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文獻標識碼：B文章編號：1003-0492（2024）08-072-04中圖分類號：TP29

★劉兆峰（北京廣利核系統(tǒng)工程有限公司，北京100094）

★張?zhí)煸ㄟ|寧紅沿河核電有限公司，遼寧大連116319）

關(guān)鍵詞：鋁合金機柜；優(yōu)化設(shè)計；拓撲優(yōu)化；截面優(yōu)化；輕量化

輕量化需求在航空航天、船舶、汽車等領(lǐng)域日益提高，核電機柜輕量化需求日益嚴苛，采用常規(guī)的減薄材料厚度、降低機柜抗震包絡(luò)性等途徑，很難實現(xiàn)項目重量指標。拓撲優(yōu)化技術(shù)在汽車、機床、電子機械等領(lǐng)域的輕量化方面得到了廣泛的應(yīng)用，與形狀優(yōu)化和尺寸優(yōu)化相比，拓撲優(yōu)化具有更大的優(yōu)化效益，成為優(yōu)化領(lǐng)域的研究熱點^[1-5]。特別是在確定性載荷下應(yīng)用該技術(shù)，大大地降低了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法的設(shè)計盲目性，研究特定問題歸納方法，能夠產(chǎn)生結(jié)構(gòu)的新構(gòu)型。核電DCS系統(tǒng)是核電站的神經(jīng)中樞，在核電廠的安全運行中起到至關(guān)重要的作用。核電DCS機柜結(jié)構(gòu)設(shè)計是核電DCS系統(tǒng)開發(fā)的重要環(huán)節(jié)之一，機柜結(jié)構(gòu)強度、剛度和動力學(xué)性能是確保DCS系統(tǒng)在地震等極端工況下可靠運行的關(guān)鍵。其對于輕量化需求日益提高，因此研究基于拓撲優(yōu)化的機柜骨架設(shè)計方法意義重大。拓撲優(yōu)化得到的結(jié)構(gòu)幾何形狀往往比較復(fù)雜，常用的制造工藝難以加工或成本太高，因此研究協(xié)同不同工藝約束的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法具有明顯的工程實際意義。本文利用拓撲優(yōu)化技術(shù)對核電DCS機柜進行求解，得到核電機柜傳力骨架的優(yōu)化模型。考慮到工程應(yīng)用，我們對截面進行拓撲優(yōu)化，以滿足型材類機柜設(shè)計的需求。隨著新的3D打印技術(shù)、一體成形精密鑄造技術(shù)的發(fā)展，異性結(jié)構(gòu)制造成為可能。因此基于空間拓撲，我們對機柜進行優(yōu)化得到了符合傳力路徑優(yōu)化的機柜結(jié)構(gòu)，并對其進行了探索研究。

1　鋁合金的結(jié)構(gòu)形態(tài)與成型方式

鋁合金一體化成型技術(shù)是通過精密鑄造、精密鍛造或3D打印技術(shù)將多個零部件整合到一起，通過一次成型的方式制造出整體結(jié)構(gòu)的技術(shù)。該技術(shù)能縮小裝配帶來的誤差累積，產(chǎn)品性能和可靠性都得到了提升；材料利用率高，減少了浪費；設(shè)計自由度高，可實現(xiàn)復(fù)雜形狀的產(chǎn)品制造；提高了生產(chǎn)效率，降低了成本，可以在汽車、航空航天、機械制造領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。

2　結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化技術(shù)

結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)日益成熟并被成功地應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計，它以其獨特的優(yōu)勢改變了傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計流程。在概念的設(shè)計階段，優(yōu)化技術(shù)可以對產(chǎn)品所需要的性能予以全面考慮，在給定的設(shè)計空間下尋找最佳的產(chǎn)品設(shè)計思路。拓撲優(yōu)化技術(shù)可以為設(shè)計人員提供全新的設(shè)計和最優(yōu)的材料分布問題解決方案，基于概念設(shè)計的思想，作為結(jié)果的設(shè)計空間需要反饋給設(shè)計人員做適當?shù)男薷模w現(xiàn)出性能更優(yōu)、結(jié)構(gòu)更輕的特點。通過拓撲優(yōu)化的結(jié)果可采用晶格設(shè)計對結(jié)構(gòu)繼續(xù)減重，也可以基于截面進行參數(shù)化尺寸優(yōu)化進行方案設(shè)計。機柜拓撲優(yōu)化設(shè)計流程如圖1所示。

