輕量化技術(shù)在核反應(yīng)堆設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)中的應(yīng)用

鄭丹晨　曾輝　盧嘉川　馮云姣　唐雷

【摘 要】針對(duì)反應(yīng)堆設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中普遍存在的異構(gòu)文件的裝配、設(shè)計(jì)初期干涉檢查等問(wèn)題，本文介紹了以輕量化技術(shù)為基礎(chǔ)的異構(gòu)三維模型裝配的解決方案，并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模的反應(yīng)堆總體設(shè)備快速瀏覽、以及設(shè)備間的干涉檢查等功能。該解決方案成功應(yīng)用于反應(yīng)堆設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，取得了良好的效果。

【關(guān)鍵詞】輕量化技術(shù)；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)

中圖分類號(hào)： TP391.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 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(shù)字化技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)深入到國(guó)內(nèi)外工程科研的各個(gè)領(lǐng)域。反應(yīng)堆系統(tǒng)的研發(fā)與飛機(jī)、汽車等尖端制造業(yè)領(lǐng)域一樣，涵蓋了空氣動(dòng)力學(xué)、流體、電子、儀控、材料、機(jī)械等多個(gè)專業(yè)。在我國(guó)，反應(yīng)堆設(shè)計(jì)制造集成技術(shù)的研究和應(yīng)用領(lǐng)域，與其它先進(jìn)行業(yè)相比，還存在較大差距。為了提升反應(yīng)堆工程研發(fā)設(shè)計(jì)手段，應(yīng)大力加強(qiáng)核動(dòng)力裝置數(shù)字化設(shè)計(jì)制造集成的技術(shù)研發(fā)，利用革新的技術(shù)持續(xù)提升新型反應(yīng)堆系統(tǒng)自主創(chuàng)新研發(fā)能力，在此基礎(chǔ)上提升研發(fā)效率，縮短設(shè)計(jì)、研發(fā)、建造周期，提升核動(dòng)力工程經(jīng)濟(jì)性。反應(yīng)堆關(guān)鍵設(shè)備協(xié)同設(shè)計(jì)是軍用核動(dòng)力裝置數(shù)字化設(shè)計(jì)制造集成技術(shù)的重要組成部分。如何基于三維設(shè)計(jì)，以關(guān)鍵設(shè)備為研究對(duì)象，提高各專業(yè)部門(mén)協(xié)同設(shè)計(jì)水平，是反應(yīng)堆關(guān)鍵設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的瓶頸問(wèn)題。

本文介紹了以輕量化技術(shù)為基礎(chǔ)的反應(yīng)堆設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程，解決了設(shè)備異構(gòu)模型的裝配、更新以及大模型的在線瀏覽問(wèn)題?；谳p量化模型解決方案，實(shí)現(xiàn)異構(gòu)模型間的干涉檢查，能夠作為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)初始階段的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

1 需求分析

反應(yīng)堆關(guān)鍵設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)由不同的部門(mén)和設(shè)計(jì)人員完成，可能來(lái)源于UG NX、CATIA、Inventor、PDMS等若干種設(shè)計(jì)軟件。由此產(chǎn)生的異構(gòu)模型無(wú)法直接裝配?？偨Y(jié)反應(yīng)堆設(shè)備三維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)亟待解決的問(wèn)題，主要有：（1）如何實(shí)現(xiàn)異構(gòu)三維模型的整體裝配；（2）異構(gòu)模型裝配后，保留原有的裝配結(jié)構(gòu)信息；（3）反應(yīng)堆整體裝配后的三維模型，應(yīng)在普通PC機(jī)能夠快速瀏覽。（4）異構(gòu)模型可以進(jìn)行設(shè)備間的三維干涉檢查，作為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要評(píng)價(jià)依據(jù)，使因干涉原因造成的設(shè)計(jì)反復(fù)盡可能減少。

