★北京廣利核系統(tǒng)工程有限公司單士起，張偉

關鍵詞：核電站；穩(wěn)定可靠；模塊化設計

核電儀控系統(tǒng)結構產(chǎn)品包含機柜、操作臺、機箱、機架等，其搭載儀控系統(tǒng)控制整個核電站安全長期運行，即使面臨儀控系統(tǒng)的重大升級改造，其結構部分也很難被完全替換。根據(jù)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《中華人民共和國核安全法》的實施，應用到核電站的設備要“絕對安全”，核電儀控系統(tǒng)使用的結構產(chǎn)品既要滿足正常工況使用，還要考慮其在惡劣環(huán)境中正常運行。穩(wěn)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(tǒng)結構產(chǎn)品經(jīng)過多年自主化探索研究取得了長足進步，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(shù)十臺核電機組項目實踐經(jīng)驗，從多角度闡述了核電儀控系統(tǒng)模塊化結構設計的方法。

1　設計過程

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。隨著各個堆型發(fā)展以及各系統(tǒng)用戶對結構產(chǎn)品個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越高。核電產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展，迫使產(chǎn)品開發(fā)周期減少，更新頻率加快，產(chǎn)品在設計過程沒有足夠的時間去反復驗證產(chǎn)品的可靠性。傳統(tǒng)現(xiàn)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是各種知識的物化過程，需要新設計就需要獲得新知識，并完成這個過程。顯然這種設計過程得到的產(chǎn)品不歷經(jīng)多次迭代，得不到穩(wěn)定可靠的產(chǎn)品。

1.2　傳統(tǒng)設計方法

面對繁雜冗余的驗證過程，設計人員在拿到新的設計需求時，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，利用自己的專業(yè)知識和多年設計經(jīng)驗完成結構設計。這類工作確實存在，且長期存在于各專業(yè)技術人員大腦中。傳統(tǒng)的設計理念強調(diào)，如果想要設計出更好的東西，就需要不斷學習新知識，學會創(chuàng)新，還需要具有創(chuàng)新思維才能不斷挑戰(zhàn)完成更復雜的設計任務。這種思想的灌輸對于團隊建設確實具有積極的影響，設計人員熱衷于學習更多知識，包括各類材料性能、焊接工藝、電鍍工藝等關鍵工藝的生產(chǎn)優(yōu)化等。然而實踐證明，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，也無法在短期內(nèi)設計出性能可靠的完全符合核電系統(tǒng)要求的結構產(chǎn)品。

在這里做個假設，設計人員面對一個項目任務，該任務要求機柜防護等級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題該如何處理？如果套用傳統(tǒng)現(xiàn)代設計理念按照規(guī)范化設計流程開展設計工作，設計過程中設計人員疲于滿足項目需求，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(jù)功能分解為若干模塊，通過模塊的不同組合，創(chuàng)造出不同品類、不同規(guī)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(xiàn)，模塊的三維模型集成產(chǎn)品設計信息，確保產(chǎn)品研發(fā)過程數(shù)據(jù)源的唯一性^[1]。

1.3.1模塊化產(chǎn)品設計的價值

（1）各項成本低；

（2）開發(fā)速度快；

（3）產(chǎn)品質(zhì)量可靠；

（4）用戶滿意度高；

（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(tǒng)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)品開發(fā)

產(chǎn)品開發(fā)可以分三個階段：

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

第二階段：使用模塊化思維對產(chǎn)品進行模塊化劃分，同時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、各類安裝附件組成；前后門是由門板、門鎖、散熱單元、各類附件構成；散熱單元是由金屬罩、風扇等組成。

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、各類門結構，小到門鎖結構、顯示器安裝結構、設備安裝結構等。該階段在產(chǎn)品開發(fā)中起到重要作用，是產(chǎn)品開發(fā)過程中最困難的階段，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)品滿足項目使用要求，即各類機柜、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(jù)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)多個機組迭代優(yōu)化后[1]即可形成滿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的產(chǎn)品，對組成產(chǎn)品的各結構模塊進行提取，形成比如機柜框架模塊、前門模塊、散熱單元、顯示器支架、軌跡球嵌入結構等各類模塊化結構。

