基于Inventor的某核電站反應堆本體設備吊裝路徑仿真優化

李成武

（上海核工程研究設計院有限公司，上海 200233）

介紹基于Inventor 軟件進行某核電站反應堆本體設備的吊裝路徑仿真優化分析方法。在完成反應堆本體設備三維建模后，利用Inventor 軟件的驅動約束功能對一體化頂蓋組件、上部堆內構件和下部堆內構件進行吊裝路徑仿真分析，得到優化的吊裝路徑，為現場的吊裝操作提供指導。

反應堆本體設備；吊裝路徑；Inventor 軟件；驅動約束

0 引言

某核電站反應堆本體設備主要包括反應堆壓力容器、堆內構件、控制棒驅動機構、保溫層、一體化堆頂組件及相關附屬設備構成。在反應堆停堆換料期間，需拆裝堆本體系統有關設備，為反應堆換料做準備，并為反應堆再次啟動提供條件。拆裝堆本體設備涉及上、下部堆內構件及一體化堆頂組件的吊裝操作。對堆本體設備的吊裝路徑進行優化設計，可以縮短吊裝所需時間，從而節省停堆換料時間，進而提高電廠的經濟性。

Autodesk 公司的Inventor 軟件是成熟的三維建模設計軟件，堆本體設備基于該軟件完成了三維建模設計。在此基礎上，對吊裝設備進行路徑動態仿真，從而得到優化的吊裝路線。

Inventor 軟件進行動態仿真有如下幾種方式：驅動約束、裝配分解、Inventor Studio、運動仿真。驅動約束仿真可同時進行碰撞和接觸干涉檢查，因此本文采用該方式完成吊裝路徑優化分析。

1 路徑優化分析概述

Inventor 具有非常強大的裝配功能[1]，其零部件運動模擬通常也是基于裝配約束的。Inventor 的裝配模型中每添加一個裝配約束，系統內部就會自動地為這個約束賦予一個變量以指定被約束零部件相互之間偏移的距離，而且這個變量可以用Inventor 的內部函數與其他變量建立關系，并在驅動約束主變量時實現聯動，為實現復雜的模擬運動帶來了可能。在Inventor 的變量中除了用“加減乘除”運算進行關聯外，還可以用Sin、Cos 等復雜函數建立相互間的關聯關系，通過一定范圍的步驟或距離驅動主變量，就能模擬機械運動。在此基礎上，利用接觸識別器、碰撞檢測等工具即可開展對完全和部分約束的系統的運動研究。

接觸集合也是一種裝配約束，許多機械裝置的運動方式是由一個零件移動并接觸到另一個零件，于是第二個零件隨之運動，或者移動零件接觸到另一個固定的零件時將停止移動。使用接觸識別器便可以實現這個功能。

進行堆本體設備吊裝路徑優化分析時，在堆本體總裝模型里添加一個小零件，定義其繞任意某個軸的旋轉約束作為主約束（相當于自變量），然后將堆本體設備在存放架上的約束（相當于因變量）與該主約束變量進行函數關聯，定義吊裝路徑。通過驅動約束功能對主約束設置起始和終止位置，并將吊裝的設備與廠房其他可能與其干涉的設備添加到接觸集合，同時啟動“激活接觸識別器”，則在驅動約束運行時，吊裝設備將沿定義的路徑運動，并實時檢查與周圍設備的接觸情況。一旦檢測到有接觸現象發生，則驅動約束自動停止運行，此時可查看吊裝發生干涉時設備所處的具體位置，更改函數調整吊裝路徑并進行再次仿真，最終得到優化后的吊裝路徑。

2 堆本體設備吊裝路徑優化

2.1 一體化頂蓋組件的吊裝路徑優化

一體化頂蓋組件包括一體化堆頂組件、頂蓋組件等設備。當反應堆停堆換料時，一體化頂蓋組件從反應堆壓力容器上方吊裝到一體化頂蓋存放架（IHP 存放架）上，吊裝前后的位置分別見圖1 和圖2 所示。