圖1 結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化設(shè)計流程圖

常用的結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化軟件有ANSYS、Altairinspire、Toptimizer、nToplogy、TOSCA等。設(shè)置優(yōu)化區(qū)域、設(shè)置約束、設(shè)置優(yōu)化目標環(huán)節(jié)是拓撲優(yōu)化成功與否的關(guān)鍵階段。常見的拓撲優(yōu)化目標或約束函數(shù)定義的響應(yīng)包括質(zhì)量、體積、體積分數(shù)或質(zhì)量分數(shù)、重心位置、慣性矩、靜態(tài)應(yīng)變能、靜態(tài)位移、固有頻率、應(yīng)力等指標^[6]，可根據(jù)實際問題選用及任意組合以滿足設(shè)計需求。

3　機柜結(jié)構(gòu)優(yōu)化約束

3.1　機柜的強度

機柜需要具備一定的強度要求，使機柜能夠承受地震、沖擊等各種設(shè)計工況的外載荷。只有當機柜零件的工作應(yīng)力小于其材料的許用應(yīng)力時，才能滿足其強度要求。有足夠的強度，才能滿足產(chǎn)品的可靠性和使用壽命。

3.2　機柜的剛度

機柜需要具備一定的剛度要求，使得機柜具有一定的抗變形能力，使得機柜能夠避開振動的平臺區(qū)，具備一定的抗振能力。機柜在內(nèi)外部載荷的作用下，不得產(chǎn)生永久性變形或疲勞破壞。提高截面的抗扭、抗彎剛度是優(yōu)化設(shè)計的要點。

3.3　機柜的空間要素

機柜外形尺寸的關(guān)鍵因素：

（1）空間約束：機柜在整個核電廠整行排布，常見的出線方式有上出線和下出線兩種類型。為了通風(fēng)散熱要求，機柜的前后門還需要設(shè)置風(fēng)口和風(fēng)扇裝置。機柜的布局一般由整體的進線量和設(shè)備構(gòu)成總量確定。除此之外，機柜還需要確保周圍有足夠的空間進行設(shè)備安裝、維護。

（2）設(shè)備尺寸約束：安裝在柜內(nèi)的設(shè)備尺寸，一般包含高度、寬度和深度，這些尺寸決定了機柜的最小尺寸。

（3）機柜尺寸標準：機柜的主要尺寸標準有IEC60297系列標準，規(guī)定了19英寸和23英寸機柜的尺寸、安裝和接地要求。機柜的深度可以根據(jù)設(shè)備的需求有所不同，最好根據(jù)實際需求和設(shè)備規(guī)格確定合適的尺寸標準，非標準機柜尺寸的機柜通常會用于特殊設(shè)備和特殊場景。

機柜設(shè)備的安裝形式：

（1）設(shè)備直接安裝到立柱上，這樣的結(jié)構(gòu)傳力路徑比較明確，具有較小的剛度損失；這種結(jié)構(gòu)的缺點就是設(shè)備安裝、維護缺少足夠的空間。

（2）設(shè)備組件通過連接安裝到機柜側(cè)立柱上。

4　鋁合金機柜優(yōu)化設(shè)計實例

4.1　梁柱截面拓撲的機柜骨架設(shè)計

設(shè)計方案：機柜采用四柱八梁結(jié)構(gòu)設(shè)計，梁柱結(jié)構(gòu)采用三通件螺栓連接和粘接，因此對梁柱截面和三通件分別進行拓撲優(yōu)化。

