基于Pro/E 核設(shè)施退役工器具建模方法探究

徐琳

（中核四川環(huán)保工程有限責(zé)任公司，四川 廣元628000）

1 概述

核設(shè)施在運(yùn)行過程中會(huì)被放射性污染和活化，場(chǎng)地、設(shè)備有放射性污染，退役工程可能出現(xiàn)不可預(yù)見的問題。[1]目前，世界各國都在針對(duì)于核設(shè)施退役做相應(yīng)的科研開發(fā)，開發(fā)了許多行之有效的退役治理技術(shù)，其中核設(shè)施退役虛擬仿真技術(shù)研究頗受關(guān)注，許多國家甚至開發(fā)了核設(shè)施退役仿真平臺(tái)，為退役前的準(zhǔn)備工作提供技術(shù)和信息支持。在核行業(yè)中，無論是申報(bào)核設(shè)施退役項(xiàng)目還是市場(chǎng)開發(fā)，都需要制定詳盡的退役方案。而退役核設(shè)施具有放射性，退役過程危險(xiǎn)且復(fù)雜[2]，不確定因素比較多，在這種情況下，基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的退役虛擬仿真系統(tǒng)就顯得尤為重要，它可以模擬退役實(shí)施過程，對(duì)退役技術(shù)方案和關(guān)鍵步驟進(jìn)行驗(yàn)證、評(píng)估和演練[3]，優(yōu)化退役方案，提高退役效率，減少無用功，降低人員所受劑量。但退役虛擬仿真系統(tǒng)涉及知識(shí)面廣，需要的專業(yè)技術(shù)人員多，一次性成功組建虛擬仿真系統(tǒng)較為困難，三維建模是虛擬仿真最基礎(chǔ)也是最關(guān)鍵的一步，因此本次將先就基于虛擬仿真的建模技術(shù)進(jìn)行探究，確定適合工器具建模的方法，為今后組建核退役仿真系統(tǒng)奠定基礎(chǔ)。

本次使用的建模軟件Pro/E 主要運(yùn)用于機(jī)械制圖，具有強(qiáng)大的參數(shù)化建模功能，曲面設(shè)計(jì)強(qiáng)，軟件運(yùn)行速度快，支持大型、復(fù)雜組合件建模，可分析結(jié)構(gòu)和熱特性，具有高級(jí)的渲染功能和三維可視化技術(shù)，可在后續(xù)更好地將模型運(yùn)用于虛擬仿真研究中。

2 工器具建模思路及其應(yīng)用

在對(duì)工器具進(jìn)行建模時(shí)，主要將建模思路分為三個(gè)大點(diǎn)：一是分析結(jié)構(gòu)，拆分實(shí)體；二是根據(jù)拆分，開展零件建模；三是按照原實(shí)體組合結(jié)構(gòu)，裝配零件，形成建模實(shí)體三維模型。為探究建模思路的正確性，運(yùn)用思路基于Pro/E 的參數(shù)化建模功能對(duì)圓盤鋸進(jìn)行建模。

2.1 分析結(jié)構(gòu)，拆分實(shí)體

根據(jù)圓盤鋸的實(shí)體（實(shí)體圖見圖1），分析出圓盤鋸大致可將其分為六個(gè)大部分組成，即圓盤鋸保護(hù)外殼、圓盤鋸圓盤、圓盤鋸液壓管線、圓盤鋸氣動(dòng)裝置、圓盤鋸把手、圓盤鋸握把與主體結(jié)構(gòu)。而后又將較為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)更為細(xì)致的劃分為一些比較細(xì)小的零件，如按鈕、螺母、墊圈等，進(jìn)入第二步零件建模。

