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★北京廣利核系統(tǒng)工程有限公司劉兆峰，史英斌，劉永亮，陳衛(wèi)

摘要：輕量化新材料目前在汽車、航天等工業(yè)領(lǐng)域的研究和應(yīng)用取得了前所未有的發(fā)展，通過采用新材料實現(xiàn)產(chǎn)品的輕量化、保證產(chǎn)品的高可靠性成為當(dāng)前技術(shù)的發(fā)展趨勢。高強度鋼、鋁鎂合金、工程塑料、碳纖維等復(fù)合材料在不同的領(lǐng)域逐漸對傳統(tǒng)材料進(jìn)行替代均有成功的案例，實現(xiàn)新材料的規(guī)模化應(yīng)用除了受到材料本身性能的制約，以及各行業(yè)對產(chǎn)品功能的需求的多樣性制約外，還會有經(jīng)濟(jì)性的考量。作為核電站的中樞神經(jīng)，核電DCS（數(shù)字化儀控系統(tǒng)）機柜也有輕量化和產(chǎn)品高可靠性雙重需求，因此有必要開展此領(lǐng)域的研究。本研究一方面通過對不同行業(yè)成熟的功能材料進(jìn)行調(diào)研，探討了材料在核電工控領(lǐng)域的應(yīng)用；另一方面通過設(shè)定目標(biāo)產(chǎn)品需求，對汽車航空航天輕量化新材料的應(yīng)用情況進(jìn)行調(diào)研，選定了可應(yīng)用于安全級機柜的新材料。本研究將新材料產(chǎn)品形態(tài)與先進(jìn)的拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)相結(jié)合，開展了機柜主承載結(jié)構(gòu)設(shè)計和制造性分析，為新材料在核電機柜領(lǐng)域的應(yīng)用提供了保障。

關(guān)鍵詞：輕量化；新材料；核電；DCS機柜；抗震；拓?fù)鋬?yōu)化

新材料具有密度小、力學(xué)性能優(yōu)等特點，在汽車、航天等領(lǐng)域采用新材料進(jìn)行產(chǎn)品的輕量化設(shè)計是當(dāng)前的技術(shù)發(fā)展趨勢，如高強度鋼、鋁鎂合金、復(fù)合材料等均有成功應(yīng)用案例^[1-3]。但新材料能否應(yīng)用在工控領(lǐng)域和核電儀控領(lǐng)域，目前還沒有相關(guān)的研究。輕量化新材料應(yīng)用在核電DCS機柜需要解決以下幾個問題：（1）核電DCS機柜的輕量化需求；（2）新材料的選型問題；（3）基于新材料的物理形態(tài)及屬性，什么樣的結(jié)構(gòu)能具備良好的結(jié)構(gòu)性能；（4）輕量化新材料的設(shè)計工藝性問題。本文從核安全級機柜的需求出發(fā)，梳理了安全級機柜的關(guān)鍵性能指標(biāo)，并對在汽車、航空行業(yè)及工控領(lǐng)域成熟應(yīng)用的輕量化新材料進(jìn)行了調(diào)研、分析，明確了新材料篩選原則。本研究一方面基于新材料的形態(tài)，研究了輕量化新材料應(yīng)用的技術(shù)路徑，并通過優(yōu)化技術(shù)研究為新材料應(yīng)用提供了技術(shù)支撐；另一方面基于選定的新材料，開展了機柜結(jié)構(gòu)設(shè)計和制造性分析，為新材料在核電機柜領(lǐng)域的應(yīng)用提供了保障。

1　輕量化機柜需求分析

某核電項目對機柜提出了輕量化需求，目前通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化、減薄材料厚度、降低機柜抗震包絡(luò)性等方式實現(xiàn)了項目重量指標(biāo)要求，但距離市場輕量化機柜指標(biāo)仍存在差距。我們在解決安全級機柜輕量化的過程中發(fā)現(xiàn)，因普通碳素結(jié)構(gòu)鋼材料自身力學(xué)性能限制，通過結(jié)構(gòu)設(shè)計進(jìn)行減重，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)形式較復(fù)雜，雖然降低了材料成本，但提高了加工成本。該機柜設(shè)計雖然達(dá)到了基于該材料的減重極限，但仍未滿足市場未來潛在要求。

