★ 北京广利核系统工程有限公司 刘兆峰，刘永亮，史英斌，侯风英，姜智锐

关键词：核电机柜；智能化；力学仿真；仿真模型；智能仿真

传统的依赖物理样机测试的设计验证方式存在周期长、难以模拟真实物理环境，难以精准预测结构在静力、地震、冲击、振动等工况下的表现，且成本高昂等问题。随着计算机技术及数值方法的快速发展，有限元分析为机柜结构性能评估提供了强大的虚拟解决方案。然而，构建高精度、高效率的核电机柜仿真模型是一项高度依赖工程师经验、耗费大量人工、充满挑战的繁复任务。工程师需要面对几何复杂性、连接与接触特性、材料与边界条件等诸多技术挑战，同时还需兼顾效率与精度的平衡，并应对专家依赖性和知识壁垒问题。当设计变更时，有限元模型不能复用，需要重新建模，易造成极大的人工浪费，难以满足设计方案迅速迭代的需求。文献[1-6]针对不同领域的问题已形成了参数化建模的应用方案。马惠敏等[7]指出，未来的智能仿真将会是传统仿真与生成技术在物理和数据层面上的融合和创新。

本文旨在系统研究高效智能仿真的关键技术与实施方案，以将工程师从繁重的重复性建模任务中解放出来，使其能够聚焦于更高层次的设计分析与决策优化。首先，立足行业技术发展趋势，重点分析智能化几何建模与软件二次开发等关键技术，探讨其在核电机柜仿真中应用的可行性；其次，针对核电机柜力学仿真分析过程中的效率瓶颈，系统梳理其高效智能仿真的核心需求。在此基础上，结合上述需求，构建面向核电机柜的高效智能仿真整体设计方案；最后，通过集成二次开发技术，形成标准化的自动仿真流程，实现仿真过程的规范化和知识固化。通过智能化、自动化与知识化的深度融合，可以突破核电机柜仿真快速迭代的技术瓶颈，实现设计模型与分析模型的高效关联，显著提升前处理、约束加载及后处理等环节的自动化水平与分析效率。

1   高效智能仿真关键技术

1.1   智能化几何建模技术

（1）基于参数交互的模型框架快速定义

基于参数化建模方式需要把机柜的尺寸参数、材料特性参数、形式参数进行归类描述。尺寸参数主要包含：机柜的长宽高信息、梁柱零件的截面参数化表达、侧筋的参数化表达及零件厚度。材料参数化特征主要包括：弹性模量、泊松比、密度等。形式参数主要包含：各个零件的连接方式、约束方程等。本方法只能对尺寸参数进行调整， 适用于结构已经定型产品，不具有普适性。

（2）基于导入模型前处理过程自动化路径

基于导入模型前处理优点是可直接继承全部设计信息（参数信息、材料信息、装配信息）， 其缺点是：模型复杂性会造成前处理规模庞大， 需制定足够多的处理规则以实现前处理过程的自动化。机柜结构高度集成，包含大量薄壁钣金件、精密开孔（散热孔、走线孔）、加强筋、安装导轨、锁具铰链等细节特征。准确捕捉这些特征对局部应力集中和整体刚度的影响， 是保障模型保真度的关键。智能识别与处理几何特征（如自动识别孔洞、倒角、凸台并进行适当简化或保留） 以及自动化生成高质量网格（尤其是对复杂薄壁结构的高效六面体或混合网格划分）是该方法的关键环节。通过机器学习模型， 基于历史仿真数据或试验数据， 可以智能推荐最优的模型简化策略、网格密度分布和材料本构参数， 同时智能识别潜在建模错误并给出修正建议。本方法具有广泛的适用性。

1.2   智能封装技术

目前ANSYS提供了多层次二次开发技术，形成了一套完整的工具链。

ACT是Ansys主推的二次开发框架，尤其适合在Workbench环境中进行图形界面定制和流程封装。 ACT插件通常包含定义UI的XML文件和实现功能的Python脚本文件。ACT插件用于在Mechanical界面中创建自定义载荷、结果指标和行业专用向导， 实现与原生环境无缝集成。另外，Workbench JavaScript API主要用于项目流程图级别的流程自动化和系统连接控制，可以实现自动化重复任务、集成外部代码和流程，并创建向导（Wizard）来引导非专家用户完成复杂的仿真步骤。