2.2 根據(jù)拆分，開展零件建模

圖1 圓盤鋸實(shí)體特征圖

根據(jù)已經(jīng)拆分好的部分，順次開始零件建模，將圓盤鋸保護(hù)殼、把手、圓盤等已不能再細(xì)分的零件直接開始建模，其他部分則再次細(xì)分零件進(jìn)行組合式建?；騿为?dú)建模，最終裝配時(shí)再與其他零件整合。零件建模部分主要先從簡(jiǎn)單部分開始著手，如握把與主體結(jié)構(gòu)是將主體結(jié)構(gòu)模型先行創(chuàng)建后，在此基礎(chǔ)上創(chuàng)建完善握把三維模型，即先打好模型的基礎(chǔ)，創(chuàng)建有較多平滑截面的模型，在這種模型基礎(chǔ)上再進(jìn)行拉伸、旋轉(zhuǎn)等操作完善整個(gè)模型。需要注意切勿以圓曲面為基準(zhǔn)面進(jìn)行零件建模，按照建模規(guī)則來說，曲面無法進(jìn)行拉伸類操作，若曲面上有模型結(jié)構(gòu)需要?jiǎng)?chuàng)建，則需在曲面同側(cè)新建截面再進(jìn)行特征操作。

2.3 按照原實(shí)體組合結(jié)構(gòu)，裝配零件，形成建模實(shí)體三維模型

所有圓盤鋸零件三維模型均繪制完成后，按照拆分思路對(duì)照?qǐng)A盤鋸實(shí)體進(jìn)行逆向裝配即可得到圓盤鋸三維模型。裝配時(shí)需注意并不是所有零件在首次裝配時(shí)就能成功，還需針對(duì)具體裝配情況，返回第二步零件建模重新調(diào)整相關(guān)建模數(shù)據(jù)，而后再重新嘗試裝配。圓盤鋸是一個(gè)零件繁多的小型工器具，故在最后裝配時(shí)，會(huì)出現(xiàn)部分小型零件遺漏現(xiàn)象，此時(shí)也僅需按照數(shù)據(jù)補(bǔ)充構(gòu)建零件模型即可。若在零件建模中不容易找準(zhǔn)位置創(chuàng)建圓孔特征的，可在裝配階段，確定好最終圓孔位置后，通過裝配界面里的拉伸功能即可創(chuàng)建正確的圓孔特征。圓盤鋸三維模型及分解圖可見圖2，可根據(jù)圓盤鋸的分解圖更為詳細(xì)看出第一步中的拆分構(gòu)思。

圖2 圓盤鋸三維模型與分解圖

3 工器具特殊結(jié)構(gòu)零件建模問題、方法及其應(yīng)用

在進(jìn)行建模時(shí)，會(huì)出現(xiàn)很多因建模思路或方法不對(duì)而導(dǎo)致難以正確建模或建模效率低下的問題，故在本部分將列舉出工器具不同特殊結(jié)構(gòu)零件建模問題，并提出相應(yīng)的解決方案，用圓盤鋸的零件建模舉例。

3.1 復(fù)雜結(jié)構(gòu)外殼建模問題、方法及應(yīng)用

工器具外殼常常具有較為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)或?qū)哟?，在建模過程中會(huì)出現(xiàn)外殼的一些凸起類的特征結(jié)構(gòu)，無法正常繪制，或是在使用Pro/E 殼特征建模時(shí)，無法順利抽殼形成薄膜外殼為模型的情況發(fā)生。遇到此類問題，可先對(duì)工器具的外殼再次進(jìn)行結(jié)構(gòu)觀察，在原有的模型中拉伸出新的立體結(jié)構(gòu)進(jìn)行模型修改，而后對(duì)抽殼操作中設(shè)置的厚度以及模型各處的厚度進(jìn)行檢查，再次進(jìn)行抽殼操作，調(diào)整抽殼厚度小于模型里最小的厚度。以圓盤鋸保護(hù)殼建模為例，首先觀察圓盤鋸保護(hù)殼實(shí)體，分析結(jié)構(gòu)組成，其次根據(jù)結(jié)構(gòu)組成，選擇特征功能，構(gòu)建圓盤鋸實(shí)心模型結(jié)構(gòu)，再次檢查模型厚度，確定殼厚度后，抽殼形成初步圓盤鋸?fù)鈿つＰ?，最后結(jié)合實(shí)體，完善模型結(jié)構(gòu)，形成最終殼模型。圓盤鋸保護(hù)殼建模過程圖如圖3。

