文献标识码：B文章编号：1003-0492（2024）08-072-04中图分类号：TP29

★刘兆峰（北京广利核系统工程有限公司，北京100094）

★张天元（辽宁红沿河核电有限公司，辽宁大连116319）

关键词：铝合金机柜；优化设计；拓扑优化；截面优化；轻量化

轻量化需求在航空航天、船舶、汽车等领域日益提高，核电机柜轻量化需求日益严苛，采用常规的减薄材料厚度、降低机柜抗震包络性等途径，很难实现项目重量指标。拓扑优化技术在汽车、机床、电子机械等领域的轻量化方面得到了广泛的应用，与形状优化和尺寸优化相比，拓扑优化具有更大的优化效益，成为优化领域的研究热点^[1-5]。特别是在确定性载荷下应用该技术，大大地降低了传统结构优化设计方法的设计盲目性，研究特定问题归纳方法，能够产生结构的新构型。核电DCS系统是核电站的神经中枢，在核电厂的安全运行中起到至关重要的作用。核电DCS机柜结构设计是核电DCS系统开发的重要环节之一，机柜结构强度、刚度和动力学性能是确保DCS系统在地震等极端工况下可靠运行的关键。其对于轻量化需求日益提高，因此研究基于拓扑优化的机柜骨架设计方法意义重大。拓扑优化得到的结构几何形状往往比较复杂，常用的制造工艺难以加工或成本太高，因此研究协同不同工艺约束的结构设计方法具有明显的工程实际意义。本文利用拓扑优化技术对核电DCS机柜进行求解，得到核电机柜传力骨架的优化模型。考虑到工程应用，我们对截面进行拓扑优化，以满足型材类机柜设计的需求。随着新的3D打印技术、一体成形精密铸造技术的发展，异性结构制造成为可能。因此基于空间拓扑，我们对机柜进行优化得到了符合传力路径优化的机柜结构，并对其进行了探索研究。

1　铝合金的结构形态与成型方式

铝合金一体化成型技术是通过精密铸造、精密锻造或3D打印技术将多个零部件整合到一起，通过一次成型的方式制造出整体结构的技术。该技术能缩小装配带来的误差累积，产品性能和可靠性都得到了提升；材料利用率高，减少了浪费；设计自由度高，可实现复杂形状的产品制造；提高了生产效率，降低了成本，可以在汽车、航空航天、机械制造领域广泛应用。

2　结构拓扑优化技术

结构优化技术日益成熟并被成功地应用于产品设计，它以其独特的优势改变了传统的产品设计流程。在概念的设计阶段，优化技术可以对产品所需要的性能予以全面考虑，在给定的设计空间下寻找最佳的产品设计思路。拓扑优化技术可以为设计人员提供全新的设计和最优的材料分布问题解决方案，基于概念设计的思想，作为结果的设计空间需要反馈给设计人员做适当的修改，体现出性能更优、结构更轻的特点。通过拓扑优化的结果可采用晶格设计对结构继续减重，也可以基于截面进行参数化尺寸优化进行方案设计。机柜拓扑优化设计流程如图1所示。

图1 结构拓扑优化设计流程图

常用的结构拓扑优化软件有ANSYS、Altairinspire、Toptimizer、nToplogy、TOSCA等。设置优化区域、设置约束、设置优化目标环节是拓扑优化成功与否的关键阶段。常见的拓扑优化目标或约束函数定义的响应包括质量、体积、体积分数或质量分数、重心位置、惯性矩、静态应变能、静态位移、固有频率、应力等指标^[6]，可根据实际问题选用及任意组合以满足设计需求。

3　机柜结构优化约束

3.1　机柜的强度

机柜需要具备一定的强度要求，使机柜能够承受地震、冲击等各种设计工况的外载荷。只有当机柜零件的工作应力小于其材料的许用应力时，才能满足其强度要求。有足够的强度，才能满足产品的可靠性和使用寿命。

3.2　机柜的刚度

机柜需要具备一定的刚度要求，使得机柜具有一定的抗变形能力，使得机柜能够避开振动的平台区，具备一定的抗振能力。机柜在内外部载荷的作用下，不得产生永久性变形或疲劳破坏。提高截面的抗扭、抗弯刚度是优化设计的要点。

3.3　机柜的空间要素

机柜外形尺寸的关键因素：

（1）空间约束：机柜在整个核电厂整行排布，常见的出线方式有上出线和下出线两种类型。为了通风散热要求，机柜的前后门还需要设置风口和风扇装置。机柜的布局一般由整体的进线量和设备构成总量确定。除此之外，机柜还需要确保周围有足够的空间进行设备安装、维护。

