★北京广利核系统工程有限公司刘兆峰，史英斌，刘永亮，陈卫

摘要：轻量化新材料目前在汽车、航天等工业领域的研究和应用取得了前所未有的发展，通过采用新材料实现产品的轻量化、保证产品的高可靠性成为当前技术的发展趋势。高强度钢、铝镁合金、工程塑料、碳纤维等复合材料在不同的领域逐渐对传统材料进行替代均有成功的案例，实现新材料的规模化应用除了受到材料本身性能的制约，以及各行业对产品功能的需求的多样性制约外，还会有经济性的考量。作为核电站的中枢神经，核电DCS（数字化仪控系统）机柜也有轻量化和产品高可靠性双重需求，因此有必要开展此领域的研究。本研究一方面通过对不同行业成熟的功能材料进行调研，探讨了材料在核电工控领域的应用；另一方面通过设定目标产品需求，对汽车航空航天轻量化新材料的应用情况进行调研，选定了可应用于安全级机柜的新材料。本研究将新材料产品形态与先进的拓扑优化技术相结合，开展了机柜主承载结构设计和制造性分析，为新材料在核电机柜领域的应用提供了保障。

关键词：轻量化；新材料；核电；DCS机柜；抗震；拓扑优化

新材料具有密度小、力学性能优等特点，在汽车、航天等领域采用新材料进行产品的轻量化设计是当前的技术发展趋势，如高强度钢、铝镁合金、复合材料等均有成功应用案例^[1-3]。但新材料能否应用在工控领域和核电仪控领域，目前还没有相关的研究。轻量化新材料应用在核电DCS机柜需要解决以下几个问题：（1）核电DCS机柜的轻量化需求；（2）新材料的选型问题；（3）基于新材料的物理形态及属性，什么样的结构能具备良好的结构性能；（4）轻量化新材料的设计工艺性问题。本文从核安全级机柜的需求出发，梳理了安全级机柜的关键性能指标，并对在汽车、航空行业及工控领域成熟应用的轻量化新材料进行了调研、分析，明确了新材料筛选原则。本研究一方面基于新材料的形态，研究了轻量化新材料应用的技术路径，并通过优化技术研究为新材料应用提供了技术支撑；另一方面基于选定的新材料，开展了机柜结构设计和制造性分析，为新材料在核电机柜领域的应用提供了保障。

1　轻量化机柜需求分析

某核电项目对机柜提出了轻量化需求，目前通过结构优化、减薄材料厚度、降低机柜抗震包络性等方式实现了项目重量指标要求，但距离市场轻量化机柜指标仍存在差距。我们在解决安全级机柜轻量化的过程中发现，因普通碳素结构钢材料自身力学性能限制，通过结构设计进行减重，导致结构形式较复杂，虽然降低了材料成本，但提高了加工成本。该机柜设计虽然达到了基于该材料的减重极限，但仍未满足市场未来潜在要求。

核电安全级机柜一般要求如下：

（1）机械：满足电子设备的安装要求，刚度强度好，同时考虑结构的加工工艺及周期经济性。

（2）质量：满足体积和承载量的限制需求下尽可能轻。

（3）结构动力性能：避开外载荷激励峰值频带。

（4）功能需求：抗地震、抗振动、抗冲击、抗碰撞等指标。

目前安全级机柜主要通过Q235B材料，采用镀锌喷漆技术，保证外观以及防护要求，并通过结构设计来实现抗震、电磁屏蔽等机柜性能指标，其中机柜抗震性能，采用大刚度结构设计方法来实现。机柜立柱采用双截面封闭式设计结构形式，可提高立柱各个方向的抗弯曲和抗扭转能力，以及提高整个机柜框架的模态频率，并可避开地震谱的峰值平台区，降低地震对机柜的作用，避免较高的地震响应对设备的损坏。

2　新材料选型

2.1　关键性能指标

机柜的固有频率公式如下：

在这个模型中，机柜自身频率只受重量和刚度的影响。机柜总质量越轻，对于刚度K恒定的情况下，机柜模态频率越高；在不存在负载的情况下，对于同种材料，降低材料厚度，不降低材料的刚度，也不会使整个结构的自身频率降低；在额定负载的情况下，机柜质量越轻，机柜模态频率越高。对于不同材料，则引入了新的质量和刚度，引起固有频率的变化。

机柜频率与抗震载荷的关系：

NBT20040推荐的组件抗震试验通用水平反应谱和垂直反应谱数据^[4]见表1，阻尼比为5%。由表1可见，水平固有频率在3Hz到10Hz之间时响应加速度会达到50m/s²，垂直固有频率在4Hz到15Hz之间时响应加速度会达到40m/s²，地震动X、Y、Z方向综合加速度是三向SRSS合成加速度，其数值会更大。SRSS法，即平方和开平方的数学计算方法。