核電安全級機柜一般要求如下：

（1）機械：滿足電子設(shè)備的安裝要求，剛度強度好，同時考慮結(jié)構(gòu)的加工工藝及周期經(jīng)濟(jì)性。

（2）質(zhì)量：滿足體積和承載量的限制需求下盡可能輕。

（3）結(jié)構(gòu)動力性能：避開外載荷激勵峰值頻帶。

（4）功能需求：抗地震、抗振動、抗沖擊、抗碰撞等指標(biāo)。

目前安全級機柜主要通過Q235B材料，采用鍍鋅噴漆技術(shù)，保證外觀以及防護(hù)要求，并通過結(jié)構(gòu)設(shè)計來實現(xiàn)抗震、電磁屏蔽等機柜性能指標(biāo)，其中機柜抗震性能，采用大剛度結(jié)構(gòu)設(shè)計方法來實現(xiàn)。機柜立柱采用雙截面封閉式設(shè)計結(jié)構(gòu)形式，可提高立柱各個方向的抗彎曲和抗扭轉(zhuǎn)能力，以及提高整個機柜框架的模態(tài)頻率，并可避開地震譜的峰值平臺區(qū)，降低地震對機柜的作用，避免較高的地震響應(yīng)對設(shè)備的損壞。

2　新材料選型

2.1　關(guān)鍵性能指標(biāo)

機柜的固有頻率公式如下：

在這個模型中，機柜自身頻率只受重量和剛度的影響。機柜總質(zhì)量越輕，對于剛度K恒定的情況下，機柜模態(tài)頻率越高；在不存在負(fù)載的情況下，對于同種材料，降低材料厚度，不降低材料的剛度，也不會使整個結(jié)構(gòu)的自身頻率降低；在額定負(fù)載的情況下，機柜質(zhì)量越輕，機柜模態(tài)頻率越高。對于不同材料，則引入了新的質(zhì)量和剛度，引起固有頻率的變化。

機柜頻率與抗震載荷的關(guān)系：

NBT20040推薦的組件抗震試驗通用水平反應(yīng)譜和垂直反應(yīng)譜數(shù)據(jù)^[4]見表1，阻尼比為5%。由表1可見，水平固有頻率在3Hz到10Hz之間時響應(yīng)加速度會達(dá)到50m/s²，垂直固有頻率在4Hz到15Hz之間時響應(yīng)加速度會達(dá)到40m/s²，地震動X、Y、Z方向綜合加速度是三向SRSS合成加速度，其數(shù)值會更大。SRSS法，即平方和開平方的數(shù)學(xué)計算方法。

表1  組件抗震試驗通用反應(yīng)譜

核電設(shè)備安全破壞形式：地震響應(yīng)加速度太大，設(shè)備會因為加速過大，引起功能失效或破壞；加速度響應(yīng)大，機柜主承載部件承受較大的載荷，會引起主承載結(jié)構(gòu)超過材料強度極限而被破壞失效。因此更換材料時，需要對應(yīng)不同的材料屈服強度、抗拉強度等應(yīng)力信息。在工程應(yīng)用中通常用比剛度、比強度表征材料在固有頻率和承載能力的評價參數(shù)指標(biāo)，分別是彈性模量與密度的比值和屈服強度與密度的比值。

2.2　新材料篩選

對比現(xiàn)有安全級機柜的主要材料，即普通碳素結(jié)構(gòu)鋼Q235B，新材料的密度和力學(xué)性能應(yīng)更加優(yōu)異，故形成新材料初篩原則見表2。

表2  新材料篩選原則

依據(jù)篩選原則，廣泛開展對力學(xué)性能好、密度低、其它行業(yè)已成熟應(yīng)用的新材料（如高強度鋼、鈦合金、鋁合金、鎂合金、碳纖維、高強度塑料等）的調(diào)研工作，完成材料初篩。

