基于Inventor的某核電站反應(yīng)堆本體設(shè)備吊裝路徑仿真優(yōu)化

李成武

（上海核工程研究設(shè)計院有限公司，上海 200233）

介紹基于Inventor 軟件進(jìn)行某核電站反應(yīng)堆本體設(shè)備的吊裝路徑仿真優(yōu)化分析方法。在完成反應(yīng)堆本體設(shè)備三維建模后，利用Inventor 軟件的驅(qū)動約束功能對一體化頂蓋組件、上部堆內(nèi)構(gòu)件和下部堆內(nèi)構(gòu)件進(jìn)行吊裝路徑仿真分析，得到優(yōu)化的吊裝路徑，為現(xiàn)場的吊裝操作提供指導(dǎo)。

反應(yīng)堆本體設(shè)備；吊裝路徑；Inventor 軟件；驅(qū)動約束

0 引言

某核電站反應(yīng)堆本體設(shè)備主要包括反應(yīng)堆壓力容器、堆內(nèi)構(gòu)件、控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)、保溫層、一體化堆頂組件及相關(guān)附屬設(shè)備構(gòu)成。在反應(yīng)堆停堆換料期間，需拆裝堆本體系統(tǒng)有關(guān)設(shè)備，為反應(yīng)堆換料做準(zhǔn)備，并為反應(yīng)堆再次啟動提供條件。拆裝堆本體設(shè)備涉及上、下部堆內(nèi)構(gòu)件及一體化堆頂組件的吊裝操作。對堆本體設(shè)備的吊裝路徑進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，可以縮短吊裝所需時間，從而節(jié)省停堆換料時間，進(jìn)而提高電廠的經(jīng)濟(jì)性。

Autodesk 公司的Inventor 軟件是成熟的三維建模設(shè)計軟件，堆本體設(shè)備基于該軟件完成了三維建模設(shè)計。在此基礎(chǔ)上，對吊裝設(shè)備進(jìn)行路徑動態(tài)仿真，從而得到優(yōu)化的吊裝路線。

Inventor 軟件進(jìn)行動態(tài)仿真有如下幾種方式：驅(qū)動約束、裝配分解、Inventor Studio、運動仿真。驅(qū)動約束仿真可同時進(jìn)行碰撞和接觸干涉檢查，因此本文采用該方式完成吊裝路徑優(yōu)化分析。

1 路徑優(yōu)化分析概述

Inventor 具有非常強(qiáng)大的裝配功能[1]，其零部件運動模擬通常也是基于裝配約束的。Inventor 的裝配模型中每添加一個裝配約束，系統(tǒng)內(nèi)部就會自動地為這個約束賦予一個變量以指定被約束零部件相互之間偏移的距離，而且這個變量可以用Inventor 的內(nèi)部函數(shù)與其他變量建立關(guān)系，并在驅(qū)動約束主變量時實現(xiàn)聯(lián)動，為實現(xiàn)復(fù)雜的模擬運動帶來了可能。在Inventor 的變量中除了用“加減乘除”運算進(jìn)行關(guān)聯(lián)外，還可以用Sin、Cos 等復(fù)雜函數(shù)建立相互間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，通過一定范圍的步驟或距離驅(qū)動主變量，就能模擬機(jī)械運動。在此基礎(chǔ)上，利用接觸識別器、碰撞檢測等工具即可開展對完全和部分約束的系統(tǒng)的運動研究。

接觸集合也是一種裝配約束，許多機(jī)械裝置的運動方式是由一個零件移動并接觸到另一個零件，于是第二個零件隨之運動，或者移動零件接觸到另一個固定的零件時將停止移動。使用接觸識別器便可以實現(xiàn)這個功能。

