反應(yīng)堆三維協(xié)同設(shè)計(jì)平臺單一數(shù)據(jù)源設(shè)計(jì)模式分析

陳訓(xùn)剛　莫錦濤　方浩宇　李浩　劉佳　鄭浩　余志偉　羅英

摘? 要：反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)內(nèi)部接口復(fù)雜，同時(shí)與堆芯物理、一回路系統(tǒng)、核儀器儀表、燃料組件、熱工水力、力學(xué)分析等專業(yè)具有大量外部接口。目前以文檔交付物為核心的設(shè)計(jì)模式中，不同文檔交付物均可作為工作依據(jù)，而各文檔交付物之間未形成數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，可能形成多個(gè)數(shù)據(jù)源，從而造成數(shù)據(jù)沖突，導(dǎo)致設(shè)計(jì)差錯。因此，反應(yīng)堆三維協(xié)同設(shè)計(jì)平臺的重要目的之一就是實(shí)現(xiàn)單一數(shù)據(jù)源，保證設(shè)計(jì)正確。文章對反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)三維協(xié)同設(shè)計(jì)平臺現(xiàn)階段的三維骨架接口、三維模型與二維圖紙關(guān)聯(lián)以及三維模型與仿真模型之間關(guān)聯(lián)三個(gè)方面的以三維模型為核心的單一數(shù)據(jù)源設(shè)計(jì)模式進(jìn)行了梳理，并分析了其局限性，提出三維模型與文檔數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)和仿真模型版本管理的需求，為后續(xù)反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)三維協(xié)同設(shè)計(jì)平臺的建設(shè)和完善提供參考。

關(guān)鍵詞：反應(yīng)堆結(jié)構(gòu);三維協(xié)同;單一數(shù)據(jù)源;設(shè)計(jì)模式

中圖分類號：TL371? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)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(yīng)堆結(jié)構(gòu)復(fù)雜，包含反應(yīng)堆壓力容器、反應(yīng)堆壓力容器輻照監(jiān)督管、反應(yīng)堆壓力容器保溫層、控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)、反應(yīng)堆堆頂結(jié)構(gòu)、堆內(nèi)構(gòu)件、反應(yīng)堆支承及一次屏蔽結(jié)構(gòu)等;所涉及專業(yè)包含反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)、反應(yīng)堆壓力容器設(shè)計(jì)、換料工藝、控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、堆內(nèi)構(gòu)件設(shè)計(jì)、反應(yīng)堆支承及一次屏蔽設(shè)計(jì)等。反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)專業(yè)內(nèi)部接口復(fù)雜，同時(shí)與堆芯物理、一回路系統(tǒng)、核儀器儀表、燃料組件、熱工水力、力學(xué)分析等專業(yè)具有大量外部接口。

反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)內(nèi)、外部協(xié)同主要依靠接口單、聯(lián)系單等表單形式。主要不足之處表現(xiàn)在：效率低，流程長，表述不直觀，難以保證表單內(nèi)容的時(shí)效性等。目前以文檔交付物為核心的設(shè)計(jì)模式中，不同文檔交付物均可作為工作依據(jù)，而各文檔交付物之間未形成數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，可能形成多個(gè)數(shù)據(jù)源，從而造成數(shù)據(jù)沖突，導(dǎo)致設(shè)計(jì)差錯。

為了提高我國反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能力，提升反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)三維協(xié)同設(shè)計(jì)能力和自動化、智能化水平。在新的歷史時(shí)期，搭建反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)三維協(xié)同設(shè)計(jì)平臺，實(shí)現(xiàn)基于全三維模型的核動力設(shè)備、系統(tǒng)各專業(yè)協(xié)同數(shù)字化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)過程中資源、數(shù)據(jù)、流程的緊密集成，實(shí)現(xiàn)反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的數(shù)字化、集成化與協(xié)同化，最終提高反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)效率及系統(tǒng)的整體性能，提高研發(fā)與運(yùn)行效率就成為了反應(yīng)堆設(shè)計(jì)發(fā)展的重要目標(biāo)[1-5]。而如何借助平臺技術(shù)優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)反應(yīng)堆三維協(xié)同設(shè)計(jì)平臺單一數(shù)據(jù)源設(shè)計(jì)模式，保證設(shè)計(jì)正確、高效也就構(gòu)成了反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能力提升的重要方面[6-8]。

現(xiàn)有的反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)三維協(xié)同設(shè)計(jì)平臺基于成熟的商用PLM軟件在現(xiàn)階段的三維骨架接口、三維模型與二維圖紙關(guān)聯(lián)以及三維模型與仿真模型之間關(guān)聯(lián)三個(gè)方面基本實(shí)現(xiàn)了以三維模型為核心的單一數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，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(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)的需求，為后續(xù)反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)三維協(xié)同設(shè)計(jì)平臺的建設(shè)和完善提供參考。

