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文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B文章編號(hào)：1003-0492（2024）08-072-04中圖分類號(hào)：TP29

★劉兆峰（北京廣利核系統(tǒng)工程有限公司，北京100094）

★張?zhí)煸ㄟ|寧紅沿河核電有限公司，遼寧大連116319）

關(guān)鍵詞：鋁合金機(jī)柜；優(yōu)化設(shè)計(jì)；拓?fù)鋬?yōu)化；截面優(yōu)化；輕量化

輕量化需求在航空航天、船舶、汽車等領(lǐng)域日益提高，核電機(jī)柜輕量化需求日益嚴(yán)苛，采用常規(guī)的減薄材料厚度、降低機(jī)柜抗震包絡(luò)性等途徑，很難實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目重量指標(biāo)。拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)在汽車、機(jī)床、電子機(jī)械等領(lǐng)域的輕量化方面得到了廣泛的應(yīng)用，與形狀優(yōu)化和尺寸優(yōu)化相比，拓?fù)鋬?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(yīng)用該技術(shù)，大大地降低了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的設(shè)計(jì)盲目性，研究特定問題歸納方法，能夠產(chǎn)生結(jié)構(gòu)的新構(gòu)型。核電DCS系統(tǒng)是核電站的神經(jīng)中樞，在核電廠的安全運(yùn)行中起到至關(guān)重要的作用。核電DCS機(jī)柜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是核電DCS系統(tǒng)開發(fā)的重要環(huán)節(jié)之一，機(jī)柜結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度和動(dòng)力學(xué)性能是確保DCS系統(tǒng)在地震等極端工況下可靠運(yùn)行的關(guān)鍵。其對(duì)于輕量化需求日益提高，因此研究基于拓?fù)鋬?yōu)化的機(jī)柜骨架設(shè)計(jì)方法意義重大。拓?fù)鋬?yōu)化得到的結(jié)構(gòu)幾何形狀往往比較復(fù)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法具有明顯的工程實(shí)際意義。本文利用拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)對(duì)核電DCS機(jī)柜進(jìn)行求解，得到核電機(jī)柜傳力骨架的優(yōu)化模型。考慮到工程應(yīng)用，我們對(duì)截面進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，以滿足型材類機(jī)柜設(shè)計(jì)的需求。隨著新的3D打印技術(shù)、一體成形精密鑄造技術(shù)的發(fā)展，異性結(jié)構(gòu)制造成為可能。因此基于空間拓?fù)洌覀儗?duì)機(jī)柜進(jìn)行優(yōu)化得到了符合傳力路徑優(yōu)化的機(jī)柜結(jié)構(gòu)，并對(duì)其進(jìn)行了探索研究。

1　鋁合金的結(jié)構(gòu)形態(tài)與成型方式

鋁合金一體化成型技術(shù)是通過精密鑄造、精密鍛造或3D打印技術(shù)將多個(gè)零部件整合到一起，通過一次成型的方式制造出整體結(jié)構(gòu)的技術(shù)。該技術(shù)能縮小裝配帶來的誤差累積，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(fèi)；設(shè)計(jì)自由度高，可實(shí)現(xiàn)復(fù)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、航空航天、機(jī)械制造領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。

2　結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)

結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)日益成熟并被成功地應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)，它以其獨(dú)特的優(yōu)勢改變了傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)流程。在概念的設(shè)計(jì)階段，優(yōu)化技術(shù)可以對(duì)產(chǎn)品所需要的性能予以全面考慮，在給定的設(shè)計(jì)空間下尋找最佳的產(chǎn)品設(shè)計(jì)思路。拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)可以為設(shè)計(jì)人員提供全新的設(shè)計(jì)和最優(yōu)的材料分布問題解決方案，基于概念設(shè)計(jì)的思想，作為結(jié)果的設(shè)計(jì)空間需要反饋給設(shè)計(jì)人員做適當(dāng)?shù)男薷模w現(xiàn)出性能更優(yōu)、結(jié)構(gòu)更輕的特點(diǎn)。通過拓?fù)鋬?yōu)化的結(jié)果可采用晶格設(shè)計(jì)對(duì)結(jié)構(gòu)繼續(xù)減重，也可以基于截面進(jìn)行參數(shù)化尺寸優(yōu)化進(jìn)行方案設(shè)計(jì)。機(jī)柜拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)流程如圖1所示。