已被認定提取的模塊化結構需進行信息管理，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誤后入模塊庫。

模塊庫規(guī)模隨著開發(fā)產(chǎn)品的不斷增加而不斷豐富，其所選用的標準件、零部件種類不斷增多，模塊庫自下而上要求設計人員相似零部件統(tǒng)一采用標準化的零件，精簡零部件種類。比如同一位置其安裝尺寸相同外形尺寸相似的A/B/C三個零件，模塊在提取入庫過程中選定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)展是一個資源整合過程，它將行業(yè)成熟的經(jīng)驗、知識通過三維模型轉為可視化的成產(chǎn)品設計規(guī)則。

（4）創(chuàng)造產(chǎn)品

模塊化設計方法中產(chǎn)品的設計過程是一個已被反復驗證過可靠的模塊化結構搭建的過程。設計過程中，產(chǎn)品在固有的穩(wěn)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(xiàn)采用模塊化設計方法推理，當組織內(nèi)部接收到設計需求時，會組織設計啟動會，會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)品設計需求梳理滿足項目要求的成熟可靠的模塊化設計方案（這個過程跳過了產(chǎn)品開發(fā)最難的第三階段），并據(jù)此制定該項目總體設計文件。總體設計文件分發(fā)到執(zhí)行人，執(zhí)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)品開發(fā)，再到設計過程評審，都保持了設計流程的連續(xù)性。

1.4　迭代優(yōu)化

核電儀控系統(tǒng)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(wěn)定。對于該類設備結構優(yōu)化從兩個維度優(yōu)化設計，即概念設計優(yōu)化技術和實物設計優(yōu)化技術。

（1）概念設計優(yōu)化技術

概念設計優(yōu)化技術有外形優(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。

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，是指在給定的設計空間之內(nèi)找到最佳的材料分布，或者傳力路徑，從而在滿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）實物設計優(yōu)化技術

實物設計優(yōu)化技術有形狀優(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)化技術通過將網(wǎng)格節(jié)點移動或者變形到某個新位置，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，一般也叫參數(shù)優(yōu)化技術，即改變模型參數(shù)值，網(wǎng)格模型保持不變，可以對有限元模型的各種參數(shù)如板件厚度、梁桿截面尺寸、材料特性，彈性元件剛度進行優(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，在工業(yè)界得到越來越多的應用，特別是在航空航天領域。

（3）優(yōu)化實例—拓撲優(yōu)化驗證經(jīng)驗設計方案

圖2 力學模型示意圖

如圖2所示，根據(jù)產(chǎn)品受力特性建立力學模型，經(jīng)過拓撲優(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。

基于上述兩個設計維度，通過設計仿真和試驗驗證，完成對產(chǎn)品的外觀、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)制造過程中，會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(tǒng)一、批量化結構反復加工的過程。

在大批量生產(chǎn)方式下，多數(shù)從業(yè)人員不再需要很高的技術水平，而只需進行簡單的培訓，即可開展工作。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。大批量類同化生產(chǎn)方式有以下特點：

（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(shù)幾種相類似的模塊化結構，工藝過程和生產(chǎn)條件穩(wěn)定，專業(yè)化程度高。

（2）多采納專用、高效設備和工藝裝備，生產(chǎn)過程機械化、自動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(shù)工人長期從事幾種簡潔和重復性的操作，對工人的技術水平要求不高。

（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）按對象組織專業(yè)化生產(chǎn)，多采取流水生產(chǎn)、自動生產(chǎn)線等生產(chǎn)組織形式，生產(chǎn)方案細致周密，生產(chǎn)過程易于掌握。

（6）因產(chǎn)品構成模塊相對穩(wěn)定，各類生產(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(wěn)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(jié)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(tǒng)設計，使儀控系統(tǒng)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(xù)發(fā)展壯大的閉環(huán)設計，促使團隊在不斷迎接挑戰(zhàn)中，穩(wěn)中求進良性蛻變。

作者簡介：

單士起（1984-），男，山東人，學士，現(xiàn)就職于北京廣利核系統(tǒng)工程有限公司，主要從事核電廠安全級儀控系統(tǒng)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《自動化博覽》2024年4月刊