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文獻標識碼：B文章編號：1003-0492（2024）10-088-06中圖分類號：TH122

★張偉（北京廣利核系統工程有限公司，北京100094）

關鍵詞：核電；OWP盤臺；參數化；結構設計；參數；關系；程序

核電站主控室是對核電站進行監督、控制和操縱的場所。OWP（Operator Workplace）是核電站主控室操縱員工作站，包括核島操縱員工作站（NIOWP）、常規島操縱員工作站（CI-OWP）、安工工作站（SE-OWP）和機組長工作站（US-OWP）四部分^[1]。為保障核電站安全、可靠、穩定運行，核電站相關物項均有抗震要求。OWP盤臺的抗震等級為抗震I類，即要求其在承受S1（運行基準地震OBE）和S2（安全停堆地震SSE）^[2]載荷，并保證在地震發生時或（和）地震后能履行其安全功能^[3]。一旦通過抗震鑒定，除非有特殊需求OWP盤臺結構樣式不會改變。但一般不同項目需求不同，導致OWP盤臺尺寸存在差異。因此核電站OWP盤臺具有結構形式相同而尺寸各異的特點。

以往核電A項目OWP盤臺外形尺寸如圖1所示，核電B項目OWP盤臺外形尺寸如圖2所示。可見，A項目OWP盤臺由17個盤臺組成，B項目OWP盤臺由19個盤臺組成，且二者形狀尺寸各異。如果通過手動修改A項目OWP盤臺生成B項目OWP盤臺，涉及眾多零部件眾多特征尺寸（1套OWP盤臺有大約包括2800余個零部件）的修改，不僅工作繁重而且還有漏改、錯改的風險，設計周期很長且設計質量不穩定。不同人員修改還涉及設計風格各異的問題。

基于三維設計軟件的參數化設計功能，將核電站主控室OWP盤臺結構參數化設計，形成參數化三維模型，可縮短針對不同項目需求設計尺寸各異的OWP盤臺的設計周期、提高設計質量，同時可保持設計風格一致。

圖1 A項目OWP盤臺外形尺寸

圖2 B項目OWP盤臺外形尺寸

1　參數化設計

參數化設計是一種基于參數化模型和可調整參數的設計方法，通過調整參數值來實現對設計方案的靈活調整和快速修改。在參數化設計過程中，設計對象的形狀、尺寸、屬性等可通過參數進行控制。參數化設計的核心是以參數為基礎進行設計，通過調整參數來滿足不同需求。

圖2所示OWP盤臺為屏風式OWP盤臺。核電站主控室屏風式OWP盤臺是繼嵌入式OWP盤臺和支架式OWP盤臺之后一種新型的滿足核電站使用要求的OWP盤臺。屏風式OWP盤臺作為中廣核集團華龍一號堆型的標準OWP盤臺，在后續華龍一號核電站項目中有廣泛的應用前景^[4]。因此，對屏風式OWP盤臺進行結構參數化設計更有意義。

1.1　參數確定

參數是參數化設計的一個關鍵元素，參數化設計的第一步就是確定驅動參數。

如圖3所示，單獨一個盤臺的桌面深度尺寸S、柜體深度尺寸S2和桌面高度尺寸H根據需求的不同會發生變化。同時，如圖4所示，單獨一個盤臺的寬度尺寸W、角度J1和J2也會根據需求的不同而發生變化。因此對單個盤臺而言，需要將其桌面深度尺寸S、柜體深度尺寸S2、桌面高度尺寸H、寬度尺寸W、角度J1和J2設置為驅動參數。

如圖2所示，OWP盤臺并非單獨一個盤臺，而是由19個獨立盤臺組成的一套盤臺，且各個獨立盤臺桌面深度尺寸S、柜體深度尺寸S2、桌面高度尺寸H相同，而寬度尺寸W和角度J1、J2等不同。通過分析可知，一套OWP盤臺主要包括NI-1、NI-2、NI-3、CI-4、US-2五種結構類型，因此一套OWP盤臺需主要創建5個關鍵參數化模型，具體如表1所示。其他14個獨立盤臺參數化模型可由該5個關鍵參數化模型保存副本和修改驅動參數產生。整套OWP盤臺驅動參數如表2所示。

