核电设备数字化设计平台关键技术研究与应用

周建秋，张 洁，赵 栋，黄子参，严家福

（中广核工程有限公司核电安全监控技术与装备国家重点实验室，深圳 518124)

0 引言

目前中广核设计院正在积极推进“华龙一号”示范项目的研发工作，使核电由“中国制造”转变为“中国创造”，真正走出国门，参与国际核电市场竞争。作为核电站的核心，核电设备的自主化研发设计是中国核电“走出去”的关键环节。

核电设备设计周期长，系统复杂，涉及学科众多，由设备设计原因导致的延期交付等会导致重大的经济损失，因此规范设备的设计流程，缩短设备设计周期，提升设备设计质量成为核电设备设计的主要发展方向。随着信息技术的快速发展，以三维设计及计算机辅助工程为主的CAD、CAE工具已经在核电设备的设计中大量的应用，发挥着重要的作用。但同时如何将单一设计工具进行有效集成，形成规范的从三维设计、校核计算到设计分析验证的整个流程；在纵向上将单个流程中的数据形成统一的输入输出文件，以及多次迭代后进行有效的产品数据及过程管理，在横向上规范结构、热工、水力等多个专业之间的数据接口，变得越来越迫切和重要。原有的分散式设计和管理模式也已无法满足当今跨部门、跨专业、跨地域的协同设计需求，大量设计数据、设计经验保存在个人的计算机内，无法进行有效的管控，版本不一致的情况时有发生。多种设备设计软件和信息系统并存，彼此之间缺少有效的信息共享和利用，使得设计数据种类繁多，重复冗余，检索困难，数据的安全性及共享管理程度低等，许多经验与知识存在遗失的可能。此外，在当前的设计环节中，数据的来源多种多样，设计人员需要与提资系统、设计生产管理平台等多个系统进行数据交互，如何研发一个统一的平台将这些众多的系统有效地集成也变得非常重要。

针对以上问题，以数据为核心的产品全生命周期管理（PLM）理念[1～3]被提出并逐渐应用到企业信息化生产中，目前PLM已成为工业4.0和“中国制造2025”的重要内容[4]之一，也是制造业实现“两化融合”和智能制造的重要途径[5]。作为产品生命源头，设计数据管理[6，7]越来越得到重视。汽车、航空、航天等领域内，设计研发、分析验证、数据管理、知识管理为一体的集成设计技术被研发并得到广泛应用[8]。核电领域内，全厂三维协同布置设计[9，10]得到了各核电设计单位的深入研究和应用，达到了核电多专业协同设计和设计数据统一管控的目的。核电设备设计过程主要包含三维建模、力学仿真分析、强度校核、材料分析等设计活动。全厂三维协同布置设计侧重于核电厂布置设计，并不适用于核电设备设计的各设计活动需求。

本文针对传统核电设备设计中存在的问题，基于数据生命周期管理理念，提出了核电设备数字化设计理论体系，并应用研发核电设备设计平台，实现了设计任务管理的电子化、设计过程的流程化和规范化、设计工具的集成与统一调用、数据结构化组织、外部系统数据无缝式传递、经验知识智能化应用等。该平台的研发应用经验，可以复制到核电行业的其它设计单位，并可推广到其他相近行业的工程设计单位。

1 核电设备数字化设计

根据核电设备设计中存在的问题，确定核电设备数字化设计思路：

以流程为主线，对设备设计过程从业务流程到设计流程进行规范化和电子化管理。

以数据管理为基础，实现对设计过程数据的规范化管理和智能化应用。

以工具封装为手段，实现对设计资源的集成应用。

以设计管理模块为抓手，实现在线的任务管理、提资、技术决策等，保障对设计活动全过程进行及时的干预、协调和监控。

1.1 核电设备设计全流程的建立

1.1.1 设备设计流程化

核电设备种类多、数量大，每种设备的设计要求、设计准则、技术要求各不相同。为规范和实现设备设计活动的管控，针对各设备设计方法，结合众多项目工程实践经验反馈，对设计流程进行梳理并充分归纳总结与完善，建立设备设计流程，涵盖设备设计的全过程。

