文獻標識碼：B文章編號：1003-0492（2024）10-088-06中圖分類(lèi)號：TH122

★張偉（北京廣利核系統工程有限公司，北京100094）

關(guān)鍵詞：核電；OWP盤(pán)臺；參數化；結構設計；參數；關(guān)系；程序

核電站主控室是對核電站進(jìn)行監督、控制和操縱的場(chǎng)所。OWP（Operator Workplace）是核電站主控室操縱員工作站，包括核島操縱員工作站（NIOWP）、常規島操縱員工作站（CI-OWP）、安工工作站（SE-OWP）和機組長(cháng)工作站（US-OWP）四部分^[1]。為保障核電站安全、可靠、穩定運行，核電站相關(guān)物項均有抗震要求。OWP盤(pán)臺的抗震等級為抗震I類(lèi)，即要求其在承受S1（運行基準地震OBE）和S2（安全停堆地震SSE）^[2]載荷，并保證在地震發(fā)生時(shí)或（和）地震后能履行其安全功能^[3]。一旦通過(guò)抗震鑒定，除非有特殊需求OWP盤(pán)臺結構樣式不會(huì )改變。但一般不同項目需求不同，導致OWP盤(pán)臺尺寸存在差異。因此核電站OWP盤(pán)臺具有結構形式相同而尺寸各異的特點(diǎn)。

以往核電A項目OWP盤(pán)臺外形尺寸如圖1所示，核電B項目OWP盤(pán)臺外形尺寸如圖2所示?？梢?jiàn)，A項目OWP盤(pán)臺由17個(gè)盤(pán)臺組成，B項目OWP盤(pán)臺由19個(gè)盤(pán)臺組成，且二者形狀尺寸各異。如果通過(guò)手動(dòng)修改A項目OWP盤(pán)臺生成B項目OWP盤(pán)臺，涉及眾多零部件眾多特征尺寸（1套OWP盤(pán)臺有大約包括2800余個(gè)零部件）的修改，不僅工作繁重而且還有漏改、錯改的風(fēng)險，設計周期很長(cháng)且設計質(zhì)量不穩定。不同人員修改還涉及設計風(fēng)格各異的問(wèn)題。

基于三維設計軟件的參數化設計功能，將核電站主控室OWP盤(pán)臺結構參數化設計，形成參數化三維模型，可縮短針對不同項目需求設計尺寸各異的OWP盤(pán)臺的設計周期、提高設計質(zhì)量，同時(shí)可保持設計風(fēng)格一致。

圖1 A項目OWP盤(pán)臺外形尺寸

圖2 B項目OWP盤(pán)臺外形尺寸

1　參數化設計

參數化設計是一種基于參數化模型和可調整參數的設計方法，通過(guò)調整參數值來(lái)實(shí)現對設計方案的靈活調整和快速修改。在參數化設計過(guò)程中，設計對象的形狀、尺寸、屬性等可通過(guò)參數進(jìn)行控制。參數化設計的核心是以參數為基礎進(jìn)行設計，通過(guò)調整參數來(lái)滿(mǎn)足不同需求。

圖2所示OWP盤(pán)臺為屏風(fēng)式OWP盤(pán)臺。核電站主控室屏風(fēng)式OWP盤(pán)臺是繼嵌入式OWP盤(pán)臺和支架式OWP盤(pán)臺之后一種新型的滿(mǎn)足核電站使用要求的OWP盤(pán)臺。屏風(fēng)式OWP盤(pán)臺作為中廣核集團華龍一號堆型的標準OWP盤(pán)臺，在后續華龍一號核電站項目中有廣泛的應用前景^[4]。因此，對屏風(fēng)式OWP盤(pán)臺進(jìn)行結構參數化設計更有意義。

1.1　參數確定

參數是參數化設計的一個(gè)關(guān)鍵元素，參數化設計的第一步就是確定驅動(dòng)參數。

如圖3所示，單獨一個(gè)盤(pán)臺的桌面深度尺寸S、柜體深度尺寸S2和桌面高度尺寸H根據需求的不同會(huì )發(fā)生變化。同時(shí)，如圖4所示，單獨一個(gè)盤(pán)臺的寬度尺寸W、角度J1和J2也會(huì )根據需求的不同而發(fā)生變化。因此對單個(gè)盤(pán)臺而言，需要將其桌面深度尺寸S、柜體深度尺寸S2、桌面高度尺寸H、寬度尺寸W、角度J1和J2設置為驅動(dòng)參數。

