反應堆三維協同設計平臺單一數據源設計模式分析

陳訓剛　莫錦濤　方浩宇　李浩　劉佳　鄭浩　余志偉　羅英

摘? 要：反應堆結構設計內部接口復雜，同時與堆芯物理、一回路系統、核儀器儀表、燃料組件、熱工水力、力學分析等專業具有大量外部接口。目前以文檔交付物為核心的設計模式中，不同文檔交付物均可作為工作依據，而各文檔交付物之間未形成數據關聯，可能形成多個數據源，從而造成數據沖突，導致設計差錯。因此，反應堆三維協同設計平臺的重要目的之一就是實現單一數據源，保證設計正確。文章對反應堆結構三維協同設計平臺現階段的三維骨架接口、三維模型與二維圖紙關聯以及三維模型與仿真模型之間關聯三個方面的以三維模型為核心的單一數據源設計模式進行了梳理，并分析了其局限性，提出三維模型與文檔數據關聯和仿真模型版本管理的需求，為后續反應堆結構三維協同設計平臺的建設和完善提供參考。

關鍵詞：反應堆結構;三維協同;單一數據源;設計模式

中圖分類號：TL371? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）06-0093-03

Abstract： The internal interfaces of reactor structure design are complicated and there exist huge numbers of external interfaces to the reactor core physics， primary circuit system， nuclear instrument， fuel assemblies， thermohydraulics and mechanical analysis. The design mode is based on documents and different documents all can offer reference for the design work. As a result， there will be multi-data source without data connections between documents， thus bringing data conflicts and design errors. Thus， the main purpose of the three-dimensional collaborative design platform is the establishment of single data source. This paper has concluded the single data source design mode based on 3D model， which includes the skeleton interfaces， the dynamic connections between the 3D model， the 2D drawing and the simulation model. The limitations are discussed and the demand for the dynamic connection between 3D model and documents is introduced， which can provide reference for the following construction of the three-dimensional collaborative design platform.

Keywords： reactor structure; three-dimensional collaborative design; single data source; design mode

1 概述

反應堆結構復雜，包含反應堆壓力容器、反應堆壓力容器輻照監督管、反應堆壓力容器保溫層、控制棒驅動機構、反應堆堆頂結構、堆內構件、反應堆支承及一次屏蔽結構等;所涉及專業包含反應堆結構總體設計、反應堆壓力容器設計、換料工藝、控制棒驅動機構設計、堆內構件設計、反應堆支承及一次屏蔽設計等。反應堆結構設計專業內部接口復雜，同時與堆芯物理、一回路系統、核儀器儀表、燃料組件、熱工水力、力學分析等專業具有大量外部接口。

反應堆結構設計內、外部協同主要依靠接口單、聯系單等表單形式。主要不足之處表現在：效率低，流程長，表述不直觀，難以保證表單內容的時效性等。目前以文檔交付物為核心的設計模式中，不同文檔交付物均可作為工作依據，而各文檔交付物之間未形成數據關聯，可能形成多個數據源，從而造成數據沖突，導致設計差錯。

為了提高我國反應堆結構設計能力，提升反應堆結構三維協同設計能力和自動化、智能化水平。在新的歷史時期，搭建反應堆結構三維協同設計平臺，實現基于全三維模型的核動力設備、系統各專業協同數字化設計，實現設計過程中資源、數據、流程的緊密集成，實現反應堆結構設計的數字化、集成化與協同化，最終提高反應堆結構設計效率及系統的整體性能，提高研發與運行效率就成為了反應堆設計發展的重要目標[1-5]。而如何借助平臺技術優勢，實現反應堆三維協同設計平臺單一數據源設計模式，保證設計正確、高效也就構成了反應堆結構設計能力提升的重要方面[6-8]。