图1 设备设计流程知识管理系统结构图

1.1.2 封装设计经验，实现计算向导化

在核电设备设计中，强度校核计算占有重要的位置。中广核设计院通过经验积累和总结已经形成了RCC-M、ASME、常压储罐GB50341、NB_47003.1等规范的标准Excel计算模板。在校核过程中，查表、插值计算、数据复制粘贴、编制结果报告等传统手工的操作需要设计人员投入大量的时间，且易出现低级错误，此外，各模板散落在个人电脑上，在长时间的使用下易出现版本不一致，导致校核出差错。针对以上问题，传统的强度校核计算数字化研究是通过高级语言编程，开发相关计算软件来代替Excel的计算[11]。但该方式所完成的软件往往不够灵活，很多设计人员仍然选择Excel模板计算。因此，本文提出采用第三方Excel封装软件EASA实现强度校核计算模板的封装，通过调用EASA服务开展校核计算。

流程化逻辑：1）EASA将Excel提供的表格、公式和关系进行封装，并通过URL提供给应用系统给予调用。2）EASA被调用后，将得出的计算过程数据，包括过程数据及结果数据提交至NGINX服务器中。3）EASA发出通知提醒应用系统进行数据获取。4）应用系统从NGINX获取数据，可供生成报告书使用。

该方式通过后台集中管理各计算模板，所见即所得的向导式计算过程，最大限度接近用户原有使用习惯。根据所有的相关计算结果，自动生成WORD格式计算结果报告，将设计人员从重复劳动中解放出来，提高设计效率，降低人因差错。

1.1.3 CAE分析流程及其标准化

设备设计涉及到的计算机辅助分析的领域非常广泛，包括了各类设备的热工水力分析、电磁性能分析、动力学分析、应力分析、密封分析、疲劳及断裂分析等。鉴于各类仿真分析活动均采用输入、调用软件分析最后产生输出结果的模式，因此提出CAE分析活动流程化。通过设计流程，实现设计软件、设计步骤、设计过程数据、数据关系的封装，进而实现纵向设计数据和横向多专业数据的有效管理与追溯，确保设计过程的规范化和可控。

1.2 核电设备设计数据管理

1.2.1 基于模型的设计数据管理

图2 强度校核计算流程化逻辑关系图

图3 设计流程结构图

在设备三维模型设计中，SOLIDWORKS、CREO等CAD设计软件均配套提供了功能强大的产品数据管理系统（PDM），PDM能够很好地实现产品三维模型的各项管理功能。因此，应用成熟的PDM管理模型，通过模型关键信息（模型ID、模型数据名称、模型在PDM系统中的路径）的链接式存储，可以实现模型在应用系统中的关联和应用。

图4 PDM系统集成逻辑图

1.2.2 材料数据库的集成

核电设备材料种类繁多，设计过程中需在数百种不同材料中选择。每一种材料都包含了物理性能（如热导率、热扩散系数、线膨胀系数、弹性模量、密度及泊松比）、力学性能（如不同温度下应力强度限值、极限抗拉强度，屈服强度，基本许用应力）和疲劳曲线等属性。采取规范化材料数据库管理，便于设备设计、三维建模、计算分析过程中直接调用材料性能数据，降低人为选用和人工计算可能造成的差错，保障数据可靠性，提高设计准确率和设计效率。

1.2.3 构建设计数据关联关系，实现数据的有价值推送

设计活动之间不是相互独立的，而且存在输入输出关联关系的，而且设计活动之间具有可参考的价值，通过预定义的规则，利用互联网智能推荐技术，帮助设计人员及时准确地获取设计可参考的信息，充分利用已有的设计数据，挖掘数据价值。

1.3 设计分析工具的集成

设计工具是核电设备设计的重要组成部分，设计工具的集成是保证设计流程可以顺利执行以及文件和参数自动传递的重要的环节。通过对商业、自编和各种专业分析工具的统一集成与封装，实现工具的统一管理与调度，输入输出文件及参数的自动化入库管理与关联。

通过网络信息技术执行客户端CMD 命令方式启动本地软件，以此为基础，通过SSH密钥验证协议、XMANAGER相关技术，实现用户在本地客户端与远程服务器上应用软件的交互设计，最后，根据用户制定的规则自动将指定的分析结果文件统一抓取到服务器。为了解决软件安装路径的问题，提出了软件启动引擎的机制，对于本地软件的启动，通过启动该引擎，执行输入文件，查找客户端注册表，调用相应软件，对于远程服务器（高性能计算平台、计转软件服务器）的软件执行，提前在引擎中配置好软件的执行路径及参数接收方式，通过直接调用该引擎并传入参数及输入文件，可直接在远程服务器发起作业任务，调用高性能计算平台中的计算分析软件及硬件资源，并将计算结果自动抓回，实现无缝集成，提升设计效率，简化设计操作。