進(jìn)行堆本體設(shè)備吊裝路徑優(yōu)化分析時，在堆本體總裝模型里添加一個小零件，定義其繞任意某個軸的旋轉(zhuǎn)約束作為主約束（相當(dāng)于自變量），然后將堆本體設(shè)備在存放架上的約束（相當(dāng)于因變量）與該主約束變量進(jìn)行函數(shù)關(guān)聯(lián)，定義吊裝路徑。通過驅(qū)動約束功能對主約束設(shè)置起始和終止位置，并將吊裝的設(shè)備與廠房其他可能與其干涉的設(shè)備添加到接觸集合，同時啟動“激活接觸識別器”，則在驅(qū)動約束運行時，吊裝設(shè)備將沿定義的路徑運動，并實時檢查與周圍設(shè)備的接觸情況。一旦檢測到有接觸現(xiàn)象發(fā)生，則驅(qū)動約束自動停止運行，此時可查看吊裝發(fā)生干涉時設(shè)備所處的具體位置，更改函數(shù)調(diào)整吊裝路徑并進(jìn)行再次仿真，最終得到優(yōu)化后的吊裝路徑。

2 堆本體設(shè)備吊裝路徑優(yōu)化

2.1 一體化頂蓋組件的吊裝路徑優(yōu)化

一體化頂蓋組件包括一體化堆頂組件、頂蓋組件等設(shè)備。當(dāng)反應(yīng)堆停堆換料時，一體化頂蓋組件從反應(yīng)堆壓力容器上方吊裝到一體化頂蓋存放架（IHP 存放架）上，吊裝前后的位置分別見圖1 和圖2 所示。

圖1 一體化頂蓋組件吊裝前布置示意圖

圖2 一體化頂蓋組件吊裝后布置示意圖

為了采用“驅(qū)動約束”功能進(jìn)行吊裝動態(tài)仿真，定義一體化頂蓋組件與IHP 存放架之間的裝配約束關(guān)系見表1 所示。

表1 一體化頂蓋組件的裝配約束關(guān)系

根據(jù)堆本體工藝布置圖可規(guī)劃一體化頂蓋組件初步吊裝路徑，如圖3 所示。該吊裝路徑一方面考慮使路線最短，以節(jié)約吊裝時間；另一方面也初步考慮了避免與其他設(shè)備發(fā)生干涉。其中，根據(jù)ALARA 原則，吊裝一體化頂蓋組件過程中離運行層的高度不應(yīng)超過3m，此處取為3m。

圖3 一體化頂蓋組件吊裝路徑示意圖

吊裝路徑仿真的過程如下：一體化頂蓋組件從位于堆上的初始位置沿圖3 規(guī)劃的路徑移動，到達(dá)存放架上方時按存放的角度進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，然后豎直下放并最終擱置在存放架上，在此過程中實時進(jìn)行接觸檢查以判斷其是否與廠房其他設(shè)備發(fā)生干涉。

根據(jù)以上吊裝過程，在堆本體布置裝配模型中添加一個參考圓柱零件，定義圓柱軸線繞廠房XZ 平面旋轉(zhuǎn)的角度約束，設(shè)置該約束為主約束，作為自變量，即相當(dāng)于實際吊裝操作時的時間概念。當(dāng)圓柱的角度約束值由0°不斷增大時，吊裝設(shè)備不斷地朝存放位置移動，直至吊裝完成。為實現(xiàn)該邏輯，將一體化頂蓋組件定義的裝配約束參數(shù)與圓柱的角度約束參數(shù)進(jìn)行函數(shù)關(guān)聯(lián)，并定義如下吊裝順序：參考圓柱的角度約束值由0°增大為360°時完成圖3-3 第一條直線段吊裝仿真；由360°增大為720°時完成圖3 第二條直線段吊裝仿真；由720°增大為1080°時完成吊裝旋轉(zhuǎn)仿真；由1080°增大為1440°時完成一體化頂蓋組件下放仿真。據(jù)此定義如下用戶參數(shù)用以判斷仿真處于哪個階段。

表2 吊裝路徑仿真指示參數(shù)

參數(shù)S1、S2、S3和S4使用Sign 函數(shù)表達(dá)式。Sign（expr）中當(dāng)expr 為負(fù)或0 時則返回0，如果為正則返回1。

根據(jù)以上自定義參數(shù)及結(jié)合圖3 的吊裝路徑，可得一體化頂蓋組件裝配約束的表達(dá)式如表3 所示。

表3 吊裝操作裝配約束

對裝配約束Y1的函數(shù)表達(dá)式進(jìn)行驗證，見表4 所示。從驗證結(jié)果可知滿足吊裝路徑要求，其余裝配約束也可類推。

表4 裝配約束Y1函數(shù)表達(dá)式的驗證

定義了一體化頂蓋組件裝配約束的函數(shù)表達(dá)式后，對參考圓柱的旋轉(zhuǎn)約束進(jìn)行驅(qū)動約束，如圖4 所示，一體化頂蓋組件則按定義的吊裝路徑進(jìn)行動態(tài)仿真。

