文献标识码：B文章编号：1003-0492（2024）10-088-06中图分类号：TH122

★张伟（北京广利核系统工程有限公司，北京100094）

关键词：核电；OWP盘台；参数化；结构设计；参数；关系；程序

核电站主控室是对核电站进行监督、控制和操纵的场所。OWP（Operator Workplace）是核电站主控室操纵员工作站，包括核岛操纵员工作站（NIOWP）、常规岛操纵员工作站（CI-OWP）、安工工作站（SE-OWP）和机组长工作站（US-OWP）四部分^[1]。为保障核电站安全、可靠、稳定运行，核电站相关物项均有抗震要求。OWP盘台的抗震等级为抗震I类，即要求其在承受S1（运行基准地震OBE）和S2（安全停堆地震SSE）^[2]载荷，并保证在地震发生时或（和）地震后能履行其安全功能^[3]。一旦通过抗震鉴定，除非有特殊需求OWP盘台结构样式不会改变。但一般不同项目需求不同，导致OWP盘台尺寸存在差异。因此核电站OWP盘台具有结构形式相同而尺寸各异的特点。

以往核电A项目OWP盘台外形尺寸如图1所示，核电B项目OWP盘台外形尺寸如图2所示。可见，A项目OWP盘台由17个盘台组成，B项目OWP盘台由19个盘台组成，且二者形状尺寸各异。如果通过手动修改A项目OWP盘台生成B项目OWP盘台，涉及众多零部件众多特征尺寸（1套OWP盘台有大约包括2800余个零部件）的修改，不仅工作繁重而且还有漏改、错改的风险，设计周期很长且设计质量不稳定。不同人员修改还涉及设计风格各异的问题。

基于三维设计软件的参数化设计功能，将核电站主控室OWP盘台结构参数化设计，形成参数化三维模型，可缩短针对不同项目需求设计尺寸各异的OWP盘台的设计周期、提高设计质量，同时可保持设计风格一致。

图1 A项目OWP盘台外形尺寸

图2 B项目OWP盘台外形尺寸

1　参数化设计

参数化设计是一种基于参数化模型和可调整参数的设计方法，通过调整参数值来实现对设计方案的灵活调整和快速修改。在参数化设计过程中，设计对象的形状、尺寸、属性等可通过参数进行控制。参数化设计的核心是以参数为基础进行设计，通过调整参数来满足不同需求。

图2所示OWP盘台为屏风式OWP盘台。核电站主控室屏风式OWP盘台是继嵌入式OWP盘台和支架式OWP盘台之后一种新型的满足核电站使用要求的OWP盘台。屏风式OWP盘台作为中广核集团华龙一号堆型的标准OWP盘台，在后续华龙一号核电站项目中有广泛的应用前景^[4]。因此，对屏风式OWP盘台进行结构参数化设计更有意义。

1.1　参数确定

参数是参数化设计的一个关键元素，参数化设计的第一步就是确定驱动参数。

如图3所示，单独一个盘台的桌面深度尺寸S、柜体深度尺寸S2和桌面高度尺寸H根据需求的不同会发生变化。同时，如图4所示，单独一个盘台的宽度尺寸W、角度J1和J2也会根据需求的不同而发生变化。因此对单个盘台而言，需要将其桌面深度尺寸S、柜体深度尺寸S2、桌面高度尺寸H、宽度尺寸W、角度J1和J2设置为驱动参数。

如图2所示，OWP盘台并非单独一个盘台，而是由19个独立盘台组成的一套盘台，且各个独立盘台桌面深度尺寸S、柜体深度尺寸S2、桌面高度尺寸H相同，而宽度尺寸W和角度J1、J2等不同。通过分析可知，一套OWP盘台主要包括NI-1、NI-2、NI-3、CI-4、US-2五种结构类型，因此一套OWP盘台需主要创建5个关键参数化模型，具体如表1所示。其他14个独立盘台参数化模型可由该5个关键参数化模型保存副本和修改驱动参数产生。整套OWP盘台驱动参数如表2所示。