如圖2所示，OWP盤(pán)臺并非單獨一個(gè)盤(pán)臺，而是由19個(gè)獨立盤(pán)臺組成的一套盤(pán)臺，且各個(gè)獨立盤(pán)臺桌面深度尺寸S、柜體深度尺寸S2、桌面高度尺寸H相同，而寬度尺寸W和角度J1、J2等不同。通過(guò)分析可知，一套OWP盤(pán)臺主要包括NI-1、NI-2、NI-3、CI-4、US-2五種結構類(lèi)型，因此一套OWP盤(pán)臺需主要創(chuàng )建5個(gè)關(guān)鍵參數化模型，具體如表1所示。其他14個(gè)獨立盤(pán)臺參數化模型可由該5個(gè)關(guān)鍵參數化模型保存副本和修改驅動(dòng)參數產(chǎn)生。整套OWP盤(pán)臺驅動(dòng)參數如表2所示。

圖3 單個(gè)盤(pán)臺截面圖

圖4 單個(gè)盤(pán)臺俯視圖

表1 關(guān)鍵參數化模型

表2 整體OWP盤(pán)臺驅動(dòng)參數

1.2　參數化建模方法

參數化模型創(chuàng )建過(guò)程中掌握一些建模方法，可簡(jiǎn)化關(guān)系、減少關(guān)系數量，從而降低出錯概率提高設計效率。

（1）對稱(chēng)特征創(chuàng )建

針對零件的對稱(chēng)特征（關(guān)于零件對稱(chēng)中心對稱(chēng)）宜采用“鏡像”方法創(chuàng )建。這樣僅對原始特征創(chuàng )建關(guān)系即可，避免了針對鏡像特征創(chuàng )建關(guān)系，可有效減少關(guān)系數量。

（2）參照選擇

創(chuàng )建特征時(shí)是以零件的對稱(chēng)中心為尺寸參照，還是以零件的邊緣為尺寸參照，還是以其他特征為尺寸參照，應根據特征的具體使用情況確定。選擇合適的尺寸參照可以減少甚至避免關(guān)系的創(chuàng )建。如圖5所示，如果無(wú)論零件的W和H如何變化，四個(gè)小圓孔到相鄰兩邊的距離均為a不變，則小孔建模時(shí)應以小孔相鄰兩邊為尺寸參照。這樣選取參照則無(wú)需針對四個(gè)小孔的位置創(chuàng )建關(guān)系。如果如圖6所示選取零件對稱(chēng)中心為尺寸參照標注尺寸a1和a2，為保證四個(gè)小孔到相鄰兩邊的距離為a不變，必須創(chuàng )建W和a1、H和a2的關(guān)系。同理，如果零件中間方孔為設備安裝孔，無(wú)論W和H如何變化其關(guān)于零件對稱(chēng)中心的距離b都保持不變，則方孔建模時(shí)應以零件對稱(chēng)中心為尺寸參照。這樣也無(wú)需針對該方孔的位置創(chuàng )建關(guān)系。如果如圖6所示選取零件一邊為尺寸參照標注尺寸b1，為保證方孔距離零件對稱(chēng)中心的距離為b不變，必須創(chuàng )建H和b1的關(guān)系。如果一個(gè)特征與其他特征有固定位置關(guān)系，則該特征創(chuàng )建時(shí)應以其他特征為尺寸參考。

裝配零部件時(shí)應選擇具有裝配關(guān)系的、相對固定的特征為參照。比如：一個(gè)零件與另一個(gè)零件有螺釘裝配關(guān)系，二者組裝時(shí)應該選用兩個(gè)相對固定的螺釘安裝孔為裝配位置參照（比如螺釘孔為陣列孔，應選擇原始孔和距離原始孔最近的一個(gè)孔為裝配位置參照），避免參數變化時(shí)由于特征丟失導致裝配失敗。

圖5 參照選取示意1

圖6 參照選取示意2

（3）陣列使用

無(wú)論特征創(chuàng )建還是零部件組裝，合理的使用陣列功能可有效提高設計效率。參數化設計過(guò)程中充分使用“參照型陣列”可省略很多關(guān)系的創(chuàng )建。使用“參照型陣列”進(jìn)行特征陣列或裝配陣列時(shí)，應選取原始特征作為陣列參照。

1.3　參數關(guān)系創(chuàng )建

關(guān)系也稱(chēng)為參數關(guān)系，是用戶(hù)定義的尺寸（或其他參數）之間關(guān)系的數學(xué)表達式。關(guān)系能捕捉特征之間、參數之間或裝配元件之間的設計聯(lián)系，是捕捉設計意圖的一種方式^[5]。關(guān)系是參數化設計的另一關(guān)鍵元素，主要用于控制模型尺寸的變化。

