文獻標識碼：B文章編號：1003-0492（2024）08-072-04中圖分類(lèi)號：TP29

★劉兆峰（北京廣利核系統工程有限公司，北京100094）

★張天元（遼寧紅沿河核電有限公司，遼寧大連116319）

關(guān)鍵詞：鋁合金機柜；優(yōu)化設計；拓撲優(yōu)化；截面優(yōu)化；輕量化

輕量化需求在航空航天、船舶、汽車(chē)等領(lǐng)域日益提高，核電機柜輕量化需求日益嚴苛，采用常規的減薄材料厚度、降低機柜抗震包絡(luò )性等途徑，很難實(shí)現項目重量指標。拓撲優(yōu)化技術(shù)在汽車(chē)、機床、電子機械等領(lǐng)域的輕量化方面得到了廣泛的應用，與形狀優(yōu)化和尺寸優(yōu)化相比，拓撲優(yōu)化具有更大的優(yōu)化效益，成為優(yōu)化領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)^[1-5]。特別是在確定性載荷下應用該技術(shù)，大大地降低了傳統結構優(yōu)化設計方法的設計盲目性，研究特定問(wèn)題歸納方法，能夠產(chǎn)生結構的新構型。核電DCS系統是核電站的神經(jīng)中樞，在核電廠(chǎng)的安全運行中起到至關(guān)重要的作用。核電DCS機柜結構設計是核電DCS系統開(kāi)發(fā)的重要環(huán)節之一，機柜結構強度、剛度和動(dòng)力學(xué)性能是確保DCS系統在地震等極端工況下可靠運行的關(guān)鍵。其對于輕量化需求日益提高，因此研究基于拓撲優(yōu)化的機柜骨架設計方法意義重大。拓撲優(yōu)化得到的結構幾何形狀往往比較復雜，常用的制造工藝難以加工或成本太高，因此研究協(xié)同不同工藝約束的結構設計方法具有明顯的工程實(shí)際意義。本文利用拓撲優(yōu)化技術(shù)對核電DCS機柜進(jìn)行求解，得到核電機柜傳力骨架的優(yōu)化模型?？紤]到工程應用，我們對截面進(jìn)行拓撲優(yōu)化，以滿(mǎn)足型材類(lèi)機柜設計的需求。隨著(zhù)新的3D打印技術(shù)、一體成形精密鑄造技術(shù)的發(fā)展，異性結構制造成為可能。因此基于空間拓撲，我們對機柜進(jìn)行優(yōu)化得到了符合傳力路徑優(yōu)化的機柜結構，并對其進(jìn)行了探索研究。

1　鋁合金的結構形態(tài)與成型方式

鋁合金一體化成型技術(shù)是通過(guò)精密鑄造、精密鍛造或3D打印技術(shù)將多個(gè)零部件整合到一起，通過(guò)一次成型的方式制造出整體結構的技術(shù)。該技術(shù)能縮小裝配帶來(lái)的誤差累積，產(chǎn)品性能和可靠性都得到了提升；材料利用率高，減少了浪費；設計自由度高，可實(shí)現復雜形狀的產(chǎn)品制造；提高了生產(chǎn)效率，降低了成本，可以在汽車(chē)、航空航天、機械制造領(lǐng)域廣泛應用。

2　結構拓撲優(yōu)化技術(shù)

結構優(yōu)化技術(shù)日益成熟并被成功地應用于產(chǎn)品設計，它以其獨特的優(yōu)勢改變了傳統的產(chǎn)品設計流程。在概念的設計階段，優(yōu)化技術(shù)可以對產(chǎn)品所需要的性能予以全面考慮，在給定的設計空間下尋找最佳的產(chǎn)品設計思路。拓撲優(yōu)化技術(shù)可以為設計人員提供全新的設計和最優(yōu)的材料分布問(wèn)題解決方案，基于概念設計的思想，作為結果的設計空間需要反饋給設計人員做適當的修改，體現出性能更優(yōu)、結構更輕的特點(diǎn)。通過(guò)拓撲優(yōu)化的結果可采用晶格設計對結構繼續減重，也可以基于截面進(jìn)行參數化尺寸優(yōu)化進(jìn)行方案設計。機柜拓撲優(yōu)化設計流程如圖1所示。