通过Python脚本可以直接与控制Mechanical的底层对象进行交互， 实现高度自动化。利用Mechanical界面中的“Record Script”（脚本录制）功能，可以记录操作并生成基础脚本。脚本通过访问根对象来操作模型树中的几乎所有元素（例如几何、网格、边界条件和结果等）。

图1 智能仿真开发流程

1.3   仿真知识库技术

仿真知识库是一个集成的结构化平台， 它通过固化仿真流程、封装专家知识和标准化分析规范，将依赖个人经验的仿真，转变为高效、可靠、可追溯的标准化、自动化流程。

仿真知识库通常包含以下两个层次， 涉及不同的技术：（1）数据和模板层：存储和管理标准的材料库、几何模板、网格参数、边界条件库等， 涉及数据库技术系统集成和参数化CAD模板；（2）知识与决策层： 封装行业标准规范，实现智能推荐、自动判断和报告生成。

2   核电高效智能仿真需求分析

2.1   前处理功能需求

（1）几何模型自动前处理：根据机柜、盘台、机箱、模块等CREO三维模型，梳理零件类型，通过导入模型，钣金类结构自动转化为面结构几何，为进一步的网格划分提供准备，包含厚度信息；吊环等结构以实体模型进行结构简化。涉及几何清理、几何简化、抽梁、抽中面及延展搭接；总装、组件、零件几何标准模型生成存储；材料信息加载。

（2）有限元模型自动前处理：网格（壳、实体单元）的智能自动自适应网格划分；质量配置：质量替代假体模型的自动生成， 支持独立质量配置功能用于质量修正；连接（螺接、焊接）及接触结构的批量自动化；总装、组件、零件仿真标准模型生成存储。

2.2   智能仿真工况计算需求

智能仿真工况计算包括约束和加载两个过程。其中， 智能约束需要智能识别约束边界条件， 自动获取边界信息， 进行边界约束； 智能加载需要按照GB50267 《核电厂抗震设计规范》进行设计加载。核电仪控机柜抗震设计仿真主要工况有： 自重载荷工况、模态分析、谱分析、时程分析， 实现自动加载功能。根据工况需求开发相应的仿真流程模板，实现自动工况加载及计算。

2.3   智能仿真后处理功能需求

根据规范需求对仿真分析结果数据及图片进行自动存储抓取， 既包含总体， 又包含单个零件的应力应变数值及云图、螺栓和焊缝的应力、机柜整体的支反力，以及整体加速度响应数值及云图。根据仿真知识库的RCCM、ASM、GB50267规范限值，按照抗震Ⅰ类和抗震Ⅱ类要求进行智能判定。

系统可自动生成仿真分析报告， 并优化方向指导：基于分析结果， 智能提示结构薄弱环节， 并提出改进建议，如材料调整、结构强化区域推荐等， 为设计优化提供数据支撑。

3   核电高效智能仿真方案设计

智能仿真架构包括应用层、过程层、数据库层、工具层，如图2所示。应用层包含用户交互的分析工况和校核计算；过程层是后台封闭的仿真分析自动化流程；数据库层包含结构件几何模型和仿真模型的调用、常规材料的调研、反应谱数据的调用，以及支撑自动化分析的仿真工况模板、报告模板、用于结果判定的规范限值、历史数分析及分析试验数据对比；工具层对软件工具集成，基于CREO开发，后台调用ANSYS、 WORD、EXCEL软件执行相关操作。

（1）基础层

智能力学仿真模块将被嵌入到CREO软件中进行开发，确保用户可以在CREO环境中无缝地进行力学仿真工作，无需切换到其他软件环境。其深度集成ANSYS、Word、Excel等工具软件。

图2 智能力学仿真平台分层架构

图3 核电机柜智能化仿真平台

（2）过程层

过程层提供了一个智能自动化的仿真分析流程：智能几何前处理、智能自动化的仿真前处理、智能自动化的仿真求解以及智能自动化的仿真后处理。通过封装自动化仿真分析流程并加以固化，可实现整个仿真流程的完全智能化与自动化，从而减少人工干预，提高工作效率。

（3）应用层

在自动化前处理调通之后，可以将前处理过程隐性化，仅通过工况需求对应用层进行显性化操作。这意味着用户只需定义工况需求，系统即可自动完成从几何处理到仿真结果生成的全过程。