2 輕量化技術(shù)的應(yīng)用

2.1 異構(gòu)模型裝配

綜合考慮反應(yīng)堆設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以上幾點(diǎn)需求，輕量化技術(shù)是解決異構(gòu)模型裝配的有效途徑。輕量化模型，通過(guò)將CAD模型的幾何信息、參數(shù)信息、產(chǎn)品制造信息、裝配信息、零部件屬性信息等進(jìn)行提取，用壓縮算法對(duì)非結(jié)構(gòu)化的幾何信息進(jìn)行處理，同時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)化的標(biāo)注信息、屬性信息、裝配信息等進(jìn)行簡(jiǎn)化提取，從而獲得體積小、效率高、易于展示的三維數(shù)據(jù)模型。

將不同設(shè)計(jì)平臺(tái)產(chǎn)生的三維模型轉(zhuǎn)換成同種格式的輕量化模型文件，在統(tǒng)一的第三方平臺(tái)上完成設(shè)備間的整體裝配。對(duì)于異構(gòu)的三維CAD模型，輕量化過(guò)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(shù)狀層次的裝配結(jié)構(gòu)記錄方式，能較好體現(xiàn)裝配體的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，減少組成裝配體的元件數(shù)量，降低裝配規(guī)劃和分析的復(fù)雜度。同時(shí)，只要約束名和零部件名稱保持不變，可以實(shí)現(xiàn)子裝配和零部件的局部更新而整體裝配結(jié)構(gòu)不受影響，這對(duì)于協(xié)同設(shè)計(jì)中的局部更新十分重要。因此，只需要針對(duì)不同的CAD系統(tǒng)開(kāi)發(fā)專用的輕量化轉(zhuǎn)換接口即可。解決方案如圖1所示：

選取國(guó)內(nèi)的Intevue軟件作為輕量化平臺(tái)，以UG NX軟件作為CAD軟件說(shuō)明CAD軟件中批量導(dǎo)出輕量化模型的接口開(kāi)發(fā)，其他CAD軟件原理相同。利用UG NX的二次開(kāi)發(fā)技術(shù)，在UG NX軟件的界面上增加文件批量導(dǎo)出和上傳的菜單，使用JSON格式封裝通信的所有的消息，通過(guò)與服務(wù)器端建立SOCKET通信傳遞操作的請(qǐng)求與回復(fù)，通過(guò)FTP鏈接進(jìn)行所有文件的上傳/下載。

2.2 大裝配的快速瀏覽

大規(guī)模裝配體的瀏覽，對(duì)于普通的帶參數(shù)的特征模型，在普通PC機(jī)上無(wú)法實(shí)現(xiàn)，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(yīng)堆本體的模型大約在三萬(wàn)多各零件，四千多萬(wàn)的三角面片數(shù)量，模型瀏覽和交互時(shí)的卡頓較強(qiáng)。輕量化模型很好的解決了這一問(wèn)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(shù)據(jù)，模型數(shù)據(jù)量大幅減小，只有原特征模型的1/20到1/70。在普通PC機(jī)上，反應(yīng)堆本體的輕量化模型可以快速加載，流暢實(shí)現(xiàn)模型裝配、旋轉(zhuǎn)、剖切、測(cè)量等操作。endprint

圖2 UG端的界面

輕量化技術(shù)發(fā)展迅速，可以直接將瀏覽器封裝成ActiveX控件，在瀏覽器上運(yùn)行，在瀏覽器端即可實(shí)現(xiàn)輕量化軟件中的全部功能。模型的輕量化文件存放在遠(yuǎn)程服務(wù)器上，客戶端通過(guò)網(wǎng)絡(luò)申請(qǐng)獲取訪問(wèn)權(quán)限，文件數(shù)據(jù)通過(guò)http或ftp請(qǐng)求獲取，無(wú)需將模型的輕量化文件保存到本地。同時(shí)，盡管因?yàn)檩p量化模型沒(méi)有記錄特征定義和歷史過(guò)程，模型不可再編輯。但模型存儲(chǔ)和傳輸采用的編碼算法是可變的，可以用戶定制，如對(duì)算法進(jìn)行加密等。以上兩點(diǎn)特性，使得產(chǎn)品模型的保密性得到保證。瀏覽器端的實(shí)現(xiàn)效果如圖3所示。

