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★北京廣利核系統工程有限公司劉兆峰，史英斌，劉永亮，陳衛

摘要：輕量化新材料目前在汽車、航天等工業領域的研究和應用取得了前所未有的發展，通過采用新材料實現產品的輕量化、保證產品的高可靠性成為當前技術的發展趨勢。高強度鋼、鋁鎂合金、工程塑料、碳纖維等復合材料在不同的領域逐漸對傳統材料進行替代均有成功的案例，實現新材料的規模化應用除了受到材料本身性能的制約，以及各行業對產品功能的需求的多樣性制約外，還會有經濟性的考量。作為核電站的中樞神經，核電DCS（數字化儀控系統）機柜也有輕量化和產品高可靠性雙重需求，因此有必要開展此領域的研究。本研究一方面通過對不同行業成熟的功能材料進行調研，探討了材料在核電工控領域的應用；另一方面通過設定目標產品需求，對汽車航空航天輕量化新材料的應用情況進行調研，選定了可應用于安全級機柜的新材料。本研究將新材料產品形態與先進的拓撲優化技術相結合，開展了機柜主承載結構設計和制造性分析，為新材料在核電機柜領域的應用提供了保障。

關鍵詞：輕量化；新材料；核電；DCS機柜；抗震；拓撲優化

新材料具有密度小、力學性能優等特點，在汽車、航天等領域采用新材料進行產品的輕量化設計是當前的技術發展趨勢，如高強度鋼、鋁鎂合金、復合材料等均有成功應用案例^[1-3]。但新材料能否應用在工控領域和核電儀控領域，目前還沒有相關的研究。輕量化新材料應用在核電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及屬性，什么樣的結構能具備良好的結構性能；（4）輕量化新材料的設計工藝性問題。本文從核安全級機柜的需求出發，梳理了安全級機柜的關鍵性能指標，并對在汽車、航空行業及工控領域成熟應用的輕量化新材料進行了調研、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，研究了輕量化新材料應用的技術路徑，并通過優化技術研究為新材料應用提供了技術支撐；另一方面基于選定的新材料，開展了機柜結構設計和制造性分析，為新材料在核電機柜領域的應用提供了保障。

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，目前通過結構優化、減薄材料厚度、降低機柜抗震包絡性等方式實現了項目重量指標要求，但距離市場輕量化機柜指標仍存在差距。我們在解決安全級機柜輕量化的過程中發現，因普通碳素結構鋼材料自身力學性能限制，通過結構設計進行減重，導致結構形式較復雜，雖然降低了材料成本，但提高了加工成本。該機柜設計雖然達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：滿足電子設備的安裝要求，剛度強度好，同時考慮結構的加工工藝及周期經濟性。

（2）質量：滿足體積和承載量的限制需求下盡可能輕。

（3）結構動力性能：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。

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

2　新材料選型

2.1　關鍵性能指標

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。機柜總質量越輕，對于剛度K恒定的情況下，機柜模態頻率越高；在不存在負載的情況下，對于同種材料，降低材料厚度，不降低材料的剛度，也不會使整個結構的自身頻率降低；在額定負載的情況下，機柜質量越輕，機柜模態頻率越高。對于不同材料，則引入了新的質量和剛度，引起固有頻率的變化。

機柜頻率與抗震載荷的關系：

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

表1  組件抗震試驗通用反應譜

核電設備安全破壞形式：地震響應加速度太大，設備會因為加速過大，引起功能失效或破壞；加速度響應大，機柜主承載部件承受較大的載荷，會引起主承載結構超過材料強度極限而被破壞失效。因此更換材料時，需要對應不同的材料屈服強度、抗拉強度等應力信息。在工程應用中通常用比剛度、比強度表征材料在固有頻率和承載能力的評價參數指標，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

對比現有安全級機柜的主要材料，即普通碳素結構鋼Q235B，新材料的密度和力學性能應更加優異，故形成新材料初篩原則見表2。

表2  新材料篩選原則

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

通過新材料調研，結合行業應用案例，初步形成了可用新材料密度、力學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  新材料結構形態及應用

3.1　高強度鋼的結構形態及應用

高強度鋼在結構形態上與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，使得結構不被破壞，提高了結構的安全性。高強度鋼應用在對強度要求比較高的部位，具有很好的抗變形能力，適宜整體框架的結構以及應力集中部位的結構加強。相對于鋁、鎂和碳纖維等材料而言，鋼材在原材料、生產、回收與循環再利用等階段都比較環保，并且隨著氫能冶煉、電爐生產、余熱回收等綠色技術的推廣和應用，鋼鐵材料全生命周期碳排放會繼續降低^[5]。

3.2　鋁合金的結構形態及應用

鋁合金除了板件的結構形式，還有鑄造成形和擠壓型材的結構形式。其中板件可以應用在非承載構件，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，以滿足結構要求，達到減重效果。鋁合金的鑄造形式，可以鑄造成任意形狀的結構部件，與拓撲優化技術充分結合，可以生成強度剛度優化的結構形式。鋁合金的擠壓型材形式如圖1所示，可擠壓成型中空結構，在梁柱承載方面，可以設計成抗彎、抗扭剛度較好的結構形式，除了標準型材的選擇，還能依據平面拓撲優化技術及尺寸優化技術進行型材的定制。鋁合金適宜用在結構強度要求不高的位置，使用鋼材料已經到最小厚度，無法再繼續細分的應用場景。利用鋁合金適宜鑄造成型不同的形狀便于與拓撲優化技術相結合設計成非標準構件產品。