現有的反應堆結構三維協同設計平臺基于成熟的商用PLM軟件在現階段的三維骨架接口、三維模型與二維圖紙關聯以及三維模型與仿真模型之間關聯三個方面基本實現了以三維模型為核心的單一數據源，但還存在一定的局限性，例如，還沒有建立三維模型與文檔之間的數據關聯，三維模型與仿真模型之間存在版本控制的問題等。

提出三維模型與文檔數據關聯的需求，為后續反應堆結構三維協同設計平臺的建設和完善提供參考。

2 反應堆三維協同設計平臺現狀

反應堆結構協同設計子系統采用基于“三維模型”為主數據的“自頂向下”與“自底向上”相結合的設計模式， 系統設計內容涵蓋了數據對象、訪問規則、工作流程、開發定制等。目標是以“模型”為語言在反應堆結構專業內、外實現溝通“0”障礙;實現反應堆結構三維協同設計、分析、驗證，打通專業內部的數據流、業務流，并實現與力學、熱工水力、物理等專業的外部協同。

現有的反應堆結構三維協同設計平臺基于成熟的商用PLM軟件在現階段的三維骨架接口、三維模型與二維圖紙關聯以及三維模型與仿真模型之間關聯三個方面基本實現了以三維模型為核心的單一數據源。如圖1。

2.1 骨架接口

反應堆單位結構協同設計平臺 “自頂向下”設計依靠建立骨架模型來實現。這種方法是從產品構成的最頂層開始，把組成整機的部（組）件作為系統的一個零件來考慮，并根據其在產品中的相互位置關系、所起的作用和實現功能等建立產品構成的二維布局和三維骨架圖形。通過給定設計約束條件、關鍵的設計參數等設計信息，集中地捕捉產品整機設計意圖，自上而下地傳遞所給的設計信息。同時通過骨架模型將總體設計參數傳遞到下游零件，保證裝配模型和零件設計完全雙向相關同步，并且通過數據訪問權限和BOM結構版本規則的合理定義，確保協同設計過程中不同科室之間可以相互參考最新設計結果。

設計過程中，組件與組件之間的接口不再是傳統的接口單文檔，而是用骨架模型來對接口信息進行描述。例如，吊籃出口管嘴與壓力容器出口接管的相對位置信息將通過草圖上的幾根曲線進行說明，接管則通過圓弧來描述大小和空間位置信息。一般的三維建模軟件，以NX為例，都實現了草圖參數化和草圖與三維模型的動態關聯，因此可以直接通過改變骨架形狀和參數來驅動三維模型。通過流程對骨架接口數據訪問權限進行管理，就可以保證模型接口的唯一性和正確性。如圖2。

2.2 三維模型與二維圖紙關聯

現階段，由于制造廠還無法實現基于三維模型的加工制造，設計部門與制造廠之間還是通過二維圖紙來交互設計信息。二維工程圖轉換功能在三維建模軟件中已經取得了較為成熟的引用，基本可以實現三維模型的結構尺寸、比例等變更能及時動態地反映到二維圖紙，且圖紙標注信息也與三維模型實際尺寸保持一致。

2.3 三維結構模型與仿真模型之間的關聯

三維結構協同設計平臺打通三維結構模型和仿真模型之間的接口，建立結構設計與性能仿真的協同設計流程，使結構模型與仿真模型之間形成自動化的數據關聯， 完成仿真計算模塊與三維協同設計平臺的集成，在設計過程中實現結構專業與仿真專業之間的雙向反饋，提高設計效率并提前發現問題。建立結構設計與仿真分析之間設計流程，建立三維結構模型與仿真模型之間的數據關聯，實現上游模型的變化能夠自動傳遞到下游仿真模型，并自動更新計算結果，返回新的仿真評估分析和優化建議，形成結構仿真迭代的閉環。如圖3。

