轻量化技术在核反应堆设备结构设计与评价中的应用

郑丹晨　曾辉　卢嘉川　冯云姣　唐雷

【摘 要】针对反应堆设备结构设计中普遍存在的异构文件的装配、设计初期干涉检查等问题，本文介绍了以轻量化技术为基础的异构三维模型装配的解决方案，并在此基础上实现了大规模的反应堆总体设备快速浏览、以及设备间的干涉检查等功能。该解决方案成功应用于反应堆设备结构设计过程中，取得了良好的效果。

【关键词】轻量化技术；结构设计；设计评价

中图分类号： TP391.9 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2017）20-0101-002

The Application of Lightweight Technology in Reactor Equipments Design And Estimating

ZHENG Danchen ZENG Hui LU Jia-chuan FENG Yun-jiao TANG Lei

（State Key Laboratory of Reactor System Design Technology， Nuclear Power Institute of China， Chengdu Sichuan 610041，China）

【Abstract】Towards the problems in the structure design of reactor equipments， such as the assembly and interference of different format models， the resolution of assembly from different format 3D models based on lightweight technology is introduced. The function of rapid browsing of massive equipment models， and interference checking， is realized. The resolution is applied successfully in reactor equipments structure design.

【Key words】Lightweigh Technology； Structure Design； Design Estimating

0 引言

数字化技术的应用已经深入到国内外工程科研的各个领域。反应堆系统的研发与飞机、汽车等尖端制造业领域一样，涵盖了空气动力学、流体、电子、仪控、材料、机械等多个专业。在我国，反应堆设计制造集成技术的研究和应用领域，与其它先进行业相比，还存在较大差距。为了提升反应堆工程研发设计手段，应大力加强核动力装置数字化设计制造集成的技术研发，利用革新的技术持续提升新型反应堆系统自主创新研发能力，在此基础上提升研发效率，缩短设计、研发、建造周期，提升核动力工程经济性。反应堆关键设备协同设计是军用核动力装置数字化设计制造集成技术的重要组成部分。如何基于三维设计，以关键设备为研究对象，提高各专业部门协同设计水平，是反应堆关键设备结构设计的瓶颈问题。

本文介绍了以轻量化技术为基础的反应堆设备结构设计流程，解决了设备异构模型的装配、更新以及大模型的在线浏览问题。基于轻量化模型解决方案，实现异构模型间的干涉检查，能够作为结构设计初始阶段的评价标准。

1 需求分析

反应堆关键设备的结构设计由不同的部门和设计人员完成，可能来源于UG NX、CATIA、Inventor、PDMS等若干种设计软件。由此产生的异构模型无法直接装配。总结反应堆设备三维结构设计亟待解决的问题，主要有：（1）如何实现异构三维模型的整体装配；（2）异构模型装配后，保留原有的装配结构信息；（3）反应堆整体装配后的三维模型，应在普通PC机能够快速浏览。（4）异构模型可以进行设备间的三维干涉检查，作为结构设计的重要评价依据，使因干涉原因造成的设计反复尽可能减少。

2 轻量化技术的应用

2.1 异构模型装配

综合考虑反应堆设备结构设计以上几点需求，轻量化技术是解决异构模型装配的有效途径。轻量化模型，通过将CAD模型的几何信息、参数信息、产品制造信息、装配信息、零部件属性信息等进行提取，用压缩算法对非结构化的几何信息进行处理，同时对结构化的标注信息、属性信息、装配信息等进行简化提取，从而获得体积小、效率高、易于展示的三维数据模型。

将不同设计平台产生的三维模型转换成同种格式的轻量化模型文件，在统一的第三方平台上完成设备间的整体装配。对于异构的三维CAD模型，轻量化过程一致，轻量化效果基本一致，三维模型的几何信息保存完整，采用树状层次的装配结构记录方式，能较好体现装配体的产品结构，减少组成装配体的元件数量，降低装配规划和分析的复杂度。同时，只要约束名和零部件名称保持不变，可以实现子装配和零部件的局部更新而整体装配结构不受影响，这对于协同设计中的局部更新十分重要。因此，只需要针对不同的CAD系统开发专用的轻量化转换接口即可。解决方案如图1所示：

