輕量化技術在核反應堆設備結構設計與評價中的應用

鄭丹晨　曾輝　盧嘉川　馮云姣　唐雷

【摘 要】針對反應堆設備結構設計中普遍存在的異構文件的裝配、設計初期干涉檢查等問題，本文介紹了以輕量化技術為基礎的異構三維模型裝配的解決方案，并在此基礎上實現了大規模的反應堆總體設備快速瀏覽、以及設備間的干涉檢查等功能。該解決方案成功應用于反應堆設備結構設計過程中，取得了良好的效果。

【關鍵詞】輕量化技術；結構設計；設計評價

中圖分類號： TP391.9 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2017）20-0101-002

The Application of Lightweight Technology in Reactor Equipments Design And Estimating

ZHENG Danchen ZENG Hui LU Jia-chuan FENG Yun-jiao TANG Lei

（State Key Laboratory of Reactor System Design Technology， Nuclear Power Institute of China， Chengdu Sichuan 610041，China）

【Abstract】Towards the problems in the structure design of reactor equipments， such as the assembly and interference of different format models， the resolution of assembly from different format 3D models based on lightweight technology is introduced. The function of rapid browsing of massive equipment models， and interference checking， is realized. The resolution is applied successfully in reactor equipments structure design.

【Key words】Lightweigh Technology； Structure Design； Design Estimating

0 引言

數字化技術的應用已經深入到國內外工程科研的各個領域。反應堆系統的研發與飛機、汽車等尖端制造業領域一樣，涵蓋了空氣動力學、流體、電子、儀控、材料、機械等多個專業。在我國，反應堆設計制造集成技術的研究和應用領域，與其它先進行業相比，還存在較大差距。為了提升反應堆工程研發設計手段，應大力加強核動力裝置數字化設計制造集成的技術研發，利用革新的技術持續提升新型反應堆系統自主創新研發能力，在此基礎上提升研發效率，縮短設計、研發、建造周期，提升核動力工程經濟性。反應堆關鍵設備協同設計是軍用核動力裝置數字化設計制造集成技術的重要組成部分。如何基于三維設計，以關鍵設備為研究對象，提高各專業部門協同設計水平，是反應堆關鍵設備結構設計的瓶頸問題。

本文介紹了以輕量化技術為基礎的反應堆設備結構設計流程，解決了設備異構模型的裝配、更新以及大模型的在線瀏覽問題。基于輕量化模型解決方案，實現異構模型間的干涉檢查，能夠作為結構設計初始階段的評價標準。

1 需求分析

反應堆關鍵設備的結構設計由不同的部門和設計人員完成，可能來源于UG NX、CATIA、Inventor、PDMS等若干種設計軟件。由此產生的異構模型無法直接裝配。總結反應堆設備三維結構設計亟待解決的問題，主要有：（1）如何實現異構三維模型的整體裝配；（2）異構模型裝配后，保留原有的裝配結構信息；（3）反應堆整體裝配后的三維模型，應在普通PC機能夠快速瀏覽。（4）異構模型可以進行設備間的三維干涉檢查，作為結構設計的重要評價依據，使因干涉原因造成的設計反復盡可能減少。

2 輕量化技術的應用

2.1 異構模型裝配

綜合考慮反應堆設備結構設計以上幾點需求，輕量化技術是解決異構模型裝配的有效途徑。輕量化模型，通過將CAD模型的幾何信息、參數信息、產品制造信息、裝配信息、零部件屬性信息等進行提取，用壓縮算法對非結構化的幾何信息進行處理，同時對結構化的標注信息、屬性信息、裝配信息等進行簡化提取，從而獲得體積小、效率高、易于展示的三維數據模型。

將不同設計平臺產生的三維模型轉換成同種格式的輕量化模型文件，在統一的第三方平臺上完成設備間的整體裝配。對于異構的三維CAD模型，輕量化過程一致，輕量化效果基本一致，三維模型的幾何信息保存完整，采用樹狀層次的裝配結構記錄方式，能較好體現裝配體的產品結構，減少組成裝配體的元件數量，降低裝配規劃和分析的復雜度。同時，只要約束名和零部件名稱保持不變，可以實現子裝配和零部件的局部更新而整體裝配結構不受影響，這對于協同設計中的局部更新十分重要。因此，只需要針對不同的CAD系統開發專用的輕量化轉換接口即可。解決方案如圖1所示：