圖1 結構拓撲優(yōu)化設計流程圖

常用的結構拓撲優(yōu)化軟件有ANSYS、Altairinspire、Toptimizer、nToplogy、TOSCA等。設置優(yōu)化區域、設置約束、設置優(yōu)化目標環(huán)節是拓撲優(yōu)化成功與否的關(guān)鍵階段。常見(jiàn)的拓撲優(yōu)化目標或約束函數定義的響應包括質(zhì)量、體積、體積分數或質(zhì)量分數、重心位置、慣性矩、靜態(tài)應變能、靜態(tài)位移、固有頻率、應力等指標^[6]，可根據實(shí)際問(wèn)題選用及任意組合以滿(mǎn)足設計需求。

3　機柜結構優(yōu)化約束

3.1　機柜的強度

機柜需要具備一定的強度要求，使機柜能夠承受地震、沖擊等各種設計工況的外載荷。只有當機柜零件的工作應力小于其材料的許用應力時(shí)，才能滿(mǎn)足其強度要求。有足夠的強度，才能滿(mǎn)足產(chǎn)品的可靠性和使用壽命。

3.2　機柜的剛度

機柜需要具備一定的剛度要求，使得機柜具有一定的抗變形能力，使得機柜能夠避開(kāi)振動(dòng)的平臺區，具備一定的抗振能力。機柜在內外部載荷的作用下，不得產(chǎn)生永久性變形或疲勞破壞。提高截面的抗扭、抗彎剛度是優(yōu)化設計的要點(diǎn)。

3.3　機柜的空間要素

機柜外形尺寸的關(guān)鍵因素：

（1）空間約束：機柜在整個(gè)核電廠(chǎng)整行排布，常見(jiàn)的出線(xiàn)方式有上出線(xiàn)和下出線(xiàn)兩種類(lèi)型。為了通風(fēng)散熱要求，機柜的前后門(mén)還需要設置風(fēng)口和風(fēng)扇裝置。機柜的布局一般由整體的進(jìn)線(xiàn)量和設備構成總量確定。除此之外，機柜還需要確保周?chē)凶銐虻目臻g進(jìn)行設備安裝、維護。

（2）設備尺寸約束：安裝在柜內的設備尺寸，一般包含高度、寬度和深度，這些尺寸決定了機柜的最小尺寸。

（3）機柜尺寸標準：機柜的主要尺寸標準有IEC60297系列標準，規定了19英寸和23英寸機柜的尺寸、安裝和接地要求。機柜的深度可以根據設備的需求有所不同，最好根據實(shí)際需求和設備規格確定合適的尺寸標準，非標準機柜尺寸的機柜通常會(huì )用于特殊設備和特殊場(chǎng)景。