圖1 結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)流程圖

常用的結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化軟件有ANSYS、Altairinspire、Toptimizer、nToplogy、TOSCA等。設(shè)置優(yōu)化區(qū)域、設(shè)置約束、設(shè)置優(yōu)化目標(biāo)環(huán)節(jié)是拓?fù)鋬?yōu)化成功與否的關(guān)鍵階段。常見的拓?fù)鋬?yōu)化目標(biāo)或約束函數(shù)定義的響應(yīng)包括質(zhì)量、體積、體積分?jǐn)?shù)或質(zhì)量分?jǐn)?shù)、重心位置、慣性矩、靜態(tài)應(yīng)變能、靜態(tài)位移、固有頻率、應(yīng)力等指標(biāo)^[6]，可根據(jù)實(shí)際問題選用及任意組合以滿足設(shè)計(jì)需求。

3　機(jī)柜結(jié)構(gòu)優(yōu)化約束

3.1　機(jī)柜的強(qiáng)度

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

3.2　機(jī)柜的剛度

機(jī)柜需要具備一定的剛度要求，使得機(jī)柜具有一定的抗變形能力，使得機(jī)柜能夠避開振動(dòng)的平臺(tái)區(qū)，具備一定的抗振能力。機(jī)柜在內(nèi)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(shè)計(jì)的要點(diǎn)。

3.3　機(jī)柜的空間要素

機(jī)柜外形尺寸的關(guān)鍵因素：

（1）空間約束：機(jī)柜在整個(gè)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(fēng)散熱要求，機(jī)柜的前后門還需要設(shè)置風(fēng)口和風(fēng)扇裝置。機(jī)柜的布局一般由整體的進(jìn)線量和設(shè)備構(gòu)成總量確定。除此之外，機(jī)柜還需要確保周圍有足夠的空間進(jìn)行設(shè)備安裝、維護(hù)。

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

（3）機(jī)柜尺寸標(biāo)準(zhǔn)：機(jī)柜的主要尺寸標(biāo)準(zhǔn)有IEC60297系列標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定了19英寸和23英寸機(jī)柜的尺寸、安裝和接地要求。機(jī)柜的深度可以根據(jù)設(shè)備的需求有所不同，最好根據(jù)實(shí)際需求和設(shè)備規(guī)格確定合適的尺寸標(biāo)準(zhǔn)，非標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜尺寸的機(jī)柜通常會(huì)用于特殊設(shè)備和特殊場景。

機(jī)柜設(shè)備的安裝形式：

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

（2）設(shè)備組件通過連接安裝到機(jī)柜側(cè)立柱上。

4　鋁合金機(jī)柜優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)例

4.1　梁柱截面拓?fù)涞臋C(jī)柜骨架設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)方案：機(jī)柜采用四柱八梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，梁柱結(jié)構(gòu)采用三通件螺栓連接和粘接，因此對(duì)梁柱截面和三通件分別進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化。

截面優(yōu)化問題描述：

（1）考慮骨架與內(nèi)部結(jié)構(gòu)的連接形式，設(shè)置預(yù)制凹槽，設(shè)定截面的外輪廓幾何信息。

（2）通過加載計(jì)算，約束截面的最大應(yīng)力。

（3）設(shè)計(jì)截面減重目標(biāo)。

對(duì)梁截面進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，生成梁截面拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果，并根據(jù)型材可加工性再設(shè)計(jì)，如圖2所示。

圖2 梁截面拓?fù)鋬?yōu)化示意圖

三通件拓?fù)鋬?yōu)化問題描述：

（1）根據(jù)與梁柱的接口關(guān)系，設(shè)置拓?fù)鋬?yōu)化區(qū)域。

（2）通過加載計(jì)算，約束結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力。

（3）設(shè)計(jì)三通件減重目標(biāo)。依據(jù)梁截面的內(nèi)輪廓作為結(jié)構(gòu)邊界約束，對(duì)三通件進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，生成三通件結(jié)構(gòu)形式如圖3所示。