2 反應(yīng)堆三維協(xié)同設(shè)計(jì)平臺現(xiàn)狀

反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)協(xié)同設(shè)計(jì)子系統(tǒng)采用基于“三維模型”為主數(shù)據(jù)的“自頂向下”與“自底向上”相結(jié)合的設(shè)計(jì)模式， 系統(tǒng)設(shè)計(jì)內(nèi)容涵蓋了數(shù)據(jù)對象、訪問規(guī)則、工作流程、開發(fā)定制等。目標(biāo)是以“模型”為語言在反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)專業(yè)內(nèi)、外實(shí)現(xiàn)溝通“0”障礙;實(shí)現(xiàn)反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)三維協(xié)同設(shè)計(jì)、分析、驗(yàn)證，打通專業(yè)內(nèi)部的數(shù)據(jù)流、業(yè)務(wù)流，并實(shí)現(xiàn)與力學(xué)、熱工水力、物理等專業(yè)的外部協(xié)同。

現(xiàn)有的反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)三維協(xié)同設(shè)計(jì)平臺基于成熟的商用PLM軟件在現(xiàn)階段的三維骨架接口、三維模型與二維圖紙關(guān)聯(lián)以及三維模型與仿真模型之間關(guān)聯(lián)三個(gè)方面基本實(shí)現(xiàn)了以三維模型為核心的單一數(shù)據(jù)源。如圖1。

2.1 骨架接口

反應(yīng)堆單位結(jié)構(gòu)協(xié)同設(shè)計(jì)平臺 “自頂向下”設(shè)計(jì)依靠建立骨架模型來實(shí)現(xiàn)。這種方法是從產(chǎn)品構(gòu)成的最頂層開始，把組成整機(jī)的部（組）件作為系統(tǒng)的一個(gè)零件來考慮，并根據(jù)其在產(chǎn)品中的相互位置關(guān)系、所起的作用和實(shí)現(xiàn)功能等建立產(chǎn)品構(gòu)成的二維布局和三維骨架圖形。通過給定設(shè)計(jì)約束條件、關(guān)鍵的設(shè)計(jì)參數(shù)等設(shè)計(jì)信息，集中地捕捉產(chǎn)品整機(jī)設(shè)計(jì)意圖，自上而下地傳遞所給的設(shè)計(jì)信息。同時(shí)通過骨架模型將總體設(shè)計(jì)參數(shù)傳遞到下游零件，保證裝配模型和零件設(shè)計(jì)完全雙向相關(guān)同步，并且通過數(shù)據(jù)訪問權(quán)限和BOM結(jié)構(gòu)版本規(guī)則的合理定義，確保協(xié)同設(shè)計(jì)過程中不同科室之間可以相互參考最新設(shè)計(jì)結(jié)果。

設(shè)計(jì)過程中，組件與組件之間的接口不再是傳統(tǒng)的接口單文檔，而是用骨架模型來對接口信息進(jìn)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(jìn)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(shí)現(xiàn)了草圖參數(shù)化和草圖與三維模型的動態(tài)關(guān)聯(lián)，因此可以直接通過改變骨架形狀和參數(shù)來驅(qū)動三維模型。通過流程對骨架接口數(shù)據(jù)訪問權(quán)限進(jìn)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(guān)聯(lián)

現(xiàn)階段，由于制造廠還無法實(shí)現(xiàn)基于三維模型的加工制造，設(shè)計(jì)部門與制造廠之間還是通過二維圖紙來交互設(shè)計(jì)信息。二維工程圖轉(zhuǎn)換功能在三維建模軟件中已經(jīng)取得了較為成熟的引用，基本可以實(shí)現(xiàn)三維模型的結(jié)構(gòu)尺寸、比例等變更能及時(shí)動態(tài)地反映到二維圖紙，且圖紙標(biāo)注信息也與三維模型實(shí)際尺寸保持一致。

2.3 三維結(jié)構(gòu)模型與仿真模型之間的關(guān)聯(lián)

三維結(jié)構(gòu)協(xié)同設(shè)計(jì)平臺打通三維結(jié)構(gòu)模型和仿真模型之間的接口，建立結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與性能仿真的協(xié)同設(shè)計(jì)流程，使結(jié)構(gòu)模型與仿真模型之間形成自動化的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)， 完成仿真計(jì)算模塊與三維協(xié)同設(shè)計(jì)平臺的集成，在設(shè)計(jì)過程中實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)專業(yè)與仿真專業(yè)之間的雙向反饋，提高設(shè)計(jì)效率并提前發(fā)現(xiàn)問題。建立結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真分析之間設(shè)計(jì)流程，建立三維結(jié)構(gòu)模型與仿真模型之間的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)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(jì)算結(jié)果，返回新的仿真評估分析和優(yōu)化建議，形成結(jié)構(gòu)仿真迭代的閉環(huán)。如圖3。

3 反應(yīng)堆三維協(xié)同設(shè)計(jì)平臺局限性

3.1 三維模型與文檔交付物關(guān)聯(lián)

