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文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B文章編號：1003-0492（2024）10-088-06中圖分類號：TH122

★張偉（北京廣利核系統(tǒng)工程有限公司，北京100094）

關(guān)鍵詞：核電；OWP盤臺；參數(shù)化；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；參數(shù)；關(guān)系；程序

核電站主控室是對核電站進(jìn)行監(jiān)督、控制和操縱的場所。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(guī)島操縱員工作站（CI-OWP）、安工工作站（SE-OWP）和機(jī)組長工作站（US-OWP）四部分^[1]。為保障核電站安全、可靠、穩(wěn)定運(yùn)行，核電站相關(guān)物項(xiàng)均有抗震要求。OWP盤臺的抗震等級為抗震I類，即要求其在承受S1（運(yùn)行基準(zhǔn)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]。一旦通過抗震鑒定，除非有特殊需求OWP盤臺結(jié)構(gòu)樣式不會改變。但一般不同項(xiàng)目需求不同，導(dǎo)致OWP盤臺尺寸存在差異。因此核電站OWP盤臺具有結(jié)構(gòu)形式相同而尺寸各異的特點(diǎn)。

以往核電A項(xiàng)目OWP盤臺外形尺寸如圖1所示，核電B項(xiàng)目OWP盤臺外形尺寸如圖2所示?？梢?，A項(xiàng)目OWP盤臺由17個(gè)盤臺組成，B項(xiàng)目OWP盤臺由19個(gè)盤臺組成，且二者形狀尺寸各異。如果通過手動修改A項(xiàng)目OWP盤臺生成B項(xiàng)目OWP盤臺，涉及眾多零部件眾多特征尺寸（1套OWP盤臺有大約包括2800余個(gè)零部件）的修改，不僅工作繁重而且還有漏改、錯(cuò)改的風(fēng)險(xiǎn)，設(shè)計(jì)周期很長且設(shè)計(jì)質(zhì)量不穩(wěn)定。不同人員修改還涉及設(shè)計(jì)風(fēng)格各異的問題。

基于三維設(shè)計(jì)軟件的參數(shù)化設(shè)計(jì)功能，將核電站主控室OWP盤臺結(jié)構(gòu)參數(shù)化設(shè)計(jì)，形成參數(shù)化三維模型，可縮短針對不同項(xiàng)目需求設(shè)計(jì)尺寸各異的OWP盤臺的設(shè)計(jì)周期、提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，同時(shí)可保持設(shè)計(jì)風(fēng)格一致。

圖1 A項(xiàng)目OWP盤臺外形尺寸

圖2 B項(xiàng)目OWP盤臺外形尺寸

1　參數(shù)化設(shè)計(jì)

參數(shù)化設(shè)計(jì)是一種基于參數(shù)化模型和可調(diào)整參數(shù)的設(shè)計(jì)方法，通過調(diào)整參數(shù)值來實(shí)現(xiàn)對設(shè)計(jì)方案的靈活調(diào)整和快速修改。在參數(shù)化設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)對象的形狀、尺寸、屬性等可通過參數(shù)進(jìn)行控制。參數(shù)化設(shè)計(jì)的核心是以參數(shù)為基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過調(diào)整參數(shù)來滿足不同需求。

圖2所示OWP盤臺為屏風(fēng)式OWP盤臺。核電站主控室屏風(fēng)式OWP盤臺是繼嵌入式OWP盤臺和支架式OWP盤臺之后一種新型的滿足核電站使用要求的OWP盤臺。屏風(fēng)式OWP盤臺作為中廣核集團(tuán)華龍一號堆型的標(biāo)準(zhǔn)OWP盤臺，在后續(xù)華龍一號核電站項(xiàng)目中有廣泛的應(yīng)用前景^[4]。因此，對屏風(fēng)式OWP盤臺進(jìn)行結(jié)構(gòu)參數(shù)化設(shè)計(jì)更有意義。

1.1　參數(shù)確定

參數(shù)是參數(shù)化設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵元素，參數(shù)化設(shè)計(jì)的第一步就是確定驅(qū)動參數(shù)。

如圖3所示，單獨(dú)一個(gè)盤臺的桌面深度尺寸S、柜體深度尺寸S2和桌面高度尺寸H根據(jù)需求的不同會發(fā)生變化。同時(shí)，如圖4所示，單獨(dú)一個(gè)盤臺的寬度尺寸W、角度J1和J2也會根據(jù)需求的不同而發(fā)生變化。因此對單個(gè)盤臺而言，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(shè)置為驅(qū)動參數(shù)。

