創(chuàng )造出不同品類(lèi)、不同規格的產(chǎn)品。

模塊：指一組具有同一功能的組合單元，各單元接口相同，性能和結構不同，各單元可互換使用。

模塊是典型產(chǎn)品組件的標準庫及典型產(chǎn)品設計知識庫的具體體現，模塊的三維模型集成產(chǎn)品設計信息，確保產(chǎn)品研發(fā)過(guò)程數據源的唯一性^[1]。

1.3.1模塊化產(chǎn)品設計的價(jià)值

（1）各項成本低；

（2）開(kāi)發(fā)速度快；

（3）產(chǎn)品質(zhì)量可靠；

（4）用戶(hù)滿(mǎn)意度高；

（5）更好的競爭優(yōu)勢。

1.3.2模塊化設計流程

核電站儀控系統結構模塊化設計如圖1所示由四部分組成。

圖1 模塊化設計流程

（1）產(chǎn)品開(kāi)發(fā)

產(chǎn)品開(kāi)發(fā)可以分三個(gè)階段：

第一階段：根據設計需求進(jìn)行需求分析，對產(chǎn)品功能需求進(jìn)行分析和定義。

第二階段：使用模塊化思維對產(chǎn)品進(jìn)行模塊化劃分，同時(shí)定義模塊與接口之間信息。

模塊化劃分使設計者理清設計思路，有利于后期三維模型層級搭建及開(kāi)展模塊化設計。比如機柜裝配體是由機柜框架、側板、上頂下底、前后門(mén)、各類(lèi)安裝附件組成；前后門(mén)是由門(mén)板、門(mén)鎖、散熱單元、各類(lèi)附件構成；散熱單元是由金屬罩、風(fēng)扇等組成。

第三階段：使用原材料、可行生產(chǎn)工藝、合理結構形式等制定不同結構設計方案，大到柜體結構、操作臺結構、各類(lèi)門(mén)結構，小到門(mén)鎖結構、顯示器安裝結構、設備安裝結構等。該階段在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中起到重要作用，是產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中最困難的階段，該階段對設計人員知識積累及創(chuàng )新能力提出了較高要求。

第四階段：使用第三階段結構設計方案組成創(chuàng )造不同結構產(chǎn)品滿(mǎn)足項目使用要求，即各類(lèi)機柜、操作臺、箱體等結構產(chǎn)品。

（2）產(chǎn)品驗證

新的結構產(chǎn)生設計完成后需要根據設計要求完成產(chǎn)品驗證，例如：抗震、商飛撞擊、IP防護要求、成套要求等。產(chǎn)品驗證后認定該產(chǎn)品滿(mǎn)足設計要求，經(jīng)認證許可的產(chǎn)品方可應用于核電供貨項目。

部分產(chǎn)品在歷經(jīng)多個(gè)機組迭代優(yōu)化后[1]即可形成滿(mǎn)足不同項目使用的相對標準化產(chǎn)品。

（3）模塊提取入庫

設計人員選取已被驗證過(guò)的產(chǎn)品，對組成產(chǎn)品的各結構模塊進(jìn)行提取，形成比如機柜框架模塊、前門(mén)模塊、散熱單元、顯示器支架、軌跡球嵌入結構等各類(lèi)模塊化結構。

已被認定提取的模塊化結構需進(jìn)行信息管理，比如三維及2D圖紙校核、參照裝配定義、使用要求等，該模塊結構信息確認無(wú)誤后入模塊庫。

模塊庫規模隨著(zhù)開(kāi)發(fā)產(chǎn)品的不斷增加而不斷豐富，其所選用的標準件、零部件種類(lèi)不斷增多，模塊庫自下而上要求設計人員相似零部件統一采用標準化的零件，精簡(jiǎn)零部件種類(lèi)。比如同一位置其安裝尺寸相同外形尺寸相似的A/B/C三個(gè)零件，模塊在提取入庫過(guò)程中選定A為標準化零件。