圖4 驅(qū)動約束操作界面

當(dāng)仿真到150°時，軟件提示發(fā)生干涉，無法進(jìn)行下一步求解。具體干涉位置如圖5 所示。該提示是由于頂蓋上的導(dǎo)向套筒與SG 廠房立面墻發(fā)生干涉而產(chǎn)生的。因此調(diào)整吊裝路徑如圖6 所示。

圖5 一體化頂蓋組件與SG廠房干涉示意圖

圖6 吊裝路徑干涉與調(diào)整示意圖

根據(jù)圖6 所示的吊裝路徑重新定義各裝配約束的函數(shù)表達(dá)式，并再次進(jìn)行仿真，軟件無干涉提示，即調(diào)整后的路徑在吊裝時不會發(fā)生干涉。由此完成了一體化頂蓋組件的吊裝路徑優(yōu)化。

2.2 上部堆內(nèi)構(gòu)件的吊裝路徑優(yōu)化

上部堆內(nèi)構(gòu)件通過堆內(nèi)構(gòu)件吊具從堆芯吊裝到上部堆內(nèi)構(gòu)件存放架上。吊裝前后的位置見圖7 所示。

圖7 上部堆內(nèi)構(gòu)件吊裝前后布置圖

為進(jìn)行吊裝路徑仿真，與一體化頂蓋組件類似，定義上部堆內(nèi)構(gòu)件與存放架之間的裝配約束見表5。

表5 上部堆內(nèi)構(gòu)件的裝配約束關(guān)系

根據(jù)堆本體工藝布置圖規(guī)劃上部堆內(nèi)構(gòu)件初步吊裝路徑，如圖8 所示。

圖8 上部堆內(nèi)構(gòu)件吊裝路徑示意圖

吊裝路徑仿真過程如下：上部堆內(nèi)構(gòu)件從位于堆芯的初始位置沿圖8 規(guī)劃的路徑移動，到達(dá)存放架上方時按存放的角度進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，然后豎直下放并最終擱置在存放架上，在此過程中實時進(jìn)行接觸檢查以判斷其是否與廠房其他設(shè)備發(fā)生干涉。

根據(jù)以上吊裝過程，結(jié)合之前已定義的參考圓柱角度約束定義如下吊裝順序：參考圓柱的角度約束值由0°增大為360°時完成圖3-8 直線段吊裝仿真；由360°增大為720°時完成在存放架上方時的旋轉(zhuǎn)仿真；由720°增大為1080°時完成上部堆內(nèi)構(gòu)件下放過程仿真。據(jù)此需使用表2 定義的用戶參數(shù)K、S1、S2和S3。

根據(jù)自定義參數(shù)及結(jié)合圖3-圖8 的吊裝路徑，可得上部堆內(nèi)構(gòu)件裝配約束的表達(dá)式如表6 所示。

表6 吊裝操作裝配約束

定義了上部堆內(nèi)構(gòu)件裝配約束的函數(shù)表達(dá)式后，對參考圓柱的旋轉(zhuǎn)約束進(jìn)行驅(qū)動約束，如圖9 所示，上部堆內(nèi)構(gòu)件則按定義的吊裝路徑進(jìn)行動態(tài)仿真。

圖9 驅(qū)動約束操作界面

當(dāng)仿真到120°時，軟件提示發(fā)生干涉，無法進(jìn)行下一步求解。具體干涉位置如圖10 所示。該提示是由于堆內(nèi)構(gòu)件吊具上的導(dǎo)向套筒與換料水池水閘門立面墻發(fā)生干涉而產(chǎn)生的。