图3 单个盘台截面图

图4 单个盘台俯视图

表1 关键参数化模型

表2 整体OWP盘台驱动参数

1.2　参数化建模方法

参数化模型创建过程中掌握一些建模方法，可简化关系、减少关系数量，从而降低出错概率提高设计效率。

（1）对称特征创建

针对零件的对称特征（关于零件对称中心对称）宜采用“镜像”方法创建。这样仅对原始特征创建关系即可，避免了针对镜像特征创建关系，可有效减少关系数量。

（2）参照选择

创建特征时是以零件的对称中心为尺寸参照，还是以零件的边缘为尺寸参照，还是以其他特征为尺寸参照，应根据特征的具体使用情况确定。选择合适的尺寸参照可以减少甚至避免关系的创建。如图5所示，如果无论零件的W和H如何变化，四个小圆孔到相邻两边的距离均为a不变，则小孔建模时应以小孔相邻两边为尺寸参照。这样选取参照则无需针对四个小孔的位置创建关系。如果如图6所示选取零件对称中心为尺寸参照标注尺寸a1和a2，为保证四个小孔到相邻两边的距离为a不变，必须创建W和a1、H和a2的关系。同理，如果零件中间方孔为设备安装孔，无论W和H如何变化其关于零件对称中心的距离b都保持不变，则方孔建模时应以零件对称中心为尺寸参照。这样也无需针对该方孔的位置创建关系。如果如图6所示选取零件一边为尺寸参照标注尺寸b1，为保证方孔距离零件对称中心的距离为b不变，必须创建H和b1的关系。如果一个特征与其他特征有固定位置关系，则该特征创建时应以其他特征为尺寸参考。

装配零部件时应选择具有装配关系的、相对固定的特征为参照。比如：一个零件与另一个零件有螺钉装配关系，二者组装时应该选用两个相对固定的螺钉安装孔为装配位置参照（比如螺钉孔为阵列孔，应选择原始孔和距离原始孔最近的一个孔为装配位置参照），避免参数变化时由于特征丢失导致装配失败。

图5 参照选取示意1

图6 参照选取示意2

（3）阵列使用

无论特征创建还是零部件组装，合理的使用阵列功能可有效提高设计效率。参数化设计过程中充分使用“参照型阵列”可省略很多关系的创建。使用“参照型阵列”进行特征阵列或装配阵列时，应选取原始特征作为阵列参照。

1.3　参数关系创建

关系也称为参数关系，是用户定义的尺寸（或其他参数）之间关系的数学表达式。关系能捕捉特征之间、参数之间或装配元件之间的设计联系，是捕捉设计意图的一种方式^[5]。关系是参数化设计的另一关键元素，主要用于控制模型尺寸的变化。

关系可以是简单值或复杂的条件分支语句^[6]。关系表达式往往不止一种，应该选择条理清晰、逻辑简单的为宜。关系不宜写成最终的简化形式：虽然原始关系表达式数据较多、编写复杂，但逻辑清晰；简化形式的关系表达式虽然编写简单，但不易追溯。

在组件中，具有装配关系的零部件相关关系宜保持一致，尽量减少关系传递次数。例如：如图7所示，零件A和零件B有装配关系。零件B方孔需要与零件A方孔大小相同，装配时各边对齐。零件A方孔关系表达式为D1=W-c-e、D2=H-a-b（其中W和H为驱动参数），则零件B方孔的表达式宜为D3=W-c-e、D4=H-a-b，而不宜为D3=D1-f-g、D4=D2-m-n。

图7 有装配关系零件示意

1.4　程序修改

程序用来记录特征的整个创建过程，包括特征类型、参数、关系等创建特征所需要的所有信息^[6]。程序是参数化设计中的又一关键元素，通过修改模型程序可以控制相关特征的有无和相关零部件的装配与否。

模型程序的修改主要是在原程序的基础上通过添加必要的函数语句实现。

1.5　函数语句应用

在核电站主控室OWP盘台参数化设计过程中，创建关系和修改程序常用的函数有正弦函数SIN（）、反正弦函数ASIN（）、正切函数TAN（）、反正切函数ATAN（）和向下取整函数FLOOR（）；常用的语句有IF语句和ELSE语句。

（1）向下取整函数FLOOR

向下取整函数FLOOR主要在特征尺寸为非整除的情况时使用。如图8所示，宽度为W的零件有四个等间距圆孔，则四个孔的间距关系为D1=FLOOR（（W-a-b）/3）。如果a=b=50，当W=2100时，则D1=FLOOR（（2100-50-50）/3）=FLOOR（2000/3）=666；当W=2200时，则D1=FLOOR（（2200-50-50）/3）=FLOOR（2100/3）=700。

图8 FLOOR函数应用示意

（2）IF语句

IF语句为条件语句，其结构形式为：

IF 条件

若干关系的序列或IF语句

ENDIF^[5]

（3）ELSE语句

ELSE语句为条件语句，常与IF语句配合使用，其 结构形式为：

IF 条件

若干关系的序列或IF语句

ELSE

若干关系的序列或IF语句

ENDIF^[5]

1.6　结论

参数化设计的核心是建立参数化模型，而建立参数化模型的关键是确定驱动参数，然后通过合理的函数语句创建必要的关系和修改必要的程序，最终通过改变参数值来改变相关设计。掌握一些建模技巧可有效提高参数化设计效率，建立参数化模型的原则是尽量避免创建关系、尽量减少关系。