機柜設備的安裝形式：

（1）設備直接安裝到立柱上，這樣的結構傳力路徑比較明確，具有較小的剛度損失；這種結構的缺點(diǎn)就是設備安裝、維護缺少足夠的空間。

（2）設備組件通過(guò)連接安裝到機柜側立柱上。

4　鋁合金機柜優(yōu)化設計實(shí)例

4.1　梁柱截面拓撲的機柜骨架設計

設計方案：機柜采用四柱八梁結構設計，梁柱結構采用三通件螺栓連接和粘接，因此對梁柱截面和三通件分別進(jìn)行拓撲優(yōu)化。

截面優(yōu)化問(wèn)題描述：

（1）考慮骨架與內部結構的連接形式，設置預制凹槽，設定截面的外輪廓幾何信息。

（2）通過(guò)加載計算，約束截面的最大應力。

（3）設計截面減重目標。

對梁截面進(jìn)行拓撲優(yōu)化，生成梁截面拓撲優(yōu)化結果，并根據型材可加工性再設計，如圖2所示。

圖2 梁截面拓撲優(yōu)化示意圖

三通件拓撲優(yōu)化問(wèn)題描述：

（1）根據與梁柱的接口關(guān)系，設置拓撲優(yōu)化區域。

（2）通過(guò)加載計算，約束結構的最大應力。

（3）設計三通件減重目標。依據梁截面的內輪廓作為結構邊界約束，對三通件進(jìn)行拓撲優(yōu)化，生成三通件結構形式如圖3所示。

圖3 三通件拓撲優(yōu)化示意圖

對優(yōu)化結構裝配后進(jìn)行有限元仿真分析，應力云圖如圖4所示，應力結果達到179MPa，滿(mǎn)足使用要求。通過(guò)優(yōu)化使得結構減重40%，實(shí)現了輕量化減重目標。

圖4 機柜應力云圖

4.2　基于空間拓撲的機柜骨架設計

根據機柜的常規形式可對柜四柱結構進(jìn)行空間拓撲優(yōu)化，得到的機柜骨架形式如圖5所示。由于設計約束與傳統結構一致，并沒(méi)有改變結構的傳力路徑，下面對設計空間進(jìn)一步擴大，對結構形態(tài)進(jìn)行優(yōu)化。

圖5 四柱空間機柜拓撲優(yōu)化示意圖

機柜采用創(chuàng )新三面開(kāi)放式結構設計，結構底部固定，我們對其整體進(jìn)行加載和拓撲優(yōu)化。

基于空間拓撲的機柜骨架優(yōu)化問(wèn)題描述：

（1）根據機柜整體外部輪廓，以“門(mén)”字形空間作為優(yōu)化設計空間。

（2）進(jìn)行靜態(tài)結構、模態(tài)分析加載計算，約束米塞斯應力、機柜模態(tài)頻率、重心等參數。

（3）設計機柜減重目標。

通過(guò)上述優(yōu)化得到優(yōu)化結果如圖6所示，通過(guò)拓撲優(yōu)化的機柜結構新穎，傳力路徑清晰^[7]。如結構采用彎管焊接工藝進(jìn)行制造，可對結構的截面繼續進(jìn)行尺寸優(yōu)化；如采用一體化精密鑄造成型，可對模型進(jìn)行表面光順化處理；如采用3D打印技術(shù)可對結構進(jìn)行晶格密度再設計，進(jìn)一步對結構進(jìn)行減重。結合材料成型工藝對拓撲優(yōu)化結果進(jìn)行再設計，使結構具備優(yōu)良的可制造性。通過(guò)此優(yōu)化技術(shù)能實(shí)現更大的減重目標。

圖6 “門(mén)”空間機柜拓撲優(yōu)化示意圖

5　結論

拓撲優(yōu)化技術(shù)能啟發(fā)思維，為設計方案的制定提供了新的解決方案。采用截面拓撲的技術(shù)方案優(yōu)化得到適合型材的設計，采用三維拓撲優(yōu)化方法對三通件進(jìn)行優(yōu)化，綜合在一起形成鋁合金機柜的設計方案，通過(guò)有限元分析，計算應力結果滿(mǎn)足設計要求。對設計空間域進(jìn)行拓展，開(kāi)展拓撲優(yōu)化應用探索，得到傳力路徑豐富的骨架形式，適用于先進(jìn)的制造工藝。拓撲優(yōu)化技術(shù)在應用過(guò)程中仍有一些問(wèn)題沒(méi)有解決，伴隨著(zhù)先進(jìn)制造技術(shù)的應用，拓撲優(yōu)化技術(shù)將為產(chǎn)品的升級提供驅動(dòng)力。該技術(shù)的應用有利于提升機柜方案質(zhì)量，在同類(lèi)設計項目中有借鑒意義。

作者簡(jiǎn)介：

劉兆峰（1980-），男，河北青縣人，高級工程師，碩士，現就職于北京廣利核系統工程有限公司，主要從事核儀控系統機柜盤(pán)臺及設備抗震、抗沖擊、振動(dòng)數字化設計仿真優(yōu)化方面的研究。

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摘自《自動(dòng)化博覽》2024年8月刊