如圖2所示，OWP盤臺并非單獨(dú)一個(gè)盤臺，而是由19個(gè)獨(dú)立盤臺組成的一套盤臺，且各個(gè)獨(dú)立盤臺桌面深度尺寸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。通過分析可知，一套OWP盤臺主要包括NI-1、NI-2、NI-3、CI-4、US-2五種結(jié)構(gòu)類型，因此一套OWP盤臺需主要創(chuàng)建5個(gè)關(guān)鍵參數(shù)化模型，具體如表1所示。其他14個(gè)獨(dú)立盤臺參數(shù)化模型可由該5個(gè)關(guān)鍵參數(shù)化模型保存副本和修改驅(qū)動參數(shù)產(chǎn)生。整套OWP盤臺驅(qū)動參數(shù)如表2所示。

圖3 單個(gè)盤臺截面圖

圖4 單個(gè)盤臺俯視圖

表1 關(guān)鍵參數(shù)化模型

表2 整體OWP盤臺驅(qū)動參數(shù)

1.2　參數(shù)化建模方法

參數(shù)化模型創(chuàng)建過程中掌握一些建模方法，可簡化關(guān)系、減少關(guān)系數(shù)量，從而降低出錯(cuò)概率提高設(shè)計(jì)效率。

（1）對稱特征創(chuàng)建

針對零件的對稱特征（關(guān)于零件對稱中心對稱）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(shù)量。

（2）參照選擇

創(chuàng)建特征時(shí)是以零件的對稱中心為尺寸參照，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(yīng)根據(jù)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(yīng)以小孔相鄰兩邊為尺寸參照。這樣選取參照則無需針對四個(gè)小孔的位置創(chuàng)建關(guān)系。如果如圖6所示選取零件對稱中心為尺寸參照標(biāo)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(shè)備安裝孔，無論W和H如何變化其關(guān)于零件對稱中心的距離b都保持不變，則方孔建模時(shí)應(yīng)以零件對稱中心為尺寸參照。這樣也無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(biāo)注尺寸b1，為保證方孔距離零件對稱中心的距離為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(yīng)以其他特征為尺寸參考。

裝配零部件時(shí)應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(shù)變化時(shí)由于特征丟失導(dǎo)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(shè)計(jì)效率。參數(shù)化設(shè)計(jì)過程中充分使用“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(yīng)選取原始特征作為陣列參照。

1.3　參數(shù)關(guān)系創(chuàng)建

關(guān)系也稱為參數(shù)關(guān)系，是用戶定義的尺寸（或其他參數(shù)）之間關(guān)系的數(shù)學(xué)表達(dá)式。關(guān)系能捕捉特征之間、參數(shù)之間或裝配元件之間的設(shè)計(jì)聯(lián)系，是捕捉設(shè)計(jì)意圖的一種方式^[5]。關(guān)系是參數(shù)化設(shè)計(jì)的另一關(guān)鍵元素，主要用于控制模型尺寸的變化。

關(guān)系可以是簡單值或復(fù)雜的條件分支語句^[6]。關(guān)系表達(dá)式往往不止一種，應(yīng)該選擇條理清晰、邏輯簡單的為宜。關(guān)系不宜寫成最終的簡化形式：雖然原始關(guān)系表達(dá)式數(shù)據(jù)較多、編寫復(fù)雜，但邏輯清晰；簡化形式的關(guān)系表達(dá)式雖然編寫簡單，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(shù)。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(dá)式為D1=W-c-e、D2=H-a-b（其中W和H為驅(qū)動參數(shù)），則零件B方孔的表達(dá)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

程序用來記錄特征的整個(gè)創(chuàng)建過程，包括特征類型、參數(shù)、關(guān)系等創(chuàng)建特征所需要的所有信息^[6]。程序是參數(shù)化設(shè)計(jì)中的又一關(guān)鍵元素，通過修改模型程序可以控制相關(guān)特征的有無和相關(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(chǔ)上通過添加必要的函數(shù)語句實(shí)現(xiàn)。

1.5　函數(shù)語句應(yīng)用

在核電站主控室OWP盤臺參數(shù)化設(shè)計(jì)過程中，創(chuàng)建關(guān)系和修改程序常用的函數(shù)有正弦函數(shù)SIN（）、反正弦函數(shù)ASIN（）、正切函數(shù)TAN（）、反正切函數(shù)ATAN（）和向下取整函數(shù)FLOOR（）；常用的語句有IF語句和ELSE語句。

（1）向下取整函數(shù)FLOOR

向下取整函數(shù)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(dāng)W=2100時(shí)，則D1=FLOOR（（2100-50-50）/3）=FLOOR（2000/3）=666；當(dāng)W=2200時(shí)，則D1=FLOOR（（2200-50-50）/3）=FLOOR（2100/3）=700。

圖8 FLOOR函數(shù)應(yīng)用示意

（2）IF語句

IF語句為條件語句，其結(jié)構(gòu)形式為：

IF 條件

若干關(guān)系的序列或IF語句

ENDIF^[5]

（3）ELSE語句

ELSE語句為條件語句，常與IF語句配合使用，其 結(jié)構(gòu)形式為：

IF 條件

若干關(guān)系的序列或IF語句

ELSE

若干關(guān)系的序列或IF語句

ENDIF^[5]