關(guān)系可以是簡(jiǎn)單值或復雜的條件分支語(yǔ)句^[6]。關(guān)系表達式往往不止一種，應該選擇條理清晰、邏輯簡(jiǎn)單的為宜。關(guān)系不宜寫(xiě)成最終的簡(jiǎn)化形式：雖然原始關(guān)系表達式數據較多、編寫(xiě)復雜，但邏輯清晰；簡(jiǎn)化形式的關(guān)系表達式雖然編寫(xiě)簡(jiǎn)單，但不易追溯。

在組件中，具有裝配關(guān)系的零部件相關(guān)關(guān)系宜保持一致，盡量減少關(guān)系傳遞次數。例如：如圖7所示，零件A和零件B有裝配關(guān)系。零件B方孔需要與零件A方孔大小相同，裝配時(shí)各邊對齊。零件A方孔關(guān)系表達式為D1=W-c-e、D2=H-a-b（其中W和H為驅動(dòng)參數），則零件B方孔的表達式宜為D3=W-c-e、D4=H-a-b，而不宜為D3=D1-f-g、D4=D2-m-n。

圖7 有裝配關(guān)系零件示意

1.4　程序修改

程序用來(lái)記錄特征的整個(gè)創(chuàng )建過(guò)程，包括特征類(lèi)型、參數、關(guān)系等創(chuàng )建特征所需要的所有信息^[6]。程序是參數化設計中的又一關(guān)鍵元素，通過(guò)修改模型程序可以控制相關(guān)特征的有無(wú)和相關(guān)零部件的裝配與否。

模型程序的修改主要是在原程序的基礎上通過(guò)添加必要的函數語(yǔ)句實(shí)現。

1.5　函數語(yǔ)句應用

在核電站主控室OWP盤(pán)臺參數化設計過(guò)程中，創(chuàng )建關(guān)系和修改程序常用的函數有正弦函數SIN（）、反正弦函數ASIN（）、正切函數TAN（）、反正切函數ATAN（）和向下取整函數FLOOR（）；常用的語(yǔ)句有IF語(yǔ)句和ELSE語(yǔ)句。

（1）向下取整函數FLOOR

向下取整函數FLOOR主要在特征尺寸為非整除的情況時(shí)使用。如圖8所示，寬度為W的零件有四個(gè)等間距圓孔，則四個(gè)孔的間距關(guān)系為D1=FLOOR（（W-a-b）/3）。如果a=b=50，當W=2100時(shí)，則D1=FLOOR（（2100-50-50）/3）=FLOOR（2000/3）=666；當W=2200時(shí)，則D1=FLOOR（（2200-50-50）/3）=FLOOR（2100/3）=700。

圖8 FLOOR函數應用示意

（2）IF語(yǔ)句

IF語(yǔ)句為條件語(yǔ)句，其結構形式為：

IF 條件

若干關(guān)系的序列或IF語(yǔ)句

ENDIF^[5]

（3）ELSE語(yǔ)句

ELSE語(yǔ)句為條件語(yǔ)句，常與IF語(yǔ)句配合使用，其 結構形式為：

IF 條件

若干關(guān)系的序列或IF語(yǔ)句

ELSE

若干關(guān)系的序列或IF語(yǔ)句

ENDIF^[5]

1.6　結論

參數化設計的核心是建立參數化模型，而建立參數化模型的關(guān)鍵是確定驅動(dòng)參數，然后通過(guò)合理的函數語(yǔ)句創(chuàng )建必要的關(guān)系和修改必要的程序，最終通過(guò)改變參數值來(lái)改變相關(guān)設計。掌握一些建模技巧可有效提高參數化設計效率，建立參數化模型的原則是盡量避免創(chuàng )建關(guān)系、盡量減少關(guān)系。

2　參數化設計實(shí)例

如圖2所示，以US-5盤(pán)臺為例列舉部分零部件的參數化設計方法。由表2可知，該盤(pán)臺的驅動(dòng)參數為S、S2、H、W13、J131、J132。

2.1　盤(pán)臺特點(diǎn)說(shuō)明

屏風(fēng)式OWP盤(pán)臺為抗震I類(lèi)盤(pán)臺，其主體結構形式為“框架+外殼”?？蚣苡傻鬃?、側框架和橫梁焊接成型；外殼由鈑金制作，焊接到框架表面。由于涉及工藝要求和維護要求，盤(pán)臺桌面前面下部（操作人員的膝蓋上方）設計有維護窗口和對應的維護蓋板。