圖3 圓盤鋸保護(hù)殼建模過程圖

3.2 多層次組合零件建模問題、方法及應(yīng)用

在工器具建模過程中，常出現(xiàn)多層次組合的零件結(jié)構(gòu)，即在實(shí)體拼接時(shí)，通過焊接之類的連接方法將多個(gè)零件銜接成一個(gè)完整的零部件。所以在建模觀察實(shí)體圖時(shí)，會(huì)存在無法正確構(gòu)思建模思路或直接一次性對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)建模，常導(dǎo)致建模出錯(cuò)、重復(fù)建模、建模效率低下等問題。遇到此類問題，可先再次拆分多層次組合零件結(jié)構(gòu)，而后運(yùn)用Pro/E 特征功能疊加式建模，完成模型構(gòu)建。以圓盤鋸氣動(dòng)裝置建模為例，應(yīng)首先分析氣動(dòng)裝置實(shí)體，拆分建模，氣動(dòng)裝置分成三個(gè)部分建模，而后運(yùn)用Pro/E中的拉伸、倒圓角等功能疊加式建模，完成氣動(dòng)裝置模型構(gòu)建。由于第三層氣動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，故本部分僅展示第三層氣動(dòng)裝置建模過程圖，如圖4。

圖4 圓盤鋸第三層氣動(dòng)裝置建模過程圖

3.3 彎管類零件建模問題、方法及應(yīng)用

彎管類零件在大多數(shù)工器具中均屬于較為常見的結(jié)構(gòu)，每個(gè)工器具都有類似于握把的結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)有些較為簡(jiǎn)單，有些則較為復(fù)雜。在本部分所說的彎管類零件主要針對(duì)于工器具里的一些較為復(fù)雜的握把部分，復(fù)雜的點(diǎn)并不是由于簡(jiǎn)單的彎曲，而是彎曲的部分通常不在同一平面，整體的零件結(jié)構(gòu)是一個(gè)在立體空間進(jìn)行彎曲折疊的管線結(jié)構(gòu)，這對(duì)于建模而言常常很難找到頭緒，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)由于不知道如何繪制模型，直接將管線繪制到同一截面，或者是繪制的彎曲方向存在巨大問題。遇到此類問題，可首先觀察零件實(shí)體，弄清空間彎曲部分，而后運(yùn)用Pro/E 多次創(chuàng)建截面實(shí)現(xiàn)管線的空間彎曲建模。以圓盤鋸把手建模為例，首先觀察圓盤鋸把手實(shí)體，可知需構(gòu)建兩個(gè)平面，故運(yùn)用Pro/E 順次構(gòu)建平面并運(yùn)用掃描特征繪制圓盤鋸把手三維模型。如圖5。

圖5 圓盤鋸把手建模過程圖

3.4 變徑類零件建模問題、方法及應(yīng)用

在工器具建模過程中，會(huì)出現(xiàn)一些并不是一直統(tǒng)一直徑的零件結(jié)構(gòu)，對(duì)于一些較為簡(jiǎn)單的變徑問題直接采用相應(yīng)的特征建模功能即可達(dá)到目標(biāo)，而某一些復(fù)雜的變徑類零件就會(huì)出現(xiàn)無法創(chuàng)建零件模型或是創(chuàng)建的零件模型出現(xiàn)圖形扭曲的情況發(fā)生。遇到此類問題，可首先觀察圓盤鋸握把實(shí)體構(gòu)造，確定建模方法，構(gòu)建三維模型，較為簡(jiǎn)單的變徑直接采用Pro/E 混合掃描特征功能即可實(shí)現(xiàn)，較為復(fù)雜的復(fù)合變徑工器具零件則可根據(jù)變徑工器具零件的具體情況，分階段對(duì)零件進(jìn)行建模操作。以圓盤鋸握把建模為例，應(yīng)觀察圓盤鋸握把實(shí)體構(gòu)造，根據(jù)構(gòu)造將圓盤鋸握把分成三部分展開建模，并在第一段和第三段采取Pro/E 普通的掃描特征功能繪制模型，第二段采用混合掃描繪制變徑模型，完成握把建模，如圖6。