选取国内的Intevue软件作为轻量化平台，以UG NX软件作为CAD软件说明CAD软件中批量导出轻量化模型的接口开发，其他CAD软件原理相同。利用UG NX的二次开发技术，在UG NX软件的界面上增加文件批量导出和上传的菜单，使用JSON格式封装通信的所有的消息，通过与服务器端建立SOCKET通信传递操作的请求与回复，通过FTP链接进行所有文件的上传/下载。

2.2 大装配的快速浏览

大规模裝配体的浏览，对于普通的带参数的特征模型，在普通PC机上无法实现，需要在高性能的图形工作站上完成，并且存在明显的性能瓶颈。反应堆本体的模型大约在三万多各零件，四千多万的三角面片数量，模型浏览和交互时的卡顿较强。轻量化模型很好的解决了这一问题。由于轻量化模型只保留模型的外形，不保留特征和建模的历史数据，模型数据量大幅减小，只有原特征模型的1/20到1/70。在普通PC机上，反应堆本体的轻量化模型可以快速加载，流畅实现模型装配、旋转、剖切、测量等操作。endprint

图2 UG端的界面

轻量化技术发展迅速，可以直接将浏览器封装成ActiveX控件，在浏览器上运行，在浏览器端即可实现轻量化软件中的全部功能。模型的轻量化文件存放在远程服务器上，客户端通过网络申请获取访问权限，文件数据通过http或ftp请求获取，无需将模型的轻量化文件保存到本地。同时，尽管因为轻量化模型没有记录特征定义和历史过程，模型不可再编辑。但模型存储和传输采用的编码算法是可变的，可以用户定制，如对算法进行加密等。以上两点特性，使得产品模型的保密性得到保证。浏览器端的实现效果如图3所示。

2.3 基于轻量化模型实现设备间的干涉检查

异构模型的干涉检查无法进行。考虑利用统一的轻量化模型，实现干涉检查工作。模型干涉检查通常分为静态检查和动态检查两种。这里首先解决的是静态干涉检查的技术问题，即模型在空间中的位置是不随时间改变的。对于主流的轻量化干涉检查技术，主要是在包络盒干涉检查算法结合轻量化模型典型的多层次LOD数据结构，通过逐层过滤实现可变精度快速干涉检查，并给予对应的可视化技术对检查结果进行显示，以便最大限度地用定性干涉检查的方法剔除包容盒不相交的部件，尽可能地减少精确干涉检查的次数和时间。

干涉检查完成后需要对结果进行处理，至少应包括三个方面：

（1）选择性的显示干涉部位；

（2）生成干涉分析报告；

（3）干涉分析报告的发布与保存。

结合以上三方面的处理，形成了完整的干涉结果处理方案，提交到产品的结构工程师作为模型修改的参考；同时上传到服务器端，作为结构设计的初步评价标准保存。具体到服务器端的实现，将干涉检查工具封装成一个单独的静态程序，在后台调用完成操作。客户端上传模型完成后，请求进行干涉检查操作，服务器端通过脚本启动干涉检查过程，并将干涉检查的结构信息提取出来，作为反馈信息通过SOCKET传递给客户端。界面如图5。

3 结语

通过本文的介绍可以看到，轻量化技术在核反应堆关键设备结构设计及评价方面得到了应用，重点解决了异构模型的装配、大规模装配体的浏览、以及设备间干涉检查等问题。面对更为深层次的反应堆本体设计过程协同的要求，更复杂更大规模的三维模型问题，需要不断完善和发展轻量化技术，并进行更为深入的应用研究。轻量化技术必将成为反应堆协同设计中不可缺少的关键组成。

【参考文献】

[1]刘清华，李帅，刘云华，万立.协同环境中基于轻量化的3D异构CAD模型干涉检查.中国机械工程，2013，24（1）：56-60.

[2]刘云华，刘俊，陈立平.产品三维数据模型轻量化表示实现.计算机辅助设计与图形学学报.2006，18（4）：602-607.

[3]李洲洋，田錫天，耿俊浩，田富君.基于轻量化三维模型的CAD/CAPP/CNC系统集成技术研究.西北工业大学学报，2011，29（4）：503-508.endprint