2.2　底座零件設計

如圖9所示，US-5盤(pán)臺底座主要由四根角鋼焊接成型，分別為后橫梁、前橫梁、左側梁和右側梁。底座外面焊接外殼，整體寬度尺寸為970mm，柜體深度尺寸為700mm。圖9中，尺寸970對應驅動(dòng)參數W13，尺寸700對應驅動(dòng)參數S2，尺寸76.5°對應驅動(dòng)參數J131，尺寸79.5°對應驅動(dòng)參數J132。角鋼截面尺寸為100mm×100mm×10mm，外殼鈑金厚度為3mm。

圖9 盤(pán)臺底座示意

（1）后橫梁參數化設計

后橫梁參數化尺寸如圖10所示，其D0、D1、D2三個(gè)變化尺寸參數化設計如下：

D0=W13-3/SIN(J131)-3/TAN(J131)-3/SIN(J132)-3/TAN(J132)

D1=J131

D2=J132

圖10 后橫梁尺寸示意

（2）前橫梁參數化設計

前橫梁參數化尺寸與后橫梁相同，如圖10所示，其D0、D1、D2三個(gè)變化尺寸參數化設計如下：

D0=W13-3/SIN(J131)-(S2-100-3)/TAN(J131)-3/SIN(J132)-(S2-100-3)/TAN(J132)

D1=J131

D2=J132

2.3　維護蓋板設計

維護蓋板的結構樣式如圖11所示，其在盤(pán)臺的安裝位置如圖12所示（結合圖3）。維護蓋板通過(guò)螺釘安裝到盤(pán)臺，根據盤(pán)臺寬度尺寸的變化，安裝螺釘的數量會(huì )發(fā)生改變（當螺釘間距超過(guò)250mm時(shí)則需要增加一個(gè)螺釘）。維護蓋板的尺寸D1、D2、D3、P4（陣列數量）、D6、P7（陣列數量）、D8、D9均為變化尺寸。需要注意的是其中D8不等于J131，D9不等于J132。如圖13所示，由于存在兩個(gè)傾斜角度∠B≠∠A，∠B即相當于D8或D9，∠A相當于J131或J132。維護蓋板外形尺寸部分的參數化設計如下：

D1=W13-(S-3-52*SIN(ATAN((S-S2)/(100-40))))/TAN(J131)-(S-3-52*SIN(ATAN((S-S2)/(100-40))))/TAN(J132)

D2=(S-S2)/SIN(ATAN((S-S2)/(100-40)))-2*52

D8=ATAN((S-S2)/SIN(ATAN((S-S2)/(100-40)))/((S-S2)/TAN(J131)))

D9=ATAN((S-S2)/SIN(ATAN((S-S2)/(100-40)))/((S-S2)/TAN(J132)))

圖11 維護蓋板示意

圖12 維護蓋板安裝位置

圖13 角度示意

3　結束語(yǔ)

核電站主控室OWP盤(pán)臺結構參數化設計方法并不單一，但基本原則是盡量避免和減少關(guān)系的創(chuàng )建，從而降低出錯率，提高運算速度。同時(shí)，核電站主控室OWP盤(pán)臺結構參數化設計并不能解決100%的問(wèn)題，有些細節需要單獨創(chuàng )建、修改或刪除，有些以族表形式存在的零部件需要根據最終生成的結構尺寸進(jìn)行替換。

核電站主控室OWP盤(pán)臺結構參數化設計過(guò)程中，需要對相關(guān)零部件創(chuàng )建必要關(guān)系來(lái)驅動(dòng)尺寸變化，有些零部件還需要修改程序來(lái)控制特征的有無(wú)與裝配與否。相對于一個(gè)盤(pán)臺而言，一組盤(pán)臺參數化設計需要花費更多時(shí)間和精力，但對于結構形式相同尺寸各異的結構產(chǎn)品而言，參數化設計具有一勞永逸的效果。核電站主控室OWP盤(pán)臺結構參數化設計可有效縮短設計周期，提高設計質(zhì)量，保證結構產(chǎn)品設計風(fēng)格一致。同時(shí)，核電站主控室OWP盤(pán)臺結構參數化設計也為其他產(chǎn)品的結構參數化設計提供了一種技術(shù)參考。

作者簡(jiǎn)介：

張　偉（1979-），男，北京人，高級工程師，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)非安全級儀控系統產(chǎn)品結構設計方面的工作。

參考文獻：

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[4] 張偉.基于顯示器安裝技術(shù)的核電站抗震屏風(fēng)式OWP盤(pán)臺的設計[J].自動(dòng)化博覽,2024,41(371):58-63.

[5]詹友剛.Pro/ENGINEER中文野火版5.0高級應用教程[M].北京:機械工業(yè)出版社,2010.

[6]二代龍震工作室.Pro/ENGINEERWildfire5.0高級設計[M].北京:清華大學(xué)出版社,2010.

摘自《自動(dòng)化博覽》2024年10月刊