（2）设备尺寸约束：安装在柜内的设备尺寸，一般包含高度、宽度和深度，这些尺寸决定了机柜的最小尺寸。

（3）机柜尺寸标准：机柜的主要尺寸标准有IEC60297系列标准，规定了19英寸和23英寸机柜的尺寸、安装和接地要求。机柜的深度可以根据设备的需求有所不同，最好根据实际需求和设备规格确定合适的尺寸标准，非标准机柜尺寸的机柜通常会用于特殊设备和特殊场景。

机柜设备的安装形式：

（1）设备直接安装到立柱上，这样的结构传力路径比较明确，具有较小的刚度损失；这种结构的缺点就是设备安装、维护缺少足够的空间。

（2）设备组件通过连接安装到机柜侧立柱上。

4　铝合金机柜优化设计实例

4.1　梁柱截面拓扑的机柜骨架设计

设计方案：机柜采用四柱八梁结构设计，梁柱结构采用三通件螺栓连接和粘接，因此对梁柱截面和三通件分别进行拓扑优化。

截面优化问题描述：

（1）考虑骨架与内部结构的连接形式，设置预制凹槽，设定截面的外轮廓几何信息。

（2）通过加载计算，约束截面的最大应力。

（3）设计截面减重目标。

对梁截面进行拓扑优化，生成梁截面拓扑优化结果，并根据型材可加工性再设计，如图2所示。

图2 梁截面拓扑优化示意图

三通件拓扑优化问题描述：

（1）根据与梁柱的接口关系，设置拓扑优化区域。

（2）通过加载计算，约束结构的最大应力。

（3）设计三通件减重目标。依据梁截面的内轮廓作为结构边界约束，对三通件进行拓扑优化，生成三通件结构形式如图3所示。

图3 三通件拓扑优化示意图

对优化结构装配后进行有限元仿真分析，应力云图如图4所示，应力结果达到179MPa，满足使用要求。通过优化使得结构减重40%，实现了轻量化减重目标。

图4 机柜应力云图

4.2　基于空间拓扑的机柜骨架设计

根据机柜的常规形式可对柜四柱结构进行空间拓扑优化，得到的机柜骨架形式如图5所示。由于设计约束与传统结构一致，并没有改变结构的传力路径，下面对设计空间进一步扩大，对结构形态进行优化。

图5 四柱空间机柜拓扑优化示意图

机柜采用创新三面开放式结构设计，结构底部固定，我们对其整体进行加载和拓扑优化。

基于空间拓扑的机柜骨架优化问题描述：

（1）根据机柜整体外部轮廓，以“门”字形空间作为优化设计空间。

（2）进行静态结构、模态分析加载计算，约束米塞斯应力、机柜模态频率、重心等参数。

（3）设计机柜减重目标。

通过上述优化得到优化结果如图6所示，通过拓扑优化的机柜结构新颖，传力路径清晰^[7]。如结构采用弯管焊接工艺进行制造，可对结构的截面继续进行尺寸优化；如采用一体化精密铸造成型，可对模型进行表面光顺化处理；如采用3D打印技术可对结构进行晶格密度再设计，进一步对结构进行减重。结合材料成型工艺对拓扑优化结果进行再设计，使结构具备优良的可制造性。通过此优化技术能实现更大的减重目标。

图6 “门”空间机柜拓扑优化示意图

5　结论

拓扑优化技术能启发思维，为设计方案的制定提供了新的解决方案。采用截面拓扑的技术方案优化得到适合型材的设计，采用三维拓扑优化方法对三通件进行优化，综合在一起形成铝合金机柜的设计方案，通过有限元分析，计算应力结果满足设计要求。对设计空间域进行拓展，开展拓扑优化应用探索，得到传力路径丰富的骨架形式，适用于先进的制造工艺。拓扑优化技术在应用过程中仍有一些问题没有解决，伴随着先进制造技术的应用，拓扑优化技术将为产品的升级提供驱动力。该技术的应用有利于提升机柜方案质量，在同类设计项目中有借鉴意义。

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，主要从事核仪控系统机柜盘台及设备抗震、抗冲击、振动数字化设计仿真优化方面的研究。

参考文献：

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[3] 王伟伟, 叶红玲, 隋允康. 考虑静动特性及稳定性的连续体拓扑优化方法[C]. 北京力学会第24届学术年会, 2018 : 766 - 767.

[4] 张婧, 姜峰. 基于拓扑优化的板束焊接生产线创意设计研究[C]. 2017Altair技术大会论文集, 2017 : 379 - 386.

[5] 王超, 徐斌, 段尊义, 等. 面向增材制造的应力最小化连通性拓扑优化[J]. 力学学报, 2021, 53 (4) : 1070 - 1079.

[6] 张胜兰, 等. 基于HyperWorks的结构优化设计技术[M]. 北京: 机械工业出版社, 2007.

[7] 刘兆峰, 史英斌, 刘永亮, 等. 轻量化新材料在核电DCS机柜应用若干问题研究[J]. 自动化博览, 2023, 40 (4) : 42 - 46.

摘自《自动化博览》2024年8月刊