圖3 單個盤臺截面圖

圖4 單個盤臺俯視圖

表1 關鍵參數化模型

表2 整體OWP盤臺驅動參數

1.2　參數化建模方法

參數化模型創建過程中掌握一些建模方法，可簡化關系、減少關系數量，從而降低出錯概率提高設計效率。

（1）對稱特征創建

針對零件的對稱特征（關于零件對稱中心對稱）宜采用“鏡像”方法創建。這樣僅對原始特征創建關系即可，避免了針對鏡像特征創建關系，可有效減少關系數量。

（2）參照選擇

創建特征時是以零件的對稱中心為尺寸參照，還是以零件的邊緣為尺寸參照，還是以其他特征為尺寸參照，應根據特征的具體使用情況確定。選擇合適的尺寸參照可以減少甚至避免關系的創建。如圖5所示，如果無論零件的W和H如何變化，四個小圓孔到相鄰兩邊的距離均為a不變，則小孔建模時應以小孔相鄰兩邊為尺寸參照。這樣選取參照則無需針對四個小孔的位置創建關系。如果如圖6所示選取零件對稱中心為尺寸參照標注尺寸a1和a2，為保證四個小孔到相鄰兩邊的距離為a不變，必須創建W和a1、H和a2的關系。同理，如果零件中間方孔為設備安裝孔，無論W和H如何變化其關于零件對稱中心的距離b都保持不變，則方孔建模時應以零件對稱中心為尺寸參照。這樣也無需針對該方孔的位置創建關系。如果如圖6所示選取零件一邊為尺寸參照標注尺寸b1，為保證方孔距離零件對稱中心的距離為b不變，必須創建H和b1的關系。如果一個特征與其他特征有固定位置關系，則該特征創建時應以其他特征為尺寸參考。

裝配零部件時應選擇具有裝配關系的、相對固定的特征為參照。比如：一個零件與另一個零件有螺釘裝配關系，二者組裝時應該選用兩個相對固定的螺釘安裝孔為裝配位置參照（比如螺釘孔為陣列孔，應選擇原始孔和距離原始孔最近的一個孔為裝配位置參照），避免參數變化時由于特征丟失導致裝配失敗。

圖5 參照選取示意1

圖6 參照選取示意2

（3）陣列使用

無論特征創建還是零部件組裝，合理的使用陣列功能可有效提高設計效率。參數化設計過程中充分使用“參照型陣列”可省略很多關系的創建。使用“參照型陣列”進行特征陣列或裝配陣列時，應選取原始特征作為陣列參照。

1.3　參數關系創建

關系也稱為參數關系，是用戶定義的尺寸（或其他參數）之間關系的數學表達式。關系能捕捉特征之間、參數之間或裝配元件之間的設計聯系，是捕捉設計意圖的一種方式^[5]。關系是參數化設計的另一關鍵元素，主要用于控制模型尺寸的變化。

關系可以是簡單值或復雜的條件分支語句^[6]。關系表達式往往不止一種，應該選擇條理清晰、邏輯簡單的為宜。關系不宜寫成最終的簡化形式：雖然原始關系表達式數據較多、編寫復雜，但邏輯清晰；簡化形式的關系表達式雖然編寫簡單，但不易追溯。

在組件中，具有裝配關系的零部件相關關系宜保持一致，盡量減少關系傳遞次數。例如：如圖7所示，零件A和零件B有裝配關系。零件B方孔需要與零件A方孔大小相同，裝配時各邊對齊。零件A方孔關系表達式為D1=W-c-e、D2=H-a-b（其中W和H為驅動參數），則零件B方孔的表達式宜為D3=W-c-e、D4=H-a-b，而不宜為D3=D1-f-g、D4=D2-m-n。

圖7 有裝配關系零件示意

1.4　程序修改

程序用來記錄特征的整個創建過程，包括特征類型、參數、關系等創建特征所需要的所有信息^[6]。程序是參數化設計中的又一關鍵元素，通過修改模型程序可以控制相關特征的有無和相關零部件的裝配與否。

模型程序的修改主要是在原程序的基礎上通過添加必要的函數語句實現。

1.5　函數語句應用

在核電站主控室OWP盤臺參數化設計過程中，創建關系和修改程序常用的函數有正弦函數SIN（）、反正弦函數ASIN（）、正切函數TAN（）、反正切函數ATAN（）和向下取整函數FLOOR（）；常用的語句有IF語句和ELSE語句。

（1）向下取整函數FLOOR

向下取整函數FLOOR主要在特征尺寸為非整除的情況時使用。如圖8所示，寬度為W的零件有四個等間距圓孔，則四個孔的間距關系為D1=FLOOR（（W-a-b）/3）。如果a=b=50，當W=2100時，則D1=FLOOR（（2100-50-50）/3）=FLOOR（2000/3）=666；當W=2200時，則D1=FLOOR（（2200-50-50）/3）=FLOOR（2100/3）=700。

圖8 FLOOR函數應用示意

（2）IF語句

IF語句為條件語句，其結構形式為：

IF 條件

若干關系的序列或IF語句

ENDIF^[5]

（3）ELSE語句

ELSE語句為條件語句，常與IF語句配合使用，其 結構形式為：

IF 條件

若干關系的序列或IF語句

ELSE

若干關系的序列或IF語句

ENDIF^[5]

1.6　結論

參數化設計的核心是建立參數化模型，而建立參數化模型的關鍵是確定驅動參數，然后通過合理的函數語句創建必要的關系和修改必要的程序，最終通過改變參數值來改變相關設計。掌握一些建模技巧可有效提高參數化設計效率，建立參數化模型的原則是盡量避免創建關系、盡量減少關系。