表1  组件抗震试验通用反应谱

核电设备安全破坏形式：地震响应加速度太大，设备会因为加速过大，引起功能失效或破坏；加速度响应大，机柜主承载部件承受较大的载荷，会引起主承载结构超过材料强度极限而被破坏失效。因此更换材料时，需要对应不同的材料屈服强度、抗拉强度等应力信息。在工程应用中通常用比刚度、比强度表征材料在固有频率和承载能力的评价参数指标，分别是弹性模量与密度的比值和屈服强度与密度的比值。

2.2　新材料筛选

对比现有安全级机柜的主要材料，即普通碳素结构钢Q235B，新材料的密度和力学性能应更加优异，故形成新材料初筛原则见表2。

表2  新材料筛选原则

依据筛选原则，广泛开展对力学性能好、密度低、其它行业已成熟应用的新材料（如高强度钢、钛合金、铝合金、镁合金、碳纤维、高强度塑料等）的调研工作，完成材料初筛。

通过新材料调研，结合行业应用案例，初步形成了可用新材料密度、力学性能及原材料成本的对照表，见表3。

表3  材料信息对照表

形成轻量化安全级机柜可用材料清单见表4。

表4  轻量化新材料清单

3  新材料结构形态及应用

3.1　高强度钢的结构形态及应用

高强度钢在结构形态上与Q235B基本没有差别，只是在材料成形过程中需要更大的折弯力等工艺参数的变化。高强度钢具备更好的强度性能、更高的屈服强度和抗拉强度，使得结构不被破坏，提高了结构的安全性。高强度钢应用在对强度要求比较高的部位，具有很好的抗变形能力，适宜整体框架的结构以及应力集中部位的结构加强。相对于铝、镁和碳纤维等材料而言，钢材在原材料、生产、回收与循环再利用等阶段都比较环保，并且随着氢能冶炼、电炉生产、余热回收等绿色技术的推广和应用，钢铁材料全生命周期碳排放会继续降低^[5]。

3.2　铝合金的结构形态及应用

铝合金除了板件的结构形式，还有铸造成形和挤压型材的结构形式。其中板件可以应用在非承载构件，对于强度要求小于1mm钢板的情况，铝合金材料密度低，则可选用厚度更厚的板，以满足结构要求，达到减重效果。铝合金的铸造形式，可以铸造成任意形状的结构部件，与拓扑优化技术充分结合，可以生成强度刚度优化的结构形式。铝合金的挤压型材形式如图1所示，可挤压成型中空结构，在梁柱承载方面，可以设计成抗弯、抗扭刚度较好的结构形式，除了标准型材的选择，还能依据平面拓扑优化技术及尺寸优化技术进行型材的定制。铝合金适宜用在结构强度要求不高的位置，使用钢材料已经到最小厚度，无法再继续细分的应用场景。利用铝合金适宜铸造成型不同的形状便于与拓扑优化技术相结合设计成非标准构件产品。

图1  铝合金型材的截面示意图

3.3　碳纤维的结构形态及应用

碳纤维具有比强度高、比刚度高、耐腐蚀疲劳性能好、可设计性强等一系列优点^[6]。碳纤维具有单向优良的抗拉技术，可通过树脂的填充，以及不同方向铺层角度的变化，对各向异性的性能进行调整，以满足受力的需求。碳纤维最大应变1/1000时才发生破坏，可见整体结构变形量很小。

碳纤维结构还能设计成中空管、复杂腔、蜂窝型腔结构，与拓扑优化和尺寸优化相结合，从结构形式上实现轻量化。碳纤维还能与金属构件结合应用，充分发挥碳纤维在抗拉性能的优点，利用金属构件的动态力学性能优的优点，可进行相关产品构件的设计开发。碳纤维结构精细、研制成本高、工艺复杂、周期长，需要借助CAE等有限元分析技术。

4　轻量化新材料结构的优化技术

目前支撑轻量化新材料应用的优化技术有拓扑优化、形貌优化和尺寸优化技术^[7-11]。

拓扑优化的目的是寻求结构刚度的最佳分布形式或寻求结构的最佳传力路径，以优化结构的某些性能或减轻结构重量。因此，在拓扑优化过程中往往能产生新的构型。自从均匀化方法提出之后，拓扑优化发展十分迅速。根据拓扑优化方法的不同优化思路，可以将主流拓扑优化方法分为两类：

