★北京广利核系统工程有限公司单士起，张伟

关键词：核电站；稳定可靠；模块化设计

核电仪控系统结构产品包含机柜、操作台、机箱、机架等，其搭载仪控系统控制整个核电站安全长期运行，即使面临仪控系统的重大升级改造，其结构部分也很难被完全替换。根据最新设计要求，正常工况下核电仪控用结构产品设计寿命为60年。2018年1月1日随着《中华人民共和国核安全法》的实施，应用到核电站的设备要“绝对安全”，核电仪控系统使用的结构产品既要满足正常工况使用，还要考虑其在恶劣环境中正常运行。稳定可靠的产品性能，是核安全的重要保证。

我国核电仪控系统结构产品经过多年自主化探索研究取得了长足进步，目前已具备自主设计、研发创新、生产制造能力。本文参考2020年新国标《智能制造能力成熟度模型》中设计成熟度的要求，结合数十台核电机组项目实践经验，从多角度阐述了核电仪控系统模块化结构设计的方法。

1　设计过程

1.1　背景介绍

我国核电由二代与二代加堆型及华龙一号、国和一号等三代压水堆和具有第四代特征的高温气冷堆及小型堆、四代堆等不同堆型组成。随着各个堆型发展以及各系统用户对结构产品个性化和多样化的要求，产品创作空间扩大，对创新程度的要求也越来越高。核电产业高速发展，迫使产品开发周期减少，更新频率加快，产品在设计过程没有足够的时间去反复验证产品的可靠性。传统现代设计是以知识为基础，以知识获取为中心，设计从某种意义上说是各种知识的物化过程，需要新设计就需要获得新知识，并完成这个过程。显然这种设计过程得到的产品不历经多次迭代，得不到稳定可靠的产品。

1.2　传统设计方法

面对繁杂冗余的验证过程，设计人员在拿到新的设计需求时，如何快速完成性能可靠的产品设计？按照设计流程应该是使用原材料，利用自己的专业知识和多年设计经验完成结构设计。这类工作确实存在，且长期存在于各专业技术人员大脑中。传统的设计理念强调，如果想要设计出更好的东西，就需要不断学习新知识，学会创新，还需要具有创新思维才能不断挑战完成更复杂的设计任务。这种思想的灌输对于团队建设确实具有积极的影响，设计人员热衷于学习更多知识，包括各类材料性能、焊接工艺、电镀工艺等关键工艺的生产优化等。然而实践证明，即使是经验丰富的结构工程师，且具备很强的产品和工艺设计能力，也无法在短期内设计出性能可靠的完全符合核电系统要求的结构产品。

在这里做个假设，设计人员面对一个项目任务，该任务要求机柜防护等级IP67，操作台具备中高EMC防护等级、抗震要求、抗冲击要求等等。设计人员面对上述问题该如何处理？如果套用传统现代设计理念按照规范化设计流程开展设计工作，设计过程中设计人员疲于满足项目需求，最后即使仓促完成设计也一定存在各种缺陷。

1.3　模块化设计方法

模块化设计：将目标产品根据功能分解为若干模块，通过模块的不同组合，创造出不同品类、不同规格的产品。

模块：指一组具有同一功能的组合单元，各单元接口相同，性能和结构不同，各单元可互换使用。

模块是典型产品组件的标准库及典型产品设计知识库的具体体现，模块的三维模型集成产品设计信息，确保产品研发过程数据源的唯一性^[1]。

1.3.1模块化产品设计的价值

（1）各项成本低；

（2）开发速度快；

（3）产品质量可靠；

（4）用户满意度高；

（5）更好的竞争优势。

1.3.2模块化设计流程

核电站仪控系统结构模块化设计如图1所示由四部分组成。

图1 模块化设计流程

（1）产品开发

产品开发可以分三个阶段：

第一阶段：根据设计需求进行需求分析，对产品功能需求进行分析和定义。

第二阶段：使用模块化思维对产品进行模块化划分，同时定义模块与接口之间信息。

模块化划分使设计者理清设计思路，有利于后期三维模型层级搭建及开展模块化设计。比如机柜装配体是由机柜框架、侧板、上顶下底、前后门、各类安装附件组成；前后门是由门板、门锁、散热单元、各类附件构成；散热单元是由金属罩、风扇等组成。

第三阶段：使用原材料、可行生产工艺、合理结构形式等制定不同结构设计方案，大到柜体结构、操作台结构、各类门结构，小到门锁结构、显示器安装结构、设备安装结构等。该阶段在产品开发中起到重要作用，是产品开发过程中最困难的阶段，该阶段对设计人员知识积累及创新能力提出了较高要求。

第四阶段：使用第三阶段结构设计方案组成创造不同结构产品满足项目使用要求，即各类机柜、操作台、箱体等结构产品。

（2）产品验证

新的结构产生设计完成后需要根据设计要求完成产品验证，例如：抗震、商飞撞击、IP防护要求、成套要求等。产品验证后认定该产品满足设计要求，经认证许可的产品方可应用于核电供货项目。

部分产品在历经多个机组迭代优化后[1]即可形成满足不同项目使用的相对标准化产品。

（3）模块提取入库

设计人员选取已被验证过的产品，对组成产品的各结构模块进行提取，形成比如机柜框架模块、前门模块、散热单元、显示器支架、轨迹球嵌入结构等各类模块化结构。

已被认定提取的模块化结构需进行信息管理，比如三维及2D图纸校核、参照装配定义、使用要求等，该模块结构信息确认无误后入模块库。

模块库规模随着开发产品的不断增加而不断丰富，其所选用的标准件、零部件种类不断增多，模块库自下而上要求设计人员相似零部件统一采用标准化的零件，精简零部件种类。比如同一位置其安装尺寸相同外形尺寸相似的A/B/C三个零件，模块在提取入库过程中选定A为标准化零件。