通過新材料調(diào)研，結(jié)合行業(yè)應(yīng)用案例，初步形成了可用新材料密度、力學(xué)性能及原材料成本的對照表，見表3。

表3  材料信息對照表

形成輕量化安全級機柜可用材料清單見表4。

表4  輕量化新材料清單

3  新材料結(jié)構(gòu)形態(tài)及應(yīng)用

3.1　高強度鋼的結(jié)構(gòu)形態(tài)及應(yīng)用

高強度鋼在結(jié)構(gòu)形態(tài)上與Q235B基本沒有差別，只是在材料成形過程中需要更大的折彎力等工藝參數(shù)的變化。高強度鋼具備更好的強度性能、更高的屈服強度和抗拉強度，使得結(jié)構(gòu)不被破壞，提高了結(jié)構(gòu)的安全性。高強度鋼應(yīng)用在對強度要求比較高的部位，具有很好的抗變形能力，適宜整體框架的結(jié)構(gòu)以及應(yīng)力集中部位的結(jié)構(gòu)加強。相對于鋁、鎂和碳纖維等材料而言，鋼材在原材料、生產(chǎn)、回收與循環(huán)再利用等階段都比較環(huán)保，并且隨著氫能冶煉、電爐生產(chǎn)、余熱回收等綠色技術(shù)的推廣和應(yīng)用，鋼鐵材料全生命周期碳排放會繼續(xù)降低^[5]。

3.2　鋁合金的結(jié)構(gòu)形態(tài)及應(yīng)用

鋁合金除了板件的結(jié)構(gòu)形式，還有鑄造成形和擠壓型材的結(jié)構(gòu)形式。其中板件可以應(yīng)用在非承載構(gòu)件，對于強度要求小于1mm鋼板的情況，鋁合金材料密度低，則可選用厚度更厚的板，以滿足結(jié)構(gòu)要求，達(dá)到減重效果。鋁合金的鑄造形式，可以鑄造成任意形狀的結(jié)構(gòu)部件，與拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)充分結(jié)合，可以生成強度剛度優(yōu)化的結(jié)構(gòu)形式。鋁合金的擠壓型材形式如圖1所示，可擠壓成型中空結(jié)構(gòu)，在梁柱承載方面，可以設(shè)計成抗彎、抗扭剛度較好的結(jié)構(gòu)形式，除了標(biāo)準(zhǔn)型材的選擇，還能依據(jù)平面拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)及尺寸優(yōu)化技術(shù)進(jìn)行型材的定制。鋁合金適宜用在結(jié)構(gòu)強度要求不高的位置，使用鋼材料已經(jīng)到最小厚度，無法再繼續(xù)細(xì)分的應(yīng)用場景。利用鋁合金適宜鑄造成型不同的形狀便于與拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)相結(jié)合設(shè)計成非標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件產(chǎn)品。

圖1  鋁合金型材的截面示意圖

3.3　碳纖維的結(jié)構(gòu)形態(tài)及應(yīng)用

碳纖維具有比強度高、比剛度高、耐腐蝕疲勞性能好、可設(shè)計性強等一系列優(yōu)點^[6]。碳纖維具有單向優(yōu)良的抗拉技術(shù)，可通過樹脂的填充，以及不同方向鋪層角度的變化，對各向異性的性能進(jìn)行調(diào)整，以滿足受力的需求。碳纖維最大應(yīng)變1/1000時才發(fā)生破壞，可見整體結(jié)構(gòu)變形量很小。

碳纖維結(jié)構(gòu)還能設(shè)計成中空管、復(fù)雜腔、蜂窩型腔結(jié)構(gòu)，與拓?fù)鋬?yōu)化和尺寸優(yōu)化相結(jié)合，從結(jié)構(gòu)形式上實現(xiàn)輕量化。碳纖維還能與金屬構(gòu)件結(jié)合應(yīng)用，充分發(fā)揮碳纖維在抗拉性能的優(yōu)點，利用金屬構(gòu)件的動態(tài)力學(xué)性能優(yōu)的優(yōu)點，可進(jìn)行相關(guān)產(chǎn)品構(gòu)件的設(shè)計開發(fā)。碳纖維結(jié)構(gòu)精細(xì)、研制成本高、工藝復(fù)雜、周期長，需要借助CAE等有限元分析技術(shù)。