2　参数化设计实例

如图2所示，以US-5盘台为例列举部分零部件的参数化设计方法。由表2可知，该盘台的驱动参数为S、S2、H、W13、J131、J132。

2.1　盘台特点说明

屏风式OWP盘台为抗震I类盘台，其主体结构形式为“框架+外壳”。框架由底座、侧框架和横梁焊接成型；外壳由钣金制作，焊接到框架表面。由于涉及工艺要求和维护要求，盘台桌面前面下部（操作人员的膝盖上方）设计有维护窗口和对应的维护盖板。

2.2　底座零件设计

如图9所示，US-5盘台底座主要由四根角钢焊接成型，分别为后横梁、前横梁、左侧梁和右侧梁。底座外面焊接外壳，整体宽度尺寸为970mm，柜体深度尺寸为700mm。图9中，尺寸970对应驱动参数W13，尺寸700对应驱动参数S2，尺寸76.5°对应驱动参数J131，尺寸79.5°对应驱动参数J132。角钢截面尺寸为100mm×100mm×10mm，外壳钣金厚度为3mm。

图9 盘台底座示意

（1）后横梁参数化设计

后横梁参数化尺寸如图10所示，其D0、D1、D2三个变化尺寸参数化设计如下：

D0=W13-3/SIN(J131)-3/TAN(J131)-3/SIN(J132)-3/TAN(J132)

D1=J131

D2=J132

图10 后横梁尺寸示意

（2）前横梁参数化设计

前横梁参数化尺寸与后横梁相同，如图10所示，其D0、D1、D2三个变化尺寸参数化设计如下：

D0=W13-3/SIN(J131)-(S2-100-3)/TAN(J131)-3/SIN(J132)-(S2-100-3)/TAN(J132)

D1=J131

D2=J132

2.3　维护盖板设计

维护盖板的结构样式如图11所示，其在盘台的安装位置如图12所示（结合图3）。维护盖板通过螺钉安装到盘台，根据盘台宽度尺寸的变化，安装螺钉的数量会发生改变（当螺钉间距超过250mm时则需要增加一个螺钉）。维护盖板的尺寸D1、D2、D3、P4（阵列数量）、D6、P7（阵列数量）、D8、D9均为变化尺寸。需要注意的是其中D8不等于J131，D9不等于J132。如图13所示，由于存在两个倾斜角度∠B≠∠A，∠B即相当于D8或D9，∠A相当于J131或J132。维护盖板外形尺寸部分的参数化设计如下：

D1=W13-(S-3-52*SIN(ATAN((S-S2)/(100-40))))/TAN(J131)-(S-3-52*SIN(ATAN((S-S2)/(100-40))))/TAN(J132)

D2=(S-S2)/SIN(ATAN((S-S2)/(100-40)))-2*52

D8=ATAN((S-S2)/SIN(ATAN((S-S2)/(100-40)))/((S-S2)/TAN(J131)))

D9=ATAN((S-S2)/SIN(ATAN((S-S2)/(100-40)))/((S-S2)/TAN(J132)))

图11 维护盖板示意

图12 维护盖板安装位置

图13 角度示意

3　结束语

核电站主控室OWP盘台结构参数化设计方法并不单一，但基本原则是尽量避免和减少关系的创建，从而降低出错率，提高运算速度。同时，核电站主控室OWP盘台结构参数化设计并不能解决100%的问题，有些细节需要单独创建、修改或删除，有些以族表形式存在的零部件需要根据最终生成的结构尺寸进行替换。

核电站主控室OWP盘台结构参数化设计过程中，需要对相关零部件创建必要关系来驱动尺寸变化，有些零部件还需要修改程序来控制特征的有无与装配与否。相对于一个盘台而言，一组盘台参数化设计需要花费更多时间和精力，但对于结构形式相同尺寸各异的结构产品而言，参数化设计具有一劳永逸的效果。核电站主控室OWP盘台结构参数化设计可有效缩短设计周期，提高设计质量，保证结构产品设计风格一致。同时，核电站主控室OWP盘台结构参数化设计也为其他产品的结构参数化设计提供了一种技术参考。

作者简介：

张　伟（1979-），男，北京人，高级工程师，学士，现就职于北京广利核系统工程有限公司，主要从事核电厂非安全级仪控系统产品结构设计方面的工作。

参考文献：

[1]张伟.核电站主控室OWP显示器安装方式的研究与应用[J].自动化博览,2023,40(362):44-47.

[2] GB13625-1992,核电厂安全系统电气设备抗震鉴定[S].

[3]HAFJ0053-1995,核设备抗震鉴定试验指南[S].

[4] 张伟.基于显示器安装技术的核电站抗震屏风式OWP盘台的设计[J].自动化博览,2024,41(371):58-63.

[5]詹友刚.Pro/ENGINEER中文野火版5.0高级应用教程[M].北京:机械工业出版社,2010.

[6]二代龙震工作室.Pro/ENGINEERWildfire5.0高级设计[M].北京:清华大学出版社,2010.

摘自《自动化博览》2024年10月刊