圖1 一體化頂蓋組件吊裝前布置示意圖

圖2 一體化頂蓋組件吊裝后布置示意圖

為了采用“驅動約束”功能進行吊裝動態仿真，定義一體化頂蓋組件與IHP 存放架之間的裝配約束關系見表1 所示。

表1 一體化頂蓋組件的裝配約束關系

根據堆本體工藝布置圖可規劃一體化頂蓋組件初步吊裝路徑，如圖3 所示。該吊裝路徑一方面考慮使路線最短，以節約吊裝時間；另一方面也初步考慮了避免與其他設備發生干涉。其中，根據ALARA 原則，吊裝一體化頂蓋組件過程中離運行層的高度不應超過3m，此處取為3m。

圖3 一體化頂蓋組件吊裝路徑示意圖

吊裝路徑仿真的過程如下：一體化頂蓋組件從位于堆上的初始位置沿圖3 規劃的路徑移動，到達存放架上方時按存放的角度進行旋轉，然后豎直下放并最終擱置在存放架上，在此過程中實時進行接觸檢查以判斷其是否與廠房其他設備發生干涉。

根據以上吊裝過程，在堆本體布置裝配模型中添加一個參考圓柱零件，定義圓柱軸線繞廠房XZ 平面旋轉的角度約束，設置該約束為主約束，作為自變量，即相當于實際吊裝操作時的時間概念。當圓柱的角度約束值由0°不斷增大時，吊裝設備不斷地朝存放位置移動，直至吊裝完成。為實現該邏輯，將一體化頂蓋組件定義的裝配約束參數與圓柱的角度約束參數進行函數關聯，并定義如下吊裝順序：參考圓柱的角度約束值由0°增大為360°時完成圖3-3 第一條直線段吊裝仿真；由360°增大為720°時完成圖3 第二條直線段吊裝仿真；由720°增大為1080°時完成吊裝旋轉仿真；由1080°增大為1440°時完成一體化頂蓋組件下放仿真。據此定義如下用戶參數用以判斷仿真處于哪個階段。

表2 吊裝路徑仿真指示參數

參數S1、S2、S3和S4使用Sign 函數表達式。Sign（expr）中當expr 為負或0 時則返回0，如果為正則返回1。

根據以上自定義參數及結合圖3 的吊裝路徑，可得一體化頂蓋組件裝配約束的表達式如表3 所示。

表3 吊裝操作裝配約束

對裝配約束Y1的函數表達式進行驗證，見表4 所示。從驗證結果可知滿足吊裝路徑要求，其余裝配約束也可類推。

表4 裝配約束Y1函數表達式的驗證

定義了一體化頂蓋組件裝配約束的函數表達式后，對參考圓柱的旋轉約束進行驅動約束，如圖4 所示，一體化頂蓋組件則按定義的吊裝路徑進行動態仿真。

圖4 驅動約束操作界面

當仿真到150°時，軟件提示發生干涉，無法進行下一步求解。具體干涉位置如圖5 所示。該提示是由于頂蓋上的導向套筒與SG 廠房立面墻發生干涉而產生的。因此調整吊裝路徑如圖6 所示。

圖5 一體化頂蓋組件與SG廠房干涉示意圖

圖6 吊裝路徑干涉與調整示意圖

根據圖6 所示的吊裝路徑重新定義各裝配約束的函數表達式，并再次進行仿真，軟件無干涉提示，即調整后的路徑在吊裝時不會發生干涉。由此完成了一體化頂蓋組件的吊裝路徑優化。

2.2 上部堆內構件的吊裝路徑優化

上部堆內構件通過堆內構件吊具從堆芯吊裝到上部堆內構件存放架上。吊裝前后的位置見圖7 所示。

圖7 上部堆內構件吊裝前后布置圖

為進行吊裝路徑仿真，與一體化頂蓋組件類似，定義上部堆內構件與存放架之間的裝配約束見表5。

表5 上部堆內構件的裝配約束關系

根據堆本體工藝布置圖規劃上部堆內構件初步吊裝路徑，如圖8 所示。

圖8 上部堆內構件吊裝路徑示意圖

吊裝路徑仿真過程如下：上部堆內構件從位于堆芯的初始位置沿圖8 規劃的路徑移動，到達存放架上方時按存放的角度進行旋轉，然后豎直下放并最終擱置在存放架上，在此過程中實時進行接觸檢查以判斷其是否與廠房其他設備發生干涉。