4　輕量化新材料結(jié)構(gòu)的優(yōu)化技術(shù)

目前支撐輕量化新材料應(yīng)用的優(yōu)化技術(shù)有拓?fù)鋬?yōu)化、形貌優(yōu)化和尺寸優(yōu)化技術(shù)^[7-11]。

拓?fù)鋬?yōu)化的目的是尋求結(jié)構(gòu)剛度的最佳分布形式或?qū)で蠼Y(jié)構(gòu)的最佳傳力路徑，以優(yōu)化結(jié)構(gòu)的某些性能或減輕結(jié)構(gòu)重量。因此，在拓?fù)鋬?yōu)化過程中往往能產(chǎn)生新的構(gòu)型。自從均勻化方法提出之后，拓?fù)鋬?yōu)化發(fā)展十分迅速。根據(jù)拓?fù)鋬?yōu)化方法的不同優(yōu)化思路，可以將主流拓?fù)鋬?yōu)化方法分為兩類：

（1）側(cè)重于考查優(yōu)化對象的材料特性，包括均勻化方法和變密度法；

（2）以優(yōu)化對象的幾何形狀為出發(fā)點，包括變厚度法、獨立連續(xù)映射法、漸進(jìn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化法和水平集法等。

拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)在二維結(jié)構(gòu)優(yōu)化和三維結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面都有廣泛的應(yīng)用。應(yīng)用拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)考慮抗震性能和動力學(xué)性能的機柜結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化如圖2所示。

圖2  考慮抗震和動力學(xué)性能的拓?fù)鋬?yōu)化機柜

形貌優(yōu)化是一種形狀最佳化的方法，即在板形結(jié)構(gòu)中尋求最優(yōu)的加強肋分布的概念設(shè)計方法，用于設(shè)計薄壁結(jié)構(gòu)的強化壓痕，在減輕結(jié)構(gòu)重量的同時，滿足強度、頻率等要求。與拓?fù)鋬?yōu)化不同的是，形狀優(yōu)化不刪除材料，而是在可設(shè)計區(qū)域中根據(jù)節(jié)點的擾動生成加強肋。

尺寸優(yōu)化是設(shè)計人員對模型形狀有了一定的設(shè)計思路后進(jìn)行細(xì)節(jié)的設(shè)計。通過改變結(jié)構(gòu)單元屬性，比如殼單元的厚度、梁單元的橫截面屬性、彈簧單元的剛度和質(zhì)量單元的質(zhì)量等，以滿足設(shè)計要求。

利用優(yōu)化技術(shù)，可在以下幾個方面與輕量化新材料結(jié)合應(yīng)用在核電DCS機柜系統(tǒng)研發(fā)：

（1）采用合理的結(jié)構(gòu)形式和布局，使新材料與成形工藝相結(jié)合，產(chǎn)生適合的工藝形式布局，達(dá)到結(jié)構(gòu)形式的最優(yōu)工藝解，并通過新材料先進(jìn)的成形技術(shù)使得產(chǎn)品結(jié)構(gòu)從形式上有較大的變革，形成典型工藝、鋁合金型材工藝、碳纖維復(fù)合材料的成形工藝等。

（2）選用高強度材料降低結(jié)構(gòu)厚度，特別是高強度鋼的合理應(yīng)用；選用輕質(zhì)、高比強度材料提高單位質(zhì)量材料的強度能效，特別是碳纖維復(fù)合材料在主應(yīng)力需求方向上的應(yīng)用。

（3）采用輕質(zhì)材料使結(jié)構(gòu)的優(yōu)化有更廣闊的設(shè)計空間，充分開展拓?fù)鋬?yōu)化、形狀優(yōu)化、尺寸優(yōu)化的應(yīng)用，特別是鋁合金鑄造成形、鋁型材截面優(yōu)化和碳纖維復(fù)合材料的空間布局。