圖6 圓盤鋸握把建模過程圖

3.5 具有重復(fù)結(jié)構(gòu)的零件建模問題、方法及應(yīng)用

重復(fù)結(jié)構(gòu)，不僅僅是在工器具中經(jīng)常遇見，在平常的其他實(shí)體建模也會(huì)比較多出現(xiàn)。在此類零件建模時(shí)常會(huì)出現(xiàn)直接一次性在零件上進(jìn)行建模，漏掉零件特征或效率低下的問題。遇到此類問題，可分析零件特征，選擇建模方法。如果零件僅僅只有三四個(gè)重復(fù)零件特征，利用拉伸等功能可快速完成；如果零件重復(fù)的零件特征居多，可根據(jù)相應(yīng)的情況運(yùn)用拉伸、陣列、鏡像等功能相結(jié)合來構(gòu)建零件特征。以圓盤鋸圓盤建模為例，應(yīng)分析圓盤鋸圓盤實(shí)體特征，確定建模方法，完成模型繪制。由于圓盤并不是簡(jiǎn)單的對(duì)稱類零件，其零件特征重復(fù)已超過五個(gè)以上且特征完全相同，因此此時(shí)應(yīng)考慮先用拉伸構(gòu)建其中一個(gè)重復(fù)特征，而后以此特征作為模型基礎(chǔ)，對(duì)模型進(jìn)行陣列特征建模，完成圓盤鋸齒部分特征構(gòu)建。但在此之前，需首先通過拉伸功能構(gòu)建圓盤的基礎(chǔ)模型，否則后續(xù)重復(fù)特征將無法構(gòu)建。如圖7。

圖7 圓盤鋸圓盤建模過程圖

4 探究結(jié)果

本文首先根據(jù)提出的工器具建模思路及方法，運(yùn)用Pro/E的參數(shù)化建模功能對(duì)圓盤鋸開展建模，探究出工器具建模可用的三步拆分建模思路，將復(fù)雜的工器具結(jié)構(gòu)拆分為有限個(gè)零件進(jìn)行建模，并最后根據(jù)拆分思路重組零件模型形成最終工器具三維模型，相比于整體建模法，提高了建模效率，降低了工器具建模的難度。其次，將工器具中的復(fù)雜結(jié)構(gòu)外殼、多層次組合零件、彎管類零件、變徑類零件、具有重復(fù)結(jié)構(gòu)的零件等五種情況的零件建模進(jìn)行問題分析，針對(duì)于不同特殊零件特征具體問題具體分析，指出相應(yīng)的疑難點(diǎn)，隨后提出再次拆分疊加建模、多次創(chuàng)建截面建模、分階段零件建模等方法，并通過對(duì)圓盤鋸保護(hù)殼、氣動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)、把手、握把和圓盤等相對(duì)應(yīng)特征的特殊結(jié)構(gòu)零件建模，證明解決方法的可適用性和正確性，可用于解決建模人員在工器具建模過程中的相關(guān)建模難題。

5 結(jié)論

綜上，通過提出Pro/E 構(gòu)建核設(shè)施退役工器具三維模型的方法及思路，并將其應(yīng)用于圓盤鋸建模，驗(yàn)證了方法和思路的適用性，同時(shí)提煉出工器具特殊零件常遇建模問題和解決方法，用圓盤鋸部分零件建模進(jìn)行示范舉例，對(duì)開展同類型工器具三維建模具有一定指導(dǎo)意義，為后續(xù)開展虛擬仿真研究提供了技術(shù)支撐。本次探究出的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)方法僅僅是基于核設(shè)施退役工器具類的建模，而退役中還需對(duì)廠房、管路展開建模，才能在后續(xù)運(yùn)用虛擬仿真中的其他技術(shù)，模擬出退役真實(shí)場(chǎng)景，規(guī)劃正確的退役路線。這說明在下一步還需要繼續(xù)開展其他類型的建模技術(shù)探究，拓展建模思路和方法，才能更為嫻熟將三維建模應(yīng)用于退役虛擬仿真中，順利進(jìn)入虛擬仿真的下一環(huán)節(jié)，使三維建模更好發(fā)揮效用。