選取國內的Intevue軟件作為輕量化平臺，以UG NX軟件作為CAD軟件說明CAD軟件中批量導出輕量化模型的接口開發，其他CAD軟件原理相同。利用UG NX的二次開發技術，在UG NX軟件的界面上增加文件批量導出和上傳的菜單，使用JSON格式封裝通信的所有的消息，通過與服務器端建立SOCKET通信傳遞操作的請求與回復，通過FTP鏈接進行所有文件的上傳/下載。

2.2 大裝配的快速瀏覽

大規模裝配體的瀏覽，對于普通的帶參數的特征模型，在普通PC機上無法實現，需要在高性能的圖形工作站上完成，并且存在明顯的性能瓶頸。反應堆本體的模型大約在三萬多各零件，四千多萬的三角面片數量，模型瀏覽和交互時的卡頓較強。輕量化模型很好的解決了這一問題。由于輕量化模型只保留模型的外形，不保留特征和建模的歷史數據，模型數據量大幅減小，只有原特征模型的1/20到1/70。在普通PC機上，反應堆本體的輕量化模型可以快速加載，流暢實現模型裝配、旋轉、剖切、測量等操作。endprint

圖2 UG端的界面

輕量化技術發展迅速，可以直接將瀏覽器封裝成ActiveX控件，在瀏覽器上運行，在瀏覽器端即可實現輕量化軟件中的全部功能。模型的輕量化文件存放在遠程服務器上，客戶端通過網絡申請獲取訪問權限，文件數據通過http或ftp請求獲取，無需將模型的輕量化文件保存到本地。同時，盡管因為輕量化模型沒有記錄特征定義和歷史過程，模型不可再編輯。但模型存儲和傳輸采用的編碼算法是可變的，可以用戶定制，如對算法進行加密等。以上兩點特性，使得產品模型的保密性得到保證。瀏覽器端的實現效果如圖3所示。

2.3 基于輕量化模型實現設備間的干涉檢查

異構模型的干涉檢查無法進行。考慮利用統一的輕量化模型，實現干涉檢查工作。模型干涉檢查通常分為靜態檢查和動態檢查兩種。這里首先解決的是靜態干涉檢查的技術問題，即模型在空間中的位置是不隨時間改變的。對于主流的輕量化干涉檢查技術，主要是在包絡盒干涉檢查算法結合輕量化模型典型的多層次LOD數據結構，通過逐層過濾實現可變精度快速干涉檢查，并給予對應的可視化技術對檢查結果進行顯示，以便最大限度地用定性干涉檢查的方法剔除包容盒不相交的部件，盡可能地減少精確干涉檢查的次數和時間。

干涉檢查完成后需要對結果進行處理，至少應包括三個方面：

（1）選擇性的顯示干涉部位；

（2）生成干涉分析報告；

（3）干涉分析報告的發布與保存。

結合以上三方面的處理，形成了完整的干涉結果處理方案，提交到產品的結構工程師作為模型修改的參考；同時上傳到服務器端，作為結構設計的初步評價標準保存。具體到服務器端的實現，將干涉檢查工具封裝成一個單獨的靜態程序，在后臺調用完成操作。客戶端上傳模型完成后，請求進行干涉檢查操作，服務器端通過腳本啟動干涉檢查過程，并將干涉檢查的結構信息提取出來，作為反饋信息通過SOCKET傳遞給客戶端。界面如圖5。

3 結語

通過本文的介紹可以看到，輕量化技術在核反應堆關鍵設備結構設計及評價方面得到了應用，重點解決了異構模型的裝配、大規模裝配體的瀏覽、以及設備間干涉檢查等問題。面對更為深層次的反應堆本體設計過程協同的要求，更復雜更大規模的三維模型問題，需要不斷完善和發展輕量化技術，并進行更為深入的應用研究。輕量化技術必將成為反應堆協同設計中不可缺少的關鍵組成。

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