通過以上技術(shù)手段使機柜設(shè)計和機柜改進(jìn)更合理，達(dá)到機柜整體抗震性能提升的目的，或者振動性能、抗沖擊性能和抗碰撞性能提高的目的。

5　輕量化新材料的核電機柜設(shè)計制造技術(shù)

新材料應(yīng)用離不開新材料的成形工藝研究，為此我們開展了不同材料的加工工藝驗證。

高強度鋼可制造性與傳統(tǒng)機柜一致，主要驗證折彎、沖裁、焊接、攻絲、壓鉚、鍍彩鋅等工藝。選用QSTE500TM鋼板，各部件通過板材折彎成形，各部件通過焊接進(jìn)行組合，并對連接處進(jìn)行結(jié)構(gòu)加固。

鋁合金加工包括型材擠壓、氧化、機加等。型材擠壓利用擠壓機將加熱好的圓柱棒從模具擠出成形，擠出過程中常伴有風(fēng)冷淬火過程及其后的人工時效過程。氧化是通過陽極氧化進(jìn)行表面處理以增加鋁材的抗蝕性、耐磨性及外表的美觀度，包括表面預(yù)處理、陽極氧化和封孔。從型材到產(chǎn)品，需要進(jìn)行切割、鉆孔、攻絲、搭接裝配等工藝環(huán)節(jié)。鋁合金型材通過連接件和螺栓進(jìn)行固定，工業(yè)化生產(chǎn)效率高，缺點是機柜并柜結(jié)構(gòu)復(fù)雜，安裝較困難。

碳纖維復(fù)合材料的成型工藝主要包括：裱糊成型工藝、預(yù)浸料成型工藝、樹脂傳遞模塑（RTM）工藝、Flex成型工藝和真空灌注（RIM）成型工藝^[12]。RTM工藝生成的制品尺寸精確、外形光滑、空隙率小（0～0.2%）；RTM模具的設(shè)計與制造容易、造價低，適合中等規(guī)模的產(chǎn)品生產(chǎn)（20000件/年以內(nèi)）；RTM工藝成型過程中環(huán)境污染小、成型壓力小、效率高、成本低。RIM工藝有非常多的優(yōu)點：作為閉模成型工藝，樹脂在固化過程中減少了交聯(lián)單體的揮發(fā)，對環(huán)境幾乎無污染，減少了操作者與有害物質(zhì)接觸；處于真空負(fù)壓下樹脂能夠完全浸漬纖維增強材料，并且體系中不留有多余的樹脂，成型的制品纖維含量高、性能高、孔隙率低；具有很好的可重復(fù)性，受人為因素的影響減少，質(zhì)量穩(wěn)定性好；對模具的要求不高，制作相對簡單，單面模具就可得到兩面光滑平整的制品，節(jié)約模具制造成本；各結(jié)構(gòu)構(gòu)件之間采用膠接和螺接。

基于三種材料的框架樣件如圖3所示，通過仿真分析，下列機柜滿足不同抗震需求的功能要求，新材料在核電機柜具備應(yīng)用條件。

高強度鋼框架樣件鋁型材框架樣件碳纖維框架樣件

圖3  新材料框架樣件

6　結(jié)論

通過對輕量化新材料的調(diào)研，本研究篩選出適用于核電DCS機柜應(yīng)用的新材料，并通過數(shù)字化建模、仿真和典型樣件制造相結(jié)合的方式進(jìn)行分析和驗證，以上問題的解決有助于新材料在核電安全級機柜的推廣應(yīng)用。高強度鋼、鋁合金、碳纖維和工程塑料新材料應(yīng)用于輕量化核電DCS機柜具備較高的應(yīng)用前景，輕量化材料的解決方案中更傾向于多種材料的組合，以充分利用各種材料的比較優(yōu)勢。

作者簡介：

劉兆峰（1980-），男，河北青縣人，高級工程師，碩士，現(xiàn)就職于北京廣利核系統(tǒng)工程有限公司，主要從事核電儀控系統(tǒng)數(shù)字化設(shè)計仿真優(yōu)化方面的研究。

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摘自《自動化博覽》2023年4月刊