模塊庫的使用將知識共享做到了極致，它鼓勵重用，避免重復設計。模塊庫的發(fā)展是一個(gè)資源整合過(guò)程，它將行業(yè)成熟的經(jīng)驗、知識通過(guò)三維模型轉為可視化的成產(chǎn)品設計規則。

（4）創(chuàng )造產(chǎn)品

模塊化設計方法中產(chǎn)品的設計過(guò)程是一個(gè)已被反復驗證過(guò)可靠的模塊化結構搭建的過(guò)程。設計過(guò)程中，產(chǎn)品在固有的穩定可靠的模塊構成基礎上不斷迭代優(yōu)化，創(chuàng )造出適用于不同項目使用的產(chǎn)品。

筆者現采用模塊化設計方法推理，當組織內部接收到設計需求時(shí)，會(huì )組織設計啟動(dòng)會(huì )，會(huì )議上設計人員按照既有的模塊化設計經(jīng)驗，針對不同結構產(chǎn)品設計需求梳理滿(mǎn)足項目要求的成熟可靠的模塊化設計方案（這個(gè)過(guò)程跳過(guò)了產(chǎn)品開(kāi)發(fā)最難的第三階段），并據此制定該項目總體設計文件?？傮w設計文件分發(fā)到執行人，執行人按照既定的模塊化的搭建方案完成不同結構產(chǎn)品的方案設計。一張藍圖繪到底，使用模塊化設計方法從設計需求到完成產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，再到設計過(guò)程評審，都保持了設計流程的連續性。

1.4　迭代優(yōu)化

核電儀控系統結構設計大多有抗震要求，結構方案經(jīng)迭代優(yōu)化后其產(chǎn)品性能更加穩定。對于該類(lèi)設備結構優(yōu)化從兩個(gè)維度優(yōu)化設計，即概念設計優(yōu)化技術(shù)和實(shí)物設計優(yōu)化技術(shù)。

（1）概念設計優(yōu)化技術(shù)

概念設計優(yōu)化技術(shù)有外形優(yōu)化、拓撲優(yōu)化、自由尺寸優(yōu)化三種優(yōu)化方式。

外形優(yōu)化：外形優(yōu)化技術(shù)廣泛應用于提高各種沖壓板的性能，如減小變形、提高模態(tài)率、減小振動(dòng)。

拓撲優(yōu)化：拓撲優(yōu)化是結構優(yōu)化中具有前景和創(chuàng )新性的技術(shù)，是指在給定的設計空間之內找到最佳的材料分布，或者傳力路徑，從而在滿(mǎn)足各種性能的條件下得到重量最輕的設計。

自由尺寸優(yōu)化：是指用于概念設計的自由尺寸優(yōu)化，用于確定非等厚薄板零件的厚度分布，如特殊結構中的機加工件和化銑件。

（2）實(shí)物設計優(yōu)化技術(shù)

實(shí)物設計優(yōu)化技術(shù)有形狀優(yōu)化、尺寸優(yōu)化、材料優(yōu)化三種優(yōu)化方式。

形狀優(yōu)化：形狀優(yōu)化技術(shù)通過(guò)將網(wǎng)格節點(diǎn)移動(dòng)或者變形到某個(gè)新位置，相當于改變零部件的CAD設計，從而提高零部件的性能，如提高剛度、模態(tài)，減低應力集中等。

尺寸優(yōu)化：尺寸優(yōu)化是最經(jīng)典的優(yōu)化技術(shù)，一般也叫參數優(yōu)化技術(shù)，即改變模型參數值，網(wǎng)格模型保持不變，可以對有限元模型的各種參數如板件厚度、梁桿截面尺寸、材料特性，彈性元件剛度進(jìn)行優(yōu)化。

復合材料優(yōu)化：復合材料以其比強度、比模量高和耐腐蝕、抗疲勞等特點(diǎn)，在工業(yè)界得到越來(lái)越多的應用，特別是在航空航天領(lǐng)域。