圖3 三通件拓?fù)鋬?yōu)化示意圖

對(duì)優(yōu)化結(jié)構(gòu)裝配后進(jìn)行有限元仿真分析，應(yīng)力云圖如圖4所示，應(yīng)力結(jié)果達(dá)到179MPa，滿足使用要求。通過優(yōu)化使得結(jié)構(gòu)減重40%，實(shí)現(xiàn)了輕量化減重目標(biāo)。

圖4 機(jī)柜應(yīng)力云圖

4.2　基于空間拓?fù)涞臋C(jī)柜骨架設(shè)計(jì)

根據(jù)機(jī)柜的常規(guī)形式可對(duì)柜四柱結(jié)構(gòu)進(jìn)行空間拓?fù)鋬?yōu)化，得到的機(jī)柜骨架形式如圖5所示。由于設(shè)計(jì)約束與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)一致，并沒有改變結(jié)構(gòu)的傳力路徑，下面對(duì)設(shè)計(jì)空間進(jìn)一步擴(kuò)大，對(duì)結(jié)構(gòu)形態(tài)進(jìn)行優(yōu)化。

圖5 四柱空間機(jī)柜拓?fù)鋬?yōu)化示意圖

機(jī)柜采用創(chuàng)新三面開放式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)底部固定，我們對(duì)其整體進(jìn)行加載和拓?fù)鋬?yōu)化。

基于空間拓?fù)涞臋C(jī)柜骨架優(yōu)化問題描述：

（1）根據(jù)機(jī)柜整體外部輪廓，以“門”字形空間作為優(yōu)化設(shè)計(jì)空間。

（2）進(jìn)行靜態(tài)結(jié)構(gòu)、模態(tài)分析加載計(jì)算，約束米塞斯應(yīng)力、機(jī)柜模態(tài)頻率、重心等參數(shù)。

（3）設(shè)計(jì)機(jī)柜減重目標(biāo)。

通過上述優(yōu)化得到優(yōu)化結(jié)果如圖6所示，通過拓?fù)鋬?yōu)化的機(jī)柜結(jié)構(gòu)新穎，傳力路徑清晰^[7]。如結(jié)構(gòu)采用彎管焊接工藝進(jìn)行制造，可對(duì)結(jié)構(gòu)的截面繼續(xù)進(jìn)行尺寸優(yōu)化；如采用一體化精密鑄造成型，可對(duì)模型進(jìn)行表面光順化處理；如采用3D打印技術(shù)可對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行晶格密度再設(shè)計(jì)，進(jìn)一步對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行減重。結(jié)合材料成型工藝對(duì)拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果進(jìn)行再設(shè)計(jì)，使結(jié)構(gòu)具備優(yōu)良的可制造性。通過此優(yōu)化技術(shù)能實(shí)現(xiàn)更大的減重目標(biāo)。

圖6 “門”空間機(jī)柜拓?fù)鋬?yōu)化示意圖

5　結(jié)論

拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)能啟發(fā)思維，為設(shè)計(jì)方案的制定提供了新的解決方案。采用截面拓?fù)涞募夹g(shù)方案優(yōu)化得到適合型材的設(shè)計(jì)，采用三維拓?fù)鋬?yōu)化方法對(duì)三通件進(jìn)行優(yōu)化，綜合在一起形成鋁合金機(jī)柜的設(shè)計(jì)方案，通過有限元分析，計(jì)算應(yīng)力結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求。對(duì)設(shè)計(jì)空間域進(jìn)行拓展，開展拓?fù)鋬?yōu)化應(yīng)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?fù)鋬?yōu)化技術(shù)在應(yīng)用過程中仍有一些問題沒有解決，伴隨著先進(jìn)制造技術(shù)的應(yīng)用，拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)將為產(chǎn)品的升級(jí)提供驅(qū)動(dòng)力。該技術(shù)的應(yīng)用有利于提升機(jī)柜方案質(zhì)量，在同類設(shè)計(jì)項(xiàng)目中有借鑒意義。

作者簡介：

劉兆峰（1980-），男，河北青縣人，高級(jí)工程師，碩士，現(xiàn)就職于北京廣利核系統(tǒng)工程有限公司，主要從事核儀控系統(tǒng)機(jī)柜盤臺(tái)及設(shè)備抗震、抗沖擊、振動(dòng)數(shù)字化設(shè)計(jì)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