模块库的使用将知识共享做到了极致，它鼓励重用，避免重复设计。模块库的发展是一个资源整合过程，它将行业成熟的经验、知识通过三维模型转为可视化的成产品设计规则。

（4）创造产品

模块化设计方法中产品的设计过程是一个已被反复验证过可靠的模块化结构搭建的过程。设计过程中，产品在固有的稳定可靠的模块构成基础上不断迭代优化，创造出适用于不同项目使用的产品。

笔者现采用模块化设计方法推理，当组织内部接收到设计需求时，会组织设计启动会，会议上设计人员按照既有的模块化设计经验，针对不同结构产品设计需求梳理满足项目要求的成熟可靠的模块化设计方案（这个过程跳过了产品开发最难的第三阶段），并据此制定该项目总体设计文件。总体设计文件分发到执行人，执行人按照既定的模块化的搭建方案完成不同结构产品的方案设计。一张蓝图绘到底，使用模块化设计方法从设计需求到完成产品开发，再到设计过程评审，都保持了设计流程的连续性。

1.4　迭代优化

核电仪控系统结构设计大多有抗震要求，结构方案经迭代优化后其产品性能更加稳定。对于该类设备结构优化从两个维度优化设计，即概念设计优化技术和实物设计优化技术。

（1）概念设计优化技术

概念设计优化技术有外形优化、拓扑优化、自由尺寸优化三种优化方式。

外形优化：外形优化技术广泛应用于提高各种冲压板的性能，如减小变形、提高模态率、减小振动。

拓扑优化：拓扑优化是结构优化中具有前景和创新性的技术，是指在给定的设计空间之内找到最佳的材料分布，或者传力路径，从而在满足各种性能的条件下得到重量最轻的设计。

自由尺寸优化：是指用于概念设计的自由尺寸优化，用于确定非等厚薄板零件的厚度分布，如特殊结构中的机加工件和化铣件。

（2）实物设计优化技术

实物设计优化技术有形状优化、尺寸优化、材料优化三种优化方式。

形状优化：形状优化技术通过将网格节点移动或者变形到某个新位置，相当于改变零部件的CAD设计，从而提高零部件的性能，如提高刚度、模态，减低应力集中等。

尺寸优化：尺寸优化是最经典的优化技术，一般也叫参数优化技术，即改变模型参数值，网格模型保持不变，可以对有限元模型的各种参数如板件厚度、梁杆截面尺寸、材料特性，弹性元件刚度进行优化。

复合材料优化：复合材料以其比强度、比模量高和耐腐蚀、抗疲劳等特点，在工业界得到越来越多的应用，特别是在航空航天领域。

（3）优化实例—拓扑优化验证经验设计方案

图2 力学模型示意图

如图2所示，根据产品受力特性建立力学模型，经过拓扑优化，将型材厚度由6.0mm降低至4.0mm，最终形成具有代表性的高承载、高抗震性能的设计方案。

基于上述两个设计维度，通过设计仿真和试验验证，完成对产品的外观、结构、性能、工艺等仿真分析、试验验证与迭代优化。

2　生产制造

模块化的结构设计方法在生产制造过程中，会改变供应商制造习惯，引导其从定制加工走向产品结构形式统一、批量化结构反复加工的过程。

在大批量生产方式下，多数从业人员不再需要很高的技术水平，而只需进行简单的培训，即可开展工作。这种生产方式大大缩短了生产周期，提高了生产效率，降低了生产成本，并使产品质量得到保证。大批量类同化生产方式有以下特点：

（1）生产的产品产量大而相对品种少，重复生产一种或少数几种相类似的模块化结构，工艺过程和生产条件稳定，专业化程度高。

（2）多采纳专用、高效设备和工艺装备，生产过程机械化、自动化程度及设备利用率较高，生产周期较短，零件加工质量易于保证。

（3）工人作业分工细，多数工人长期从事几种简洁和重复性的操作，对工人的技术水平要求不高。

（4）产品设计模块化，标准化程度高，零件互换性好，广泛采纳互换装配法装配。

（5）按对象组织专业化生产，多采取流水生产、自动生产线等生产组织形式，生产方案细致周密，生产过程易于掌握。

（6）因产品构成模块相对稳定，各类生产模具被广泛应用于毛坯件制作，其加工余量小，材料利用率高。

3　结论

模块化的设计方法历经项目的不断衍化，供应商为提高产能和产品质量，会不断优化反复生产产品的生产工艺，使产品生产工艺不断趋于更好^[2]。稳定可靠的设计方案，结构产品高质量产出，设计人员在习惯这种设计节奏后，其更多精力去完善需求，以工程项目为中心，不断去更好适配系统设计，使仪控系统性能趋于更好。模块化结构设计方案使行业设计经验得到积累和传承，良好的结构设计经过模块化提取再反哺模块库，使模块库不断丰富，如此反复，形成可持续发展壮大的闭环设计，促使团队在不断迎接挑战中，稳中求进良性蜕变。

作者简介：

单士起（1984-），男，山东人，学士，现就职于北京广利核系统工程有限公司，主要从事核电厂安全级仪控系统设计方面的工作。

参考文献：

[1]GB∕T39116-2020,智能制造能力成熟度模型[S].

[2]李秋伟.浅谈钣金的设计制造与成本核算[J].科技与企业,2015.

摘自《自动化博览》2024年4月刊