1.4 设计过程管理

以设计任务的方式管理设计活动，便于进度跟踪、进度控制和统计报表等。任务管理是设计的基础，按照实际项目的方式管理设计任务，由项目管理工程师根据核电任务统筹安排设备设计任务，逐级分解，最终落实到具体设计任务。设计人员收到设计任务后开展设计活动，形成成品文件，同时记录、保存设计过程信息。项目管理工程师可总体监控项目任务开展情况并进行统计，各层级负责人则实时跟踪整个设计过程。

设计输入是设计活动开展的先决条件，设计输入的有效管控也是设备设计质量得以保障的前提。

图6 CAE分析流程示例

图7 强度校核计算

设计过程控制流程，实现了对设计策划、设计输入控制、设计分析控制、设计评审、设计验证和设计输出控制等设计活动的逻辑关联，该逻辑关联基于法规、标准、程序规范中对设计质量保证要求以及特定专业设计要求而建立。

2 核电设备设计平台

基于以上理论体系，本文应用研发出核电设备设计平台，该平台的技术框架如图5所示，以B/S架构的方式呈现给设计人员，平台包括设计过程管理与协同设计两个模块。设计过程管理主要实现多级任务管理、内部提资、所内决策、函件管理、数据统计等。协同设计模块包含了设计工具、设计流程、设计数据和标准规范四个子模块。设计工具模块中实现了本地和远程设计工具的一体化调度，自研程序的集成，设计输入输出的全部或部分自动化管理。设计流程模块将设计过程中的工具、数据、提资、知识等有效地集成封装成模板，达到设计流程的管控和设计过程的复用。设计数据模块实现了设计数据结构化组织与管理、数据关联、数据权限控制、数据查询、数据轻量化浏览、根据设计报告模板自动生成计算报告等功能。标准规范模块通过对RCCM、ASME、国标等规范的强度计算的封装以及规范材料库的建立，实现设计经验的积累。

图5 技术架构

图8 三维模型在线浏览

2.1.设备三维设计、校核计算以及仿真分析全过程，打造CAD/CAE一体化设计环境

为了实现仿真设计过程规范化和标准化，平台定制了各类设计的流程模板，设计人员通过实例设计模板开展相关的仿真设计。以反应堆压力容器RPV其中的力学分析为例，整个设计流程包含了计算输入参数、建立有限元模型、应力计算求解、应力评定四个设计活动。第一个设计活动提供了三维模型等的输入文件上传和输入参数填写，后面三个设计活动分别调用HyperMesh网格划分、ANSYS求解以及应力评定。各个活动所生成的过程数据能够在活动之间实现传递和关联。

平台归纳总结强度设计经验，封装了170余套强度计算模板。通过统一规范的计算模式、计算源头、材料数据源和计算报告样式，实现强度计算过程的规范化和标准化。

在设备三维模型设计中，平台实现了与SolidWorks PDM的集成。用户可通过平台直接调用SolidWorks设计软件开展三维模型设计，并将模型数据存储到PDM系统。凭借链接式的存储，模型数据可直接关联到平台设计任务，应用PDM自带的web浏览功能可实现在线轻量化浏览，为后续核电设备的三维模型协同设计工作提供了便捷。

2.2 设计数据的智能化应用

2.2.1 设计数据的积累和组织，实现经验知识的共享和传承

核电设备设计平台将通用的设计流程封装成模块，为设计人员提供便捷地向导式设计。此外，平台支持用户自定义设计流程，实现计算过程的固化和设计经验的沉淀。

平台采用树状结构管理设计任务。任务所出版的成品文件及参考文件在文件库中提供给平台所有用户查阅参考。

2.2.2 构建设计数据关联关系，实现数据的有价值推送

传统TA/CR/NCR等技术服务函件管理散落在个人电脑中，不利用数据管理和利用。核电设备设计平台通过构建函件库，统一管理，与设计文件关联，形成设计反馈，实现数据的参考应用价值。通过函件与设计文件的关联关系，以及设计文件之间的关系，利用预定义的规则[12]，应用互联网推荐系统技术，在用户处理函件过程中，推送相关项目类似函件的相关处理数据和相关设计数据，同样，在用户开展设计工作中，推送相关函件数据和相关设计数据，实现设计数据的价值化。