2.3 基于輕量化模型實(shí)現(xiàn)設(shè)備間的干涉檢查

異構(gòu)模型的干涉檢查無(wú)法進(jìn)行。考慮利用統(tǒng)一的輕量化模型，實(shí)現(xiàn)干涉檢查工作。模型干涉檢查通常分為靜態(tài)檢查和動(dòng)態(tài)檢查兩種。這里首先解決的是靜態(tài)干涉檢查的技術(shù)問(wèn)題，即模型在空間中的位置是不隨時(shí)間改變的。對(duì)于主流的輕量化干涉檢查技術(shù)，主要是在包絡(luò)盒干涉檢查算法結(jié)合輕量化模型典型的多層次LOD數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，通過(guò)逐層過(guò)濾實(shí)現(xiàn)可變精度快速干涉檢查，并給予對(duì)應(yīng)的可視化技術(shù)對(duì)檢查結(jié)果進(jìn)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(shù)和時(shí)間。

干涉檢查完成后需要對(duì)結(jié)果進(jìn)行處理，至少應(yīng)包括三個(gè)方面：

（1）選擇性的顯示干涉部位；

（2）生成干涉分析報(bào)告；

（3）干涉分析報(bào)告的發(fā)布與保存。

結(jié)合以上三方面的處理，形成了完整的干涉結(jié)果處理方案，提交到產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)工程師作為模型修改的參考；同時(shí)上傳到服務(wù)器端，作為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的初步評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)保存。具體到服務(wù)器端的實(shí)現(xiàn)，將干涉檢查工具封裝成一個(gè)單獨(dú)的靜態(tài)程序，在后臺(tái)調(diào)用完成操作?？蛻舳松蟼髂Ｐ屯瓿珊螅?qǐng)求進(jìn)行干涉檢查操作，服務(wù)器端通過(guò)腳本啟動(dòng)干涉檢查過(guò)程，并將干涉檢查的結(jié)構(gòu)信息提取出來(lái)，作為反饋信息通過(guò)SOCKET傳遞給客戶端。界面如圖5。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)本文的介紹可以看到，輕量化技術(shù)在核反應(yīng)堆關(guān)鍵設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及評(píng)價(jià)方面得到了應(yīng)用，重點(diǎn)解決了異構(gòu)模型的裝配、大規(guī)模裝配體的瀏覽、以及設(shè)備間干涉檢查等問(wèn)題。面對(duì)更為深層次的反應(yīng)堆本體設(shè)計(jì)過(guò)程協(xié)同的要求，更復(fù)雜更大規(guī)模的三維模型問(wèn)題，需要不斷完善和發(fā)展輕量化技術(shù)，并進(jìn)行更為深入的應(yīng)用研究。輕量化技術(shù)必將成為反應(yīng)堆協(xié)同設(shè)計(jì)中不可缺少的關(guān)鍵組成。

【參考文獻(xiàn)】

[1]劉清華，李帥，劉云華，萬(wàn)立.協(xié)同環(huán)境中基于輕量化的3D異構(gòu)CAD模型干涉檢查.中國(guó)機(jī)械工程，2013，24（1）：56-60.

[2]劉云華，劉俊，陳立平.產(chǎn)品三維數(shù)據(jù)模型輕量化表示實(shí)現(xiàn).計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與圖形學(xué)學(xué)報(bào).2006，18（4）：602-607.

[3]李洲洋，田錫天，耿俊浩，田富君.基于輕量化三維模型的CAD/CAPP/CNC系統(tǒng)集成技術(shù)研究.西北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，29（4）：503-508.endprint