根據以上吊裝過程，結合之前已定義的參考圓柱角度約束定義如下吊裝順序：參考圓柱的角度約束值由0°增大為360°時完成圖3-8 直線段吊裝仿真；由360°增大為720°時完成在存放架上方時的旋轉仿真；由720°增大為1080°時完成上部堆內構件下放過程仿真。據此需使用表2 定義的用戶參數K、S1、S2和S3。

根據自定義參數及結合圖3-圖8 的吊裝路徑，可得上部堆內構件裝配約束的表達式如表6 所示。

表6 吊裝操作裝配約束

定義了上部堆內構件裝配約束的函數表達式后，對參考圓柱的旋轉約束進行驅動約束，如圖9 所示，上部堆內構件則按定義的吊裝路徑進行動態仿真。

圖9 驅動約束操作界面

當仿真到120°時，軟件提示發生干涉，無法進行下一步求解。具體干涉位置如圖10 所示。該提示是由于堆內構件吊具上的導向套筒與換料水池水閘門立面墻發生干涉而產生的。

圖10 堆內構件吊具與換料水池水閘門干涉示意圖

堆內構件吊具在90°和270°方位上分別設置了一個導向套筒，由于上部堆內構件沿斜向上的路徑吊裝，因此導致導向套筒與上側水閘門干涉。為避免發生干涉且為吊裝留有一定自由空間，開始吊裝時先整體逆時針旋轉90°，然后再按照之前的路徑進行吊裝。根據調整后的吊裝順序再次進行仿真，軟件無干涉提示，即吊裝過程調整后不會發生干涉。由此完成了上部堆內構件的吊裝路徑優化。

2.3 下部堆內構件的吊裝路徑優化

下部堆內構件通過堆內構件吊具從堆芯吊裝到下部堆內構件存放架上。吊裝前后的位置見圖11 所示。

圖11 下部堆內構件吊裝前后布置圖

為進行吊裝路徑仿真，與上部堆內構件類似，先定義下部堆內構件與存放架之間的裝配約束見表7。

表7 上部堆內構件的裝配約束關系

根據堆本體工藝布置圖規劃下部堆內構件初步吊裝路徑，如圖12 所示。

圖12 下部堆內構件吊裝路徑示意圖

吊裝路徑仿真過程如下：下部堆內構件從位于堆芯的初始位置沿圖12 規劃的路徑移動，到達存放架上方時按存放的角度進行旋轉，然后豎直下放并最終擱置在存放架上，在此過程中實時進行接觸檢查以判斷其是否與廠房其他設備發生干涉。

根據以上吊裝過程，結合之前已定義的參考圓柱角度約束定義如下吊裝順序：參考圓柱的角度約束值由0°增大為360°時完成圖12 直線段吊裝仿真；由360°增大為720°時完成在存放架上方時的旋轉仿真；由720°增大為1080°時完成下部堆內構件下放過程仿真。據此需使用表2 定義的用戶參數K、S1、S2和S3。

根據自定義參數及結合圖12 的吊裝路徑，可得下部堆內構件裝配約束的表達式如表8 所示。

表8 吊裝操作裝配約束

定義了下部堆內構件裝配約束的函數表達式后，對參考圓柱的旋轉約束進行驅動約束，如圖13 所示，下部堆內構件則按定義的吊裝路徑進行動態仿真。

圖13 驅動約束操作界面

仿真過程中軟件并未提示發生干涉，即該吊裝路徑理論可行。但觀察仿真過程，在吊裝到水閘門處時，下部堆內構件與水閘門距離過近，見圖14 所示。該距離會影響設備的吊裝安全，因此將吊裝路徑調整為如圖15 所示。由此完成了下部堆內構件的吊裝路徑優化。

圖14 下部堆內構件與水閘門接近時的示意圖

圖15 優化后的吊裝路徑

3 結語

堆本體設備的吊裝操作是反應堆停堆換料階段的一個必須環節。在完成堆本體設備三維布置建模后，借助Inventor 軟件的驅動約束功能，對規劃的吊裝路徑進行動態仿真，并實時檢查與廠房和其他設備的干涉現象，從而驗證了規劃路徑的可行性與合理性，為現場的真實吊裝操作提供了理論指導。