圖1  鋁合金型材的截面示意圖

3.3　碳纖維的結構形態及應用

碳纖維具有比強度高、比剛度高、耐腐蝕疲勞性能好、可設計性強等一系列優點^[6]。碳纖維具有單向優良的抗拉技術，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行調整，以滿足受力的需求。碳纖維最大應變1/1000時才發生破壞，可見整體結構變形量很小。

碳纖維結構還能設計成中空管、復雜腔、蜂窩型腔結構，與拓撲優化和尺寸優化相結合，從結構形式上實現輕量化。碳纖維還能與金屬構件結合應用，充分發揮碳纖維在抗拉性能的優點，利用金屬構件的動態力學性能優的優點，可進行相關產品構件的設計開發。碳纖維結構精細、研制成本高、工藝復雜、周期長，需要借助CAE等有限元分析技術。

4　輕量化新材料結構的優化技術

目前支撐輕量化新材料應用的優化技術有拓撲優化、形貌優化和尺寸優化技術^[7-11]。

拓撲優化的目的是尋求結構剛度的最佳分布形式或尋求結構的最佳傳力路徑，以優化結構的某些性能或減輕結構重量。因此，在拓撲優化過程中往往能產生新的構型。自從均勻化方法提出之后，拓撲優化發展十分迅速。根據拓撲優化方法的不同優化思路，可以將主流拓撲優化方法分為兩類：

（1）側重于考查優化對象的材料特性，包括均勻化方法和變密度法；

（2）以優化對象的幾何形狀為出發點，包括變厚度法、獨立連續映射法、漸進結構優化法和水平集法等。

拓撲優化技術在二維結構優化和三維結構優化方面都有廣泛的應用。應用拓撲優化技術考慮抗震性能和動力學性能的機柜結構拓撲優化如圖2所示。

圖2  考慮抗震和動力學性能的拓撲優化機柜

形貌優化是一種形狀最佳化的方法，即在板形結構中尋求最優的加強肋分布的概念設計方法，用于設計薄壁結構的強化壓痕，在減輕結構重量的同時，滿足強度、頻率等要求。與拓撲優化不同的是，形狀優化不刪除材料，而是在可設計區域中根據節點的擾動生成加強肋。

尺寸優化是設計人員對模型形狀有了一定的設計思路后進行細節的設計。通過改變結構單元屬性，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量單元的質量等，以滿足設計要求。

利用優化技術，可在以下幾個方面與輕量化新材料結合應用在核電DCS機柜系統研發：

（1）采用合理的結構形式和布局，使新材料與成形工藝相結合，產生適合的工藝形式布局，達到結構形式的最優工藝解，并通過新材料先進的成形技術使得產品結構從形式上有較大的變革，形成典型工藝、鋁合金型材工藝、碳纖維復合材料的成形工藝等。

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

（3）采用輕質材料使結構的優化有更廣闊的設計空間，充分開展拓撲優化、形狀優化、尺寸優化的應用，特別是鋁合金鑄造成形、鋁型材截面優化和碳纖維復合材料的空間布局。

通過以上技術手段使機柜設計和機柜改進更合理，達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計制造技術

新材料應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，各部件通過焊接進行組合，并對連接處進行結構加固。

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，包括表面預處理、陽極氧化和封孔。從型材到產品，需要進行切割、鉆孔、攻絲、搭接裝配等工藝環節。鋁合金型材通過連接件和螺栓進行固定，工業化生產效率高，缺點是機柜并柜結構復雜，安裝較困難。

碳纖維復合材料的成型工藝主要包括：裱糊成型工藝、預浸料成型工藝、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模具的設計與制造容易、造價低，適合中等規模的產品生產（20000件/年以內）；RTM工藝成型過程中環境污染小、成型壓力小、效率高、成本低。RIM工藝有非常多的優點：作為閉模成型工藝，樹脂在固化過程中減少了交聯單體的揮發，對環境幾乎無污染，減少了操作者與有害物質接觸；處于真空負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；具有很好的可重復性，受人為因素的影響減少，質量穩定性好；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，節約模具制造成本；各結構構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　結論

通過對輕量化新材料的調研，本研究篩選出適用于核電DCS機柜應用的新材料，并通過數字化建模、仿真和典型樣件制造相結合的方式進行分析和驗證，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用。高強度鋼、鋁合金、碳纖維和工程塑料新材料應用于輕量化核電DCS機柜具備較高的應用前景，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勢。

作者簡介：

劉兆峰（1980-），男，河北青縣人，高級工程師，碩士，現就職于北京廣利核系統工程有限公司，主要從事核電儀控系統數字化設計仿真優化方面的研究。

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摘自《自動化博覽》2023年4月刊