图9 设计数据推送

2.2.3 设计迭代和数据对比，实现设计最优化

在平台的设计流程中，设计人员可自由地设置设计迭代轮次，每次迭代设计结果之间不受影响，最终，选择最优的作为本次设计流程的设计结果。过程中，设计人员可选择不同迭代轮次、不同工况的设计数据进行数据对比，查看异同点。

图10 设计数据对比

2.3 核电设备设计工具的一体化集成

工具一体化集成主要是在流程管理框架下，通过设计流程与设计工具的集成与封装，实现设计工具的一体化调度、设计输入/输出的全部或部分自动化管理。

平台集成了大型商业设计分析软件18款，例如有限元分析软件ANSYS、Abaqus，流体计算软件Fluent等。设计人员可调用本地或远程高性能计算服务器的相关程序开展计算，并将数据同步检入到平台服务器中。

除了商业软件外，平台还封装了数十款技术转让专用软件，用于特殊的工程分析领域，这些专用软件均通过了严苛的试验验证，如LIDO、HUMID、J-TUBE等技转软件。同时，平台还允许设计人员在流程中嵌入经验证的脚本程序。这些脚本主要通过VBA语言/C语言/Java/C#/Python等语言编写，帮助设计人员大大减少命令流和代码的输入工作量、格式检查、计算数据评估与提取等重复性工作，可显著减少人因失误。

此外，核电设备设计平台集成了高性能计算平台的作业调度系统（PBS），能够直接发起作业任务，调用高性能计算平台中的计算分析软件及硬件资源，并将计算结果自动抓回，实现无缝集成，提升设计效率，简化设计操作。

图11 核电设备设计平台中的高性能计算配置

2.4 基于流程图方式的设计任务管理

作为设计活动的源头，设计任务管理至关重要。核电设备设计平台以设备、项目、阶段为主要层次，以流程图方式的树状结构管理设计任务，通过流程图节点关联设计任务，节点颜色展示当前设计节点的进度（未启动、进行中、已完成），任务关联设计活动和设计结果，从而实现设计任务、计算分析过程和设计结果的规范化管理，如下图展示了惠州项目RPV设备初步设计阶段流程示意图。

开创性地以设备设计流程图的方式管理设计任务，使得设备设计的过程更加清晰和明确。同时，也为其他核电项目的设备设计过程提供参考，实现经验的积累和共享。

2.5 材料力学性能数据库

核电设备设计平台提供了包含RCC-M、ASME以及国标三种规范的材料力学性能数据库。该材料库有制造类型、采购技术规范、泊松比、密度、屈服强度等22个属性，120种牌号，900条材料记录。平台记录了材料库的更新过程，实现后续可追溯。多种查询条件组合实现材料定向检索。通过Excel模板双向导入导出，方便了更新维护。规范、统一的材料库，为用户查阅材料、平台分析计算使用材料提供了唯一的数据源，保证了材料数据源的正确性、可追溯性和唯一性。

图12 设备设计的流程图

图13 力学性能材料库

3 应用效果

目前，核电设备设计平台已在中广核设计院宁德二期、防城港二期、惠州太平岭、三澳等在建核电项目及GDA华龙一号通用设计审查项目上的核电设备设计中全面应用。核电设备设计平台已成为设计人员开展设备设计工作和检索数据的主要平台，应用对象覆盖设计院自主设计的所有核电设备，包括核岛主设备、辅助设备、重型支承、机电设备、三废设备等，应用范围囊括设计中的任务管理、强度计算、三维模型设计、仿真分析、性能分析、性能材料库管理应用等设备设计全部设计活动。

4 结语

针对核电设备设计中存在的多专业领域、多学科复杂设计协同问题和信息孤岛问题，本文提出了核电设备数字化设计方法，并应用研发核电设备设计平台。该平台为核电设备的设计提供了统一的设备研发设计与管理的平台，秉承一站式的管理模式、集成流程经验、数据高效利用、提高统计效率的原则，实现有效的设计管理。通过设备设计平台对设备设计中的流程、数据、工具与经验管理与积累，实现了：设计过程的可控性、设计结果的可追溯性、设计专业之间的协同性，从而提升设计质量；设计仿真数据的高效复用和最优化管理；将复杂的专业知识、经验有效采集与智能化应用，为全方位知识管理提供保障，并将可标准化的设计工作自动化，从而提升设计效率。