（4）数据层

系统支持以模型的导入作为几何数据来源，可自动完成从几何模型到网格模型再到仿真模型的转换，并将这些模型存储在相关的几何模型库和仿真模型库中，方便后续的复用和管理。系统将内置一个仿真知识库，包含常用的材料力学性能信息，支持材料力学参数的匹配调用。此外，仿真分析工况模板将支持工况载荷和求解参数的自动配置。系统还将根据不同的分析规范和材料参数，自动计算应力限值，并支持结果的自动判定。通过提取应力数值、应力云图、响应云图、支反力及必要的工程计算，系统将自动生成机柜力学仿真分析报告。

智能力学仿真平台运行图如图4所示， 设计模型可通过点击智能力学仿真插件，自动无缝跳转到相关功能界面，通过脚本驱动实现过程的智能化自动化运行，并在不同阶段分别输出几何模型和仿真模型存储到模型数据库，在运行过程中分别调用数据库、仿真工况模板、规范限值实现仿真智能化的辅助功能，最后通过智能后处理输出自动报告以及仿真结果云图。

图4 智能力学仿真平台运行图

4   某核电机柜智能仿真分析

某核电项目核级电气控制柜，包含柜体主体（材质Q235B）、内部功能单元（材质6061铝合金）、电缆束（等效密度2.8g/cm³)及固定连接件（螺栓、螺母等，材质304不锈钢）。其结构参数：外形尺寸（宽×深×高）800mm×700mm×2200mm，柜体壁厚3mm，底部通过螺栓与地面连接；地震载荷：按核电厂厂址地震动参数，输入SL-2级地震响应谱（峰值加速度0.6g，频率范围0.1Hz-50Hz），需考虑X、Y、Z三个方向分别加载，适用标准GB50267。

设计模型通过CREO自动导入后，经过智能前处理，由脚本驱动完成以下操作：智能分组、识别与处理、几何清理、模型简化、抽中面、自动对齐、网格划分、自动质量配置、自动连接任务，并加载自适应网格算法生成机柜网格。如图5所示。系统自动对生成的网格进行质量检查，并对质量较差的单元进行自动优化或重新划分，确保网格满足求解器的要求。通过存储，模型进入模型库，便于后续复用。

通过设置选取抗震分析工况， 如图6所示。选取谱分析，选取X、Y、Z三向反应谱，默认三向反应谱结果数据进行RSS模态叠加组合。脚本自动识别进行螺栓边界约束和工况设置加载，自动进行远程计算任务提交。

图5 智能化平台处理的自适应网格模型

图6 工况设置

仿真计算完成后， 可查看应力、变形、结构动力响应等计算结果及云图。如图7所示，进入结果评价界面，选取RCCM分析规范，抗震等级设置Ⅰ类，准则级别选定C级。数据库会同步更新材料的应力限值进行自动仿真结果判定。通过自动生成报告按钮， 可按照报告模板自动输出仿真分析报告， 包含模型信息、载荷、分析方法、工况结果及判定情况。

图7 结果判定

某核电项目安全级机柜抗震分析验证结果表明，应用本文所提方案后，全周期仿真分析效率提高了30%，有效提升了仿真分析的智能化、自动化水平和工作效率。

5   结论

目前， 大型复杂装配体的高效智能仿真研究尚处于起步阶段。本文以核电仪控机柜为研究对象开展了高效智能化仿真研究，并得出以下结论：

（1）彻底革新了机柜力学仿真范式，显著缩短了模型准备时间， 大幅提升了建模效率与一致性， 有效降低了建模门槛，设计人员通过简单设置就能灵活运用。

（2）通过智能算法辅助决策提升了模型精度和可靠性， 并最终赋能设计优化与创新活动， 为大规模复杂模型仿真的智能化、自动化落地提供了有益借鉴。

（3）展望未来，高效智能仿真技术将从单纯的建模计算，进化为融合物理机理和数据智能的仿真大脑，持续驱动机柜结构设计向更高性能、更高可靠性、更高效率与更低成本的智能化方向飞跃发展， 为核电产品数字化保驾护航。

作者简介：

刘兆峰（1980-），男，河北人，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设备的抗震、抗冲击、振动机械环境设计仿真优化验证及智能化研究工作。

参考文献：

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摘自《自动化博览》2026年5月刊