（3）優(yōu)化實(shí)例—拓撲優(yōu)化驗證經(jīng)驗設計方案

圖2 力學(xué)模型示意圖

如圖2所示，根據產(chǎn)品受力特性建立力學(xué)模型，經(jīng)過(guò)拓撲優(yōu)化，將型材厚度由6.0mm降低至4.0mm，最終形成具有代表性的高承載、高抗震性能的設計方案。

基于上述兩個(gè)設計維度，通過(guò)設計仿真和試驗驗證，完成對產(chǎn)品的外觀(guān)、結構、性能、工藝等仿真分析、試驗驗證與迭代優(yōu)化。

2　生產(chǎn)制造

模塊化的結構設計方法在生產(chǎn)制造過(guò)程中，會(huì )改變供應商制造習慣，引導其從定制加工走向產(chǎn)品結構形式統一、批量化結構反復加工的過(guò)程。

在大批量生產(chǎn)方式下，多數從業(yè)人員不再需要很高的技術(shù)水平，而只需進(jìn)行簡(jiǎn)單的培訓，即可開(kāi)展工作。這種生產(chǎn)方式大大縮短了生產(chǎn)周期，提高了生產(chǎn)效率，降低了生產(chǎn)成本，并使產(chǎn)品質(zhì)量得到保證。大批量類(lèi)同化生產(chǎn)方式有以下特點(diǎn)：

（1）生產(chǎn)的產(chǎn)品產(chǎn)量大而相對品種少，重復生產(chǎn)一種或少數幾種相類(lèi)似的模塊化結構，工藝過(guò)程和生產(chǎn)條件穩定，專(zhuān)業(yè)化程度高。

（2）多采納專(zhuān)用、高效設備和工藝裝備，生產(chǎn)過(guò)程機械化、自動(dòng)化程度及設備利用率較高，生產(chǎn)周期較短，零件加工質(zhì)量易于保證。

（3）工人作業(yè)分工細，多數工人長(cháng)期從事幾種簡(jiǎn)潔和重復性的操作，對工人的技術(shù)水平要求不高。

（4）產(chǎn)品設計模塊化，標準化程度高，零件互換性好，廣泛采納互換裝配法裝配。

（5）按對象組織專(zhuān)業(yè)化生產(chǎn)，多采取流水生產(chǎn)、自動(dòng)生產(chǎn)線(xiàn)等生產(chǎn)組織形式，生產(chǎn)方案細致周密，生產(chǎn)過(guò)程易于掌握。

（6）因產(chǎn)品構成模塊相對穩定，各類(lèi)生產(chǎn)模具被廣泛應用于毛坯件制作，其加工余量小，材料利用率高。

3　結論

模塊化的設計方法歷經(jīng)項目的不斷衍化，供應商為提高產(chǎn)能和產(chǎn)品質(zhì)量，會(huì )不斷優(yōu)化反復生產(chǎn)產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝，使產(chǎn)品生產(chǎn)工藝不斷趨于更好^[2]。穩定可靠的設計方案，結構產(chǎn)品高質(zhì)量產(chǎn)出，設計人員在習慣這種設計節奏后，其更多精力去完善需求，以工程項目為中心，不斷去更好適配系統設計，使儀控系統性能趨于更好。模塊化結構設計方案使行業(yè)設計經(jīng)驗得到積累和傳承，良好的結構設計經(jīng)過(guò)模塊化提取再反哺模塊庫，使模塊庫不斷豐富，如此反復，形成可持續發(fā)展壯大的閉環(huán)設計，促使團隊在不斷迎接挑戰中，穩中求進(jìn)良性蛻變。

作者簡(jiǎn)介：

單士起（1984-），男，山東人，學(xué)士，現就職于北京廣利核系統工程有限公司，主要從事核電廠(chǎng)安全級儀控系統設計方面的工作。

參考文獻：

[1]GB∕T39116-2020,智能制造能力成熟度模型[S].

[2]李秋偉.淺談鈑金的設計制造與成本核算[J].科技與企業(yè),2015.

摘自《自動(dòng)化博覽》2024年4月刊