現(xiàn)有設(shè)計(jì)模式以文檔交付物為核心，從項(xiàng)目管理、設(shè)計(jì)管理到數(shù)據(jù)管理均以文檔交付物為準(zhǔn)。一般文檔交付物包括技術(shù)文件、接口信息單、設(shè)計(jì)變更單、技術(shù)聯(lián)系單等。技術(shù)文檔中往往會涉及與三維模型相關(guān)的數(shù)據(jù)信息。這些數(shù)據(jù)可以是三維結(jié)構(gòu)原始尺寸信息，例如反應(yīng)堆壓力容器內(nèi)徑、反應(yīng)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(shù)據(jù)在相應(yīng)的技術(shù)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(dǎo)致目前無法從根本上建立以三維模型為中心的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，也就無法從根本上消除多個(gè)數(shù)據(jù)源的問題。如圖4。

3.2 仿真模型版本管理

目前反應(yīng)堆三維結(jié)構(gòu)協(xié)同設(shè)計(jì)平臺已經(jīng)初步建立三維結(jié)構(gòu)模型與仿真模型之間的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)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(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)在模型局部網(wǎng)格劃分，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)改變后的適應(yīng)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(chǎn)生大量的過程數(shù)據(jù)， 最終導(dǎo)致仿真模型存在多個(gè)版本，增加了版本管理上的難度。目前，西門子等公司的PLM產(chǎn)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(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)需求

反應(yīng)堆三維結(jié)構(gòu)協(xié)同設(shè)計(jì)平臺單一數(shù)據(jù)源的基礎(chǔ)是建立以三維模型為核心的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)。即在反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)三維協(xié)同設(shè)計(jì)平臺中建立基于三維模型的元數(shù)據(jù)， 以元數(shù)據(jù)為設(shè)計(jì)信息的源頭， 具有最高優(yōu)先等級，將技術(shù)文件等作為元數(shù)據(jù)的衍生數(shù)據(jù)，衍生數(shù)據(jù)的修改必須從元數(shù)據(jù)的修改開始，元數(shù)據(jù)的修改也必須傳遞到衍生數(shù)據(jù)。對于設(shè)計(jì)變更應(yīng)建立閉環(huán)控制。

主要關(guān)聯(lián)關(guān)系包括四個(gè)方面，三維骨架接口、三維模型與二維圖紙關(guān)聯(lián)、三維模型與仿真模型之間關(guān)聯(lián)以及三維模型與文檔交付物關(guān)聯(lián)。其中前三個(gè)方面基于成熟的PLM以及三維建模軟件已經(jīng)初步實(shí)現(xiàn)相關(guān)功能。三維模型與文檔交付物關(guān)聯(lián)還需要進(jìn)一步定制開發(fā)。具體需求如下：

實(shí)現(xiàn)從三維模型中獲取PMI（產(chǎn)品與制造信息）信息。配置NX與協(xié)同設(shè)計(jì)平臺的PMI提取接口，能夠提取三維模型的PMI標(biāo)注信息，并形成結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)存儲在協(xié)同設(shè)計(jì)平臺中。通過開發(fā)實(shí)現(xiàn)將存儲在協(xié)同設(shè)計(jì)平臺中的結(jié)構(gòu)化PMI數(shù)據(jù)輸出為表單附件，并可以在PMI變更后更新。

允許對PMI數(shù)據(jù)進(jìn)行程序化加工和再加工，自動生成新的接口數(shù)據(jù)，如水容積、浸潤面積等，供后續(xù)文件調(diào)用。

支持利用協(xié)同設(shè)計(jì)平臺中的結(jié)構(gòu)化PMI數(shù)據(jù)生成技術(shù)文件、接口單等文檔，并在PMI信息發(fā)生變更后可快速更新或重新生成文檔文件，保證文檔數(shù)據(jù)與三維模型一致。

目前，西門子等公司的PLM產(chǎn)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(shí)不予討論。

5 結(jié)束語

現(xiàn)有的反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)三維協(xié)同設(shè)計(jì)平臺基于成熟的商用PLM軟件在現(xiàn)階段的三維骨架接口、三維模型與二維圖紙關(guān)聯(lián)以及三維模型與仿真模型之間關(guān)聯(lián)三個(gè)方面基本實(shí)現(xiàn)了以三維模型為核心的單一數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，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(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)提出了基本需求，包括實(shí)現(xiàn)從三維模型中獲取PMI（產(chǎn)品與制造信息）信息，允許對PMI數(shù)據(jù)進(jìn)行程序化加工和再加工，自動生成新的接口數(shù)據(jù)，支持利用協(xié)同設(shè)計(jì)平臺中的結(jié)構(gòu)化PMI數(shù)據(jù)生成技術(shù)文件、接口單等文檔等。為后續(xù)反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)三維協(xié)同設(shè)計(jì)平臺的建設(shè)和完善提供參考

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