（1）侧重于考查优化对象的材料特性，包括均匀化方法和变密度法；

（2）以优化对象的几何形状为出发点，包括变厚度法、独立连续映射法、渐进结构优化法和水平集法等。

拓扑优化技术在二维结构优化和三维结构优化方面都有广泛的应用。应用拓扑优化技术考虑抗震性能和动力学性能的机柜结构拓扑优化如图2所示。

图2  考虑抗震和动力学性能的拓扑优化机柜

形貌优化是一种形状最佳化的方法，即在板形结构中寻求最优的加强肋分布的概念设计方法，用于设计薄壁结构的强化压痕，在减轻结构重量的同时，满足强度、频率等要求。与拓扑优化不同的是，形状优化不删除材料，而是在可设计区域中根据节点的扰动生成加强肋。

尺寸优化是设计人员对模型形状有了一定的设计思路后进行细节的设计。通过改变结构单元属性，比如壳单元的厚度、梁单元的横截面属性、弹簧单元的刚度和质量单元的质量等，以满足设计要求。

利用优化技术，可在以下几个方面与轻量化新材料结合应用在核电DCS机柜系统研发：

（1）采用合理的结构形式和布局，使新材料与成形工艺相结合，产生适合的工艺形式布局，达到结构形式的最优工艺解，并通过新材料先进的成形技术使得产品结构从形式上有较大的变革，形成典型工艺、铝合金型材工艺、碳纤维复合材料的成形工艺等。

（2）选用高强度材料降低结构厚度，特别是高强度钢的合理应用；选用轻质、高比强度材料提高单位质量材料的强度能效，特别是碳纤维复合材料在主应力需求方向上的应用。

（3）采用轻质材料使结构的优化有更广阔的设计空间，充分开展拓扑优化、形状优化、尺寸优化的应用，特别是铝合金铸造成形、铝型材截面优化和碳纤维复合材料的空间布局。

通过以上技术手段使机柜设计和机柜改进更合理，达到机柜整体抗震性能提升的目的，或者振动性能、抗冲击性能和抗碰撞性能提高的目的。

5　轻量化新材料的核电机柜设计制造技术

新材料应用离不开新材料的成形工艺研究，为此我们开展了不同材料的加工工艺验证。

高强度钢可制造性与传统机柜一致，主要验证折弯、冲裁、焊接、攻丝、压铆、镀彩锌等工艺。选用QSTE500TM钢板，各部件通过板材折弯成形，各部件通过焊接进行组合，并对连接处进行结构加固。

铝合金加工包括型材挤压、氧化、机加等。型材挤压利用挤压机将加热好的圆柱棒从模具挤出成形，挤出过程中常伴有风冷淬火过程及其后的人工时效过程。氧化是通过阳极氧化进行表面处理以增加铝材的抗蚀性、耐磨性及外表的美观度，包括表面预处理、阳极氧化和封孔。从型材到产品，需要进行切割、钻孔、攻丝、搭接装配等工艺环节。铝合金型材通过连接件和螺栓进行固定，工业化生产效率高，缺点是机柜并柜结构复杂，安装较困难。

碳纤维复合材料的成型工艺主要包括：裱糊成型工艺、预浸料成型工艺、树脂传递模塑（RTM）工艺、Flex成型工艺和真空灌注（RIM）成型工艺^[12]。RTM工艺生成的制品尺寸精确、外形光滑、空隙率小（0～0.2%）；RTM模具的设计与制造容易、造价低，适合中等规模的产品生产（20000件/年以内）；RTM工艺成型过程中环境污染小、成型压力小、效率高、成本低。RIM工艺有非常多的优点：作为闭模成型工艺，树脂在固化过程中减少了交联单体的挥发，对环境几乎无污染，减少了操作者与有害物质接触；处于真空负压下树脂能够完全浸渍纤维增强材料，并且体系中不留有多余的树脂，成型的制品纤维含量高、性能高、孔隙率低；具有很好的可重复性，受人为因素的影响减少，质量稳定性好；对模具的要求不高，制作相对简单，单面模具就可得到两面光滑平整的制品，节约模具制造成本；各结构构件之间采用胶接和螺接。

基于三种材料的框架样件如图3所示，通过仿真分析，下列机柜满足不同抗震需求的功能要求，新材料在核电机柜具备应用条件。

高强度钢框架样件铝型材框架样件碳纤维框架样件

图3  新材料框架样件

6　结论

通过对轻量化新材料的调研，本研究筛选出适用于核电DCS机柜应用的新材料，并通过数字化建模、仿真和典型样件制造相结合的方式进行分析和验证，以上问题的解决有助于新材料在核电安全级机柜的推广应用。高强度钢、铝合金、碳纤维和工程塑料新材料应用于轻量化核电DCS机柜具备较高的应用前景，轻量化材料的解决方案中更倾向于多种材料的组合，以充分利用各种材料的比较优势。

作者简介：

刘兆峰（1980-），男，河北青县人，高级工程师，硕士，现就职于北京广利核系统工程有限公司，主要从事核电仪控系统数字化设计仿真优化方面的研究。

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摘自《自动化博览》2023年4月刊