截面優(yōu)化問題描述：

（1）考慮骨架與內(nèi)部結(jié)構(gòu)的連接形式，設(shè)置預(yù)制凹槽，設(shè)定截面的外輪廓幾何信息。

（2）通過加載計算，約束截面的最大應(yīng)力。

（3）設(shè)計截面減重目標。

對梁截面進行拓撲優(yōu)化，生成梁截面拓撲優(yōu)化結(jié)果，并根據(jù)型材可加工性再設(shè)計，如圖2所示。

圖2 梁截面拓撲優(yōu)化示意圖

三通件拓撲優(yōu)化問題描述：

（1）根據(jù)與梁柱的接口關(guān)系，設(shè)置拓撲優(yōu)化區(qū)域。

（2）通過加載計算，約束結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力。

（3）設(shè)計三通件減重目標。依據(jù)梁截面的內(nèi)輪廓作為結(jié)構(gòu)邊界約束，對三通件進行拓撲優(yōu)化，生成三通件結(jié)構(gòu)形式如圖3所示。

圖3 三通件拓撲優(yōu)化示意圖

對優(yōu)化結(jié)構(gòu)裝配后進行有限元仿真分析，應(yīng)力云圖如圖4所示，應(yīng)力結(jié)果達到179MPa，滿足使用要求。通過優(yōu)化使得結(jié)構(gòu)減重40%，實現(xiàn)了輕量化減重目標。

圖4 機柜應(yīng)力云圖

4.2　基于空間拓撲的機柜骨架設(shè)計

根據(jù)機柜的常規(guī)形式可對柜四柱結(jié)構(gòu)進行空間拓撲優(yōu)化，得到的機柜骨架形式如圖5所示。由于設(shè)計約束與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)一致，并沒有改變結(jié)構(gòu)的傳力路徑，下面對設(shè)計空間進一步擴大，對結(jié)構(gòu)形態(tài)進行優(yōu)化。

圖5 四柱空間機柜拓撲優(yōu)化示意圖

機柜采用創(chuàng)新三面開放式結(jié)構(gòu)設(shè)計，結(jié)構(gòu)底部固定，我們對其整體進行加載和拓撲優(yōu)化。

基于空間拓撲的機柜骨架優(yōu)化問題描述：

（1）根據(jù)機柜整體外部輪廓，以“門”字形空間作為優(yōu)化設(shè)計空間。

（2）進行靜態(tài)結(jié)構(gòu)、模態(tài)分析加載計算，約束米塞斯應(yīng)力、機柜模態(tài)頻率、重心等參數(shù)。

（3）設(shè)計機柜減重目標。

通過上述優(yōu)化得到優(yōu)化結(jié)果如圖6所示，通過拓撲優(yōu)化的機柜結(jié)構(gòu)新穎，傳力路徑清晰^[7]。如結(jié)構(gòu)采用彎管焊接工藝進行制造，可對結(jié)構(gòu)的截面繼續(xù)進行尺寸優(yōu)化；如采用一體化精密鑄造成型，可對模型進行表面光順化處理；如采用3D打印技術(shù)可對結(jié)構(gòu)進行晶格密度再設(shè)計，進一步對結(jié)構(gòu)進行減重。結(jié)合材料成型工藝對拓撲優(yōu)化結(jié)果進行再設(shè)計，使結(jié)構(gòu)具備優(yōu)良的可制造性。通過此優(yōu)化技術(shù)能實現(xiàn)更大的減重目標。

圖6 “門”空間機柜拓撲優(yōu)化示意圖

5　結(jié)論

拓撲優(yōu)化技術(shù)能啟發(fā)思維，為設(shè)計方案的制定提供了新的解決方案。采用截面拓撲的技術(shù)方案優(yōu)化得到適合型材的設(shè)計，采用三維拓撲優(yōu)化方法對三通件進行優(yōu)化，綜合在一起形成鋁合金機柜的設(shè)計方案，通過有限元分析，計算應(yīng)力結(jié)果滿足設(shè)計要求。對設(shè)計空間域進行拓展，開展拓撲優(yōu)化應(yīng)用探索，得到傳力路徑豐富的骨架形式，適用于先進的制造工藝。拓撲優(yōu)化技術(shù)在應(yīng)用過程中仍有一些問題沒有解決，伴隨著先進制造技術(shù)的應(yīng)用，拓撲優(yōu)化技術(shù)將為產(chǎn)品的升級提供驅(qū)動力。該技術(shù)的應(yīng)用有利于提升機柜方案質(zhì)量，在同類設(shè)計項目中有借鑒意義。

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，主要從事核儀控系統(tǒng)機柜盤臺及設(shè)備抗震、抗沖擊、振動數(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》2024年8月刊