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

關鍵詞：鋁合金機柜；優化設計；拓撲優化；截面優化；輕量化

輕量化需求在航空航天、船舶、汽車等領域日益提高，核電機柜輕量化需求日益嚴苛，采用常規的減薄材料厚度、降低機柜抗震包絡性等途徑，很難實現項目重量指標。拓撲優化技術在汽車、機床、電子機械等領域的輕量化方面得到了廣泛的應用，與形狀優化和尺寸優化相比，拓撲優化具有更大的優化效益，成為優化領域的研究熱點^[1-5]。特別是在確定性載荷下應用該技術，大大地降低了傳統結構優化設計方法的設計盲目性，研究特定問題歸納方法，能夠產生結構的新構型。核電DCS系統是核電站的神經中樞，在核電廠的安全運行中起到至關重要的作用。核電DCS機柜結構設計是核電DCS系統開發的重要環節之一，機柜結構強度、剛度和動力學性能是確保DCS系統在地震等極端工況下可靠運行的關鍵。其對于輕量化需求日益提高，因此研究基于拓撲優化的機柜骨架設計方法意義重大。拓撲優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，因此研究協同不同工藝約束的結構設計方法具有明顯的工程實際意義。本文利用拓撲優化技術對核電DCS機柜進行求解，得到核電機柜傳力骨架的優化模型。考慮到工程應用，我們對截面進行拓撲優化，以滿足型材類機柜設計的需求。隨著新的3D打印技術、一體成形精密鑄造技術的發展，異性結構制造成為可能。因此基于空間拓撲，我們對機柜進行優化得到了符合傳力路徑優化的機柜結構，并對其進行了探索研究。

1　鋁合金的結構形態與成型方式

鋁合金一體化成型技術是通過精密鑄造、精密鍛造或3D打印技術將多個零部件整合到一起，通過一次成型的方式制造出整體結構的技術。該技術能縮小裝配帶來的誤差累積，產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，可實現復雜形狀的產品制造；提高了生產效率，降低了成本，可以在汽車、航空航天、機械制造領域廣泛應用。

2　結構拓撲優化技術

結構優化技術日益成熟并被成功地應用于產品設計，它以其獨特的優勢改變了傳統的產品設計流程。在概念的設計階段，優化技術可以對產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品設計思路。拓撲優化技術可以為設計人員提供全新的設計和最優的材料分布問題解決方案，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、結構更輕的特點。通過拓撲優化的結果可采用晶格設計對結構繼續減重，也可以基于截面進行參數化尺寸優化進行方案設計。機柜拓撲優化設計流程如圖1所示。

圖1 結構拓撲優化設計流程圖

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

3　機柜結構優化約束

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，才能滿足其強度要求。有足夠的強度，才能滿足產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，使得機柜能夠避開振動的平臺區，具備一定的抗振能力。機柜在內外部載荷的作用下，不得產生永久性變形或疲勞破壞。提高截面的抗扭、抗彎剛度是優化設計的要點。

3.3　機柜的空間要素

機柜外形尺寸的關鍵因素：

（1）空間約束：機柜在整個核電廠整行排布，常見的出線方式有上出線和下出線兩種類型。為了通風散熱要求，機柜的前后門還需要設置風口和風扇裝置。機柜的布局一般由整體的進線量和設備構成總量確定。除此之外，機柜還需要確保周圍有足夠的空間進行設備安裝、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用于特殊設備和特殊場景。

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；這種結構的缺點就是設備安裝、維護缺少足夠的空間。

（2）設備組件通過連接安裝到機柜側立柱上。

4　鋁合金機柜優化設計實例

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行拓撲優化。

截面優化問題描述：

（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。

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

圖2 梁截面拓撲優化示意圖

三通件拓撲優化問題描述：

（1）根據與梁柱的接口關系，設置拓撲優化區域。

（2）通過加載計算，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，對三通件進行拓撲優化，生成三通件結構形式如圖3所示。

圖3 三通件拓撲優化示意圖

對優化結構裝配后進行有限元仿真分析，應力云圖如圖4所示，應力結果達到179MPa，滿足使用要求。通過優化使得結構減重40%，實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行空間拓撲優化，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，并沒有改變結構的傳力路徑，下面對設計空間進一步擴大，對結構形態進行優化。

圖5 四柱空間機柜拓撲優化示意圖

機柜采用創新三面開放式結構設計，結構底部固定，我們對其整體進行加載和拓撲優化。

基于空間拓撲的機柜骨架優化問題描述：

（1）根據機柜整體外部輪廓，以“門”字形空間作為優化設計空間。

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

（3）設計機柜減重目標。

通過上述優化得到優化結果如圖6所示，通過拓撲優化的機柜結構新穎，傳力路徑清晰^[7]。如結構采用彎管焊接工藝進行制造，可對結構的截面繼續進行尺寸優化；如采用一體化精密鑄造成型，可對模型進行表面光順化處理；如采用3D打印技術可對結構進行晶格密度再設計，進一步對結構進行減重。結合材料成型工藝對拓撲優化結果進行再設計，使結構具備優良的可制造性。通過此優化技術能實現更大的減重目標。

圖6 “門”空間機柜拓撲優化示意圖

5　結論

拓撲優化技術能啟發思維，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方案優化得到適合型材的設計，采用三維拓撲優化方法對三通件進行優化，綜合在一起形成鋁合金機柜的設計方案，通過有限元分析，計算應力結果滿足設計要求。對設計空間域進行拓展，開展拓撲優化應用探索，得到傳力路徑豐富的骨架形式，適用于先進的制造工藝。拓撲優化技術在應用過程中仍有一些問題沒有解決，伴隨著先進制造技術的應用，拓撲優化技術將為產品的升級提供驅動力。該技術的應用有利于提升機柜方案質量，在同類設計項目中有借鑒意義。

作者簡介：

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臺及設備抗震、抗沖擊、振動數字化設計仿真優化方面的研究。

參考文獻：

[1] 劉書田, 馮超恒. 基于現有軟件的參數化結構拓撲優化實現技術與程序系統[C]. 第二屆中國CAE工程分析技術年會論文集, 2006 : 354 - 359.

[2] 馬媛媛, 康黎云. 基于拓撲優化的發動機支架設計[C]. 結構及多學科優化工程應用與理論研討會論文集, 2009 : 180 - 183.

[3] 王偉偉, 葉紅玲, 隋允康. 考慮靜動特性及穩定性的連續體拓撲優化方法[C]. 北京力學會第24屆學術年會, 2018 : 766 - 767.

[4] 張婧, 姜峰. 基于拓撲優化的板束焊接生產線創意設計研究[C]. 2017Altair技術大會論文集, 2017 : 379 - 386.

[5] 王超, 徐斌, 段尊義, 等. 面向增材制造的應力最小化連通性拓撲優化[J]. 力學學報, 2021, 53 (4) : 1070 - 1079.

[6] 張勝蘭, 等. 基于HyperWorks的結構優化設計技術[M]. 北京: 機械工業出版社, 2007.

[7] 劉兆峰, 史英斌, 劉永亮, 等. 輕量化新材料在核電DCS機柜應用若干問題研究[J]. 自動化博覽, 2023, 40 (4) : 42 - 46.

摘自《自動化博覽》2024年8月刊