3 反應堆三維協同設計平臺局限性

3.1 三維模型與文檔交付物關聯

現有設計模式以文檔交付物為核心，從項目管理、設計管理到數據管理均以文檔交付物為準。一般文檔交付物包括技術文件、接口信息單、設計變更單、技術聯系單等。技術文檔中往往會涉及與三維模型相關的數據信息。這些數據可以是三維結構原始尺寸信息，例如反應堆壓力容器內徑、反應堆總高等，也可以是原始尺寸信息的加工信息，例如水容積、浸潤面積等。這些數據在相應的技術文件、接口單中被大量引用。但是由于PLM軟件本身具有一定的封閉性，且與文檔處理軟件無法良好集成。導致目前無法從根本上建立以三維模型為中心的結構化數據關聯，也就無法從根本上消除多個數據源的問題。如圖4。

3.2 仿真模型版本管理

目前反應堆三維結構協同設計平臺已經初步建立三維結構模型與仿真模型之間的數據關聯，實現上游模型的變化能夠自動傳遞到下游仿真模型。但是這樣的數據關聯在模型局部網格劃分，拓撲結構改變后的適應性等方面還存在一定的問題。并且，三維模型作為仿真模型的上游，往往為下游端不同的仿真軟件提供輸入，PLM軟件與仿真軟件集成度對仿真文件管理模式有極大影響。而仿真過程中，往往會產生大量的過程數據， 最終導致仿真模型存在多個版本，增加了版本管理上的難度。目前，西門子等公司的PLM產品對仿真模型的管理上還沒有形成較好的解決方案。

4 以三維模型為核心的結構化數據關聯需求

反應堆三維結構協同設計平臺單一數據源的基礎是建立以三維模型為核心的結構化數據關聯。即在反應堆結構三維協同設計平臺中建立基于三維模型的元數據， 以元數據為設計信息的源頭， 具有最高優先等級，將技術文件等作為元數據的衍生數據，衍生數據的修改必須從元數據的修改開始，元數據的修改也必須傳遞到衍生數據。對于設計變更應建立閉環控制。

主要關聯關系包括四個方面，三維骨架接口、三維模型與二維圖紙關聯、三維模型與仿真模型之間關聯以及三維模型與文檔交付物關聯。其中前三個方面基于成熟的PLM以及三維建模軟件已經初步實現相關功能。三維模型與文檔交付物關聯還需要進一步定制開發。具體需求如下：

實現從三維模型中獲取PMI（產品與制造信息）信息。配置NX與協同設計平臺的PMI提取接口，能夠提取三維模型的PMI標注信息，并形成結構化數據關聯存儲在協同設計平臺中。通過開發實現將存儲在協同設計平臺中的結構化PMI數據輸出為表單附件，并可以在PMI變更后更新。

允許對PMI數據進行程序化加工和再加工，自動生成新的接口數據，如水容積、浸潤面積等，供后續文件調用。

支持利用協同設計平臺中的結構化PMI數據生成技術文件、接口單等文檔，并在PMI信息發生變更后可快速更新或重新生成文檔文件，保證文檔數據與三維模型一致。

目前，西門子等公司的PLM產品對仿真模型的管理上還沒有形成較好的解決方案，因此對于仿真模型版本管理需求在此暫時不予討論。

5 結束語

現有的反應堆結構三維協同設計平臺基于成熟的商用PLM軟件在現階段的三維骨架接口、三維模型與二維圖紙關聯以及三維模型與仿真模型之間關聯三個方面基本實現了以三維模型為核心的單一數據源，但還存在一定的局限性，例如，還沒有建立三維模型與文檔之間的數據關聯，三維模型與仿真模型之間存在版本控制的問題等。針對三維模型與文檔之間的數據關聯提出了基本需求，包括實現從三維模型中獲取PMI（產品與制造信息）信息，允許對PMI數據進行程序化加工和再加工，自動生成新的接口數據，支持利用協同設計平臺中的結構化PMI數據生成技術文件、接口單等文檔等。為后續反應堆結構三維協同設計平臺的建設和完善提供參考

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