1.6　結(jié)論

參數(shù)化設(shè)計(jì)的核心是建立參數(shù)化模型，而建立參數(shù)化模型的關(guān)鍵是確定驅(qū)動參數(shù)，然后通過合理的函數(shù)語句創(chuàng)建必要的關(guān)系和修改必要的程序，最終通過改變參數(shù)值來改變相關(guān)設(shè)計(jì)。掌握一些建模技巧可有效提高參數(shù)化設(shè)計(jì)效率，建立參數(shù)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(shù)化設(shè)計(jì)實(shí)例

如圖2所示，以US-5盤臺為例列舉部分零部件的參數(shù)化設(shè)計(jì)方法。由表2可知，該盤臺的驅(qū)動參數(shù)為S、S2、H、W13、J131、J132。

2.1　盤臺特點(diǎn)說明

屏風(fēng)式OWP盤臺為抗震I類盤臺，其主體結(jié)構(gòu)形式為“框架+外殼”?？蚣苡傻鬃?、側(cè)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(hù)要求，盤臺桌面前面下部（操作人員的膝蓋上方）設(shè)計(jì)有維護(hù)窗口和對應(yīng)的維護(hù)蓋板。

2.2　底座零件設(shè)計(jì)

如圖9所示，US-5盤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(cè)梁和右側(cè)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(yīng)驅(qū)動參數(shù)W13，尺寸700對應(yīng)驅(qū)動參數(shù)S2，尺寸76.5°對應(yīng)驅(qū)動參數(shù)J131，尺寸79.5°對應(yīng)驅(qū)動參數(shù)J132。角鋼截面尺寸為100mm×100mm×10mm，外殼鈑金厚度為3mm。

圖9 盤臺底座示意

（1）后橫梁參數(shù)化設(shè)計(jì)

后橫梁參數(shù)化尺寸如圖10所示，其D0、D1、D2三個(gè)變化尺寸參數(shù)化設(shè)計(jì)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(shù)化設(shè)計(jì)

前橫梁參數(shù)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(shù)化設(shè)計(jì)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(hù)蓋板設(shè)計(jì)

維護(hù)蓋板的結(jié)構(gòu)樣式如圖11所示，其在盤臺的安裝位置如圖12所示（結(jié)合圖3）。維護(hù)蓋板通過螺釘安裝到盤臺，根據(jù)盤臺寬度尺寸的變化，安裝螺釘?shù)臄?shù)量會發(fā)生改變（當(dāng)螺釘間距超過250mm時(shí)則需要增加一個(gè)螺釘）。維護(hù)蓋板的尺寸D1、D2、D3、P4（陣列數(shù)量）、D6、P7（陣列數(shù)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(dāng)于D8或D9，∠A相當(dāng)于J131或J132。維護(hù)蓋板外形尺寸部分的參數(shù)化設(shè)計(jì)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(hù)蓋板示意

圖12 維護(hù)蓋板安裝位置

圖13 角度示意

3　結(jié)束語

核電站主控室OWP盤臺結(jié)構(gòu)參數(shù)化設(shè)計(jì)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(cuò)率，提高運(yùn)算速度。同時(shí)，核電站主控室OWP盤臺結(jié)構(gòu)參數(shù)化設(shè)計(jì)并不能解決100%的問題，有些細(xì)節(jié)需要單獨(dú)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(jù)最終生成的結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行替換。

核電站主控室OWP盤臺結(jié)構(gòu)參數(shù)化設(shè)計(jì)過程中，需要對相關(guān)零部件創(chuàng)建必要關(guān)系來驅(qū)動尺寸變化，有些零部件還需要修改程序來控制特征的有無與裝配與否。相對于一個(gè)盤臺而言，一組盤臺參數(shù)化設(shè)計(jì)需要花費(fèi)更多時(shí)間和精力，但對于結(jié)構(gòu)形式相同尺寸各異的結(jié)構(gòu)產(chǎn)品而言，參數(shù)化設(shè)計(jì)具有一勞永逸的效果。核電站主控室OWP盤臺結(jié)構(gòu)參數(shù)化設(shè)計(jì)可有效縮短設(shè)計(jì)周期，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，保證結(jié)構(gòu)產(chǎn)品設(shè)計(jì)風(fēng)格一致。同時(shí)，核電站主控室OWP盤臺結(jié)構(gòu)參數(shù)化設(shè)計(jì)也為其他產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)參數(shù)化設(shè)計(jì)提供了一種技術(shù)參考。

作者簡介：

張　偉（1979-），男，北京人，高級工程師，學(xué)士，現(xiàn)就職于北京廣利核系統(tǒng)工程有限公司，主要從事核電廠非安全級儀控系統(tǒng)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的工作。

參考文獻(xiàn)：

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

摘自《自動化博覽》2024年10月刊