2　參數化設計實例

如圖2所示，以US-5盤臺為例列舉部分零部件的參數化設計方法。由表2可知，該盤臺的驅動參數為S、S2、H、W13、J131、J132。

2.1　盤臺特點說明

屏風式OWP盤臺為抗震I類盤臺，其主體結構形式為“框架+外殼”。框架由底座、側框架和橫梁焊接成型；外殼由鈑金制作，焊接到框架表面。由于涉及工藝要求和維護要求，盤臺桌面前面下部（操作人員的膝蓋上方）設計有維護窗口和對應的維護蓋板。

2.2　底座零件設計

如圖9所示，US-5盤臺底座主要由四根角鋼焊接成型，分別為后橫梁、前橫梁、左側梁和右側梁。底座外面焊接外殼，整體寬度尺寸為970mm，柜體深度尺寸為700mm。圖9中，尺寸970對應驅動參數W13，尺寸700對應驅動參數S2，尺寸76.5°對應驅動參數J131，尺寸79.5°對應驅動參數J132。角鋼截面尺寸為100mm×100mm×10mm，外殼鈑金厚度為3mm。

圖9 盤臺底座示意

（1）后橫梁參數化設計

后橫梁參數化尺寸如圖10所示，其D0、D1、D2三個變化尺寸參數化設計如下：

D0=W13-3/SIN(J131)-3/TAN(J131)-3/SIN(J132)-3/TAN(J132)

D1=J131

D2=J132

圖10 后橫梁尺寸示意

（2）前橫梁參數化設計

前橫梁參數化尺寸與后橫梁相同，如圖10所示，其D0、D1、D2三個變化尺寸參數化設計如下：

D0=W13-3/SIN(J131)-(S2-100-3)/TAN(J131)-3/SIN(J132)-(S2-100-3)/TAN(J132)

D1=J131

D2=J132

2.3　維護蓋板設計

維護蓋板的結構樣式如圖11所示，其在盤臺的安裝位置如圖12所示（結合圖3）。維護蓋板通過螺釘安裝到盤臺，根據盤臺寬度尺寸的變化，安裝螺釘的數量會發生改變（當螺釘間距超過250mm時則需要增加一個螺釘）。維護蓋板的尺寸D1、D2、D3、P4（陣列數量）、D6、P7（陣列數量）、D8、D9均為變化尺寸。需要注意的是其中D8不等于J131，D9不等于J132。如圖13所示，由于存在兩個傾斜角度∠B≠∠A，∠B即相當于D8或D9，∠A相當于J131或J132。維護蓋板外形尺寸部分的參數化設計如下：

D1=W13-(S-3-52*SIN(ATAN((S-S2)/(100-40))))/TAN(J131)-(S-3-52*SIN(ATAN((S-S2)/(100-40))))/TAN(J132)

D2=(S-S2)/SIN(ATAN((S-S2)/(100-40)))-2*52

D8=ATAN((S-S2)/SIN(ATAN((S-S2)/(100-40)))/((S-S2)/TAN(J131)))

D9=ATAN((S-S2)/SIN(ATAN((S-S2)/(100-40)))/((S-S2)/TAN(J132)))

圖11 維護蓋板示意

圖12 維護蓋板安裝位置

圖13 角度示意

3　結束語

核電站主控室OWP盤臺結構參數化設計方法并不單一，但基本原則是盡量避免和減少關系的創建，從而降低出錯率，提高運算速度。同時，核電站主控室OWP盤臺結構參數化設計并不能解決100%的問題，有些細節需要單獨創建、修改或刪除，有些以族表形式存在的零部件需要根據最終生成的結構尺寸進行替換。

核電站主控室OWP盤臺結構參數化設計過程中，需要對相關零部件創建必要關系來驅動尺寸變化，有些零部件還需要修改程序來控制特征的有無與裝配與否。相對于一個盤臺而言，一組盤臺參數化設計需要花費更多時間和精力，但對于結構形式相同尺寸各異的結構產品而言，參數化設計具有一勞永逸的效果。核電站主控室OWP盤臺結構參數化設計可有效縮短設計周期，提高設計質量，保證結構產品設計風格一致。同時，核電站主控室OWP盤臺結構參數化設計也為其他產品的結構參數化設計提供了一種技術參考。

作者簡介：

張　偉（1979-），男，北京人，高級工程師，學士，現就職于北京廣利核系統工程有限公司，主要從事核電廠非安全級儀控系統產品結構設計方面的工作。

參考文獻：

[1]張偉.核電站主控室OWP顯示器安裝方式的研究與應用[J].自動化博覽,2023,40(362):44-47.

[2] GB13625-1992,核電廠安全系統電氣設備抗震鑒定[S].

[3]HAFJ0053-1995,核設備抗震鑒定試驗指南[S].

[4] 張偉.基于顯示器安裝技術的核電站抗震屏風式OWP盤臺的設計[J].自動化博覽,2024,41(371):58-63.

[5]詹友剛.Pro/ENGINEER中文野火版5.0高級應用教程[M].北京:機械工業出版社,2010.

[6]二代龍震工作室.Pro/ENGINEERWildfire5.0高級設計[M].北京:清華大學出版社,2010.

摘自《自動化博覽》2024年10月刊