圖10 堆內(nèi)構(gòu)件吊具與換料水池水閘門干涉示意圖

堆內(nèi)構(gòu)件吊具在90°和270°方位上分別設(shè)置了一個導(dǎo)向套筒，由于上部堆內(nèi)構(gòu)件沿斜向上的路徑吊裝，因此導(dǎo)致導(dǎo)向套筒與上側(cè)水閘門干涉。為避免發(fā)生干涉且為吊裝留有一定自由空間，開始吊裝時先整體逆時針旋轉(zhuǎn)90°，然后再按照之前的路徑進(jìn)行吊裝。根據(jù)調(diào)整后的吊裝順序再次進(jìn)行仿真，軟件無干涉提示，即吊裝過程調(diào)整后不會發(fā)生干涉。由此完成了上部堆內(nèi)構(gòu)件的吊裝路徑優(yōu)化。

2.3 下部堆內(nèi)構(gòu)件的吊裝路徑優(yōu)化

下部堆內(nèi)構(gòu)件通過堆內(nèi)構(gòu)件吊具從堆芯吊裝到下部堆內(nèi)構(gòu)件存放架上。吊裝前后的位置見圖11 所示。

圖11 下部堆內(nèi)構(gòu)件吊裝前后布置圖

為進(jìn)行吊裝路徑仿真，與上部堆內(nèi)構(gòu)件類似，先定義下部堆內(nèi)構(gòu)件與存放架之間的裝配約束見表7。

表7 上部堆內(nèi)構(gòu)件的裝配約束關(guān)系

根據(jù)堆本體工藝布置圖規(guī)劃下部堆內(nèi)構(gòu)件初步吊裝路徑，如圖12 所示。

圖12 下部堆內(nèi)構(gòu)件吊裝路徑示意圖

吊裝路徑仿真過程如下：下部堆內(nèi)構(gòu)件從位于堆芯的初始位置沿圖12 規(guī)劃的路徑移動，到達(dá)存放架上方時按存放的角度進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，然后豎直下放并最終擱置在存放架上，在此過程中實時進(jìn)行接觸檢查以判斷其是否與廠房其他設(shè)備發(fā)生干涉。

根據(jù)以上吊裝過程，結(jié)合之前已定義的參考圓柱角度約束定義如下吊裝順序：參考圓柱的角度約束值由0°增大為360°時完成圖12 直線段吊裝仿真；由360°增大為720°時完成在存放架上方時的旋轉(zhuǎn)仿真；由720°增大為1080°時完成下部堆內(nèi)構(gòu)件下放過程仿真。據(jù)此需使用表2 定義的用戶參數(shù)K、S1、S2和S3。

根據(jù)自定義參數(shù)及結(jié)合圖12 的吊裝路徑，可得下部堆內(nèi)構(gòu)件裝配約束的表達(dá)式如表8 所示。

表8 吊裝操作裝配約束

定義了下部堆內(nèi)構(gòu)件裝配約束的函數(shù)表達(dá)式后，對參考圓柱的旋轉(zhuǎn)約束進(jìn)行驅(qū)動約束，如圖13 所示，下部堆內(nèi)構(gòu)件則按定義的吊裝路徑進(jìn)行動態(tài)仿真。

圖13 驅(qū)動約束操作界面

仿真過程中軟件并未提示發(fā)生干涉，即該吊裝路徑理論可行。但觀察仿真過程，在吊裝到水閘門處時，下部堆內(nèi)構(gòu)件與水閘門距離過近，見圖14 所示。該距離會影響設(shè)備的吊裝安全，因此將吊裝路徑調(diào)整為如圖15 所示。由此完成了下部堆內(nèi)構(gòu)件的吊裝路徑優(yōu)化。

圖14 下部堆內(nèi)構(gòu)件與水閘門接近時的示意圖

圖15 優(yōu)化后的吊裝路徑

3 結(jié)語

堆本體設(shè)備的吊裝操作是反應(yīng)堆停堆換料階段的一個必須環(huán)節(jié)。在完成堆本體設(shè)備三維布置建模后，借助Inventor 軟件的驅(qū)動約束功能，對規(guī)劃的吊裝路徑進(jìn)行動態(tài)仿真，并實時檢查與廠房和其他設(shè)備的干涉現(xiàn)象，從而驗證了規(guī)劃路徑的可行性與合理性，為現(xiàn)場的真實吊裝操作提供了理論指導(dǎo)。