核電設備數字化設計平臺關鍵技術研究與應用

周建秋，張 潔，趙 棟，黃子參，嚴家福

（中廣核工程有限公司核電安全監控技術與裝備國家重點實驗室，深圳 518124)

0 引言

目前中廣核設計院正在積極推進“華龍一號”示范項目的研發工作，使核電由“中國制造”轉變為“中國創造”，真正走出國門，參與國際核電市場競爭。作為核電站的核心，核電設備的自主化研發設計是中國核電“走出去”的關鍵環節。

核電設備設計周期長，系統復雜，涉及學科眾多，由設備設計原因導致的延期交付等會導致重大的經濟損失，因此規范設備的設計流程，縮短設備設計周期，提升設備設計質量成為核電設備設計的主要發展方向。隨著信息技術的快速發展，以三維設計及計算機輔助工程為主的CAD、CAE工具已經在核電設備的設計中大量的應用，發揮著重要的作用。但同時如何將單一設計工具進行有效集成，形成規范的從三維設計、校核計算到設計分析驗證的整個流程；在縱向上將單個流程中的數據形成統一的輸入輸出文件，以及多次迭代后進行有效的產品數據及過程管理，在橫向上規范結構、熱工、水力等多個專業之間的數據接口，變得越來越迫切和重要。原有的分散式設計和管理模式也已無法滿足當今跨部門、跨專業、跨地域的協同設計需求，大量設計數據、設計經驗保存在個人的計算機內，無法進行有效的管控，版本不一致的情況時有發生。多種設備設計軟件和信息系統并存，彼此之間缺少有效的信息共享和利用，使得設計數據種類繁多，重復冗余，檢索困難，數據的安全性及共享管理程度低等，許多經驗與知識存在遺失的可能。此外，在當前的設計環節中，數據的來源多種多樣，設計人員需要與提資系統、設計生產管理平臺等多個系統進行數據交互，如何研發一個統一的平臺將這些眾多的系統有效地集成也變得非常重要。

針對以上問題，以數據為核心的產品全生命周期管理（PLM）理念[1～3]被提出并逐漸應用到企業信息化生產中，目前PLM已成為工業4.0和“中國制造2025”的重要內容[4]之一，也是制造業實現“兩化融合”和智能制造的重要途徑[5]。作為產品生命源頭，設計數據管理[6，7]越來越得到重視。汽車、航空、航天等領域內，設計研發、分析驗證、數據管理、知識管理為一體的集成設計技術被研發并得到廣泛應用[8]。核電領域內，全廠三維協同布置設計[9，10]得到了各核電設計單位的深入研究和應用，達到了核電多專業協同設計和設計數據統一管控的目的。核電設備設計過程主要包含三維建模、力學仿真分析、強度校核、材料分析等設計活動。全廠三維協同布置設計側重于核電廠布置設計，并不適用于核電設備設計的各設計活動需求。

本文針對傳統核電設備設計中存在的問題，基于數據生命周期管理理念，提出了核電設備數字化設計理論體系，并應用研發核電設備設計平臺，實現了設計任務管理的電子化、設計過程的流程化和規范化、設計工具的集成與統一調用、數據結構化組織、外部系統數據無縫式傳遞、經驗知識智能化應用等。該平臺的研發應用經驗，可以復制到核電行業的其它設計單位，并可推廣到其他相近行業的工程設計單位。

1 核電設備數字化設計

根據核電設備設計中存在的問題，確定核電設備數字化設計思路：

以流程為主線，對設備設計過程從業務流程到設計流程進行規范化和電子化管理。

以數據管理為基礎，實現對設計過程數據的規范化管理和智能化應用。

以工具封裝為手段，實現對設計資源的集成應用。

以設計管理模塊為抓手，實現在線的任務管理、提資、技術決策等，保障對設計活動全過程進行及時的干預、協調和監控。

1.1 核電設備設計全流程的建立

1.1.1 設備設計流程化

核電設備種類多、數量大，每種設備的設計要求、設計準則、技術要求各不相同。為規范和實現設備設計活動的管控，針對各設備設計方法，結合眾多項目工程實踐經驗反饋，對設計流程進行梳理并充分歸納總結與完善，建立設備設計流程，涵蓋設備設計的全過程。

圖1 設備設計流程知識管理系統結構圖

1.1.2 封裝設計經驗，實現計算向導化

在核電設備設計中，強度校核計算占有重要的位置。中廣核設計院通過經驗積累和總結已經形成了RCC-M、ASME、常壓儲罐GB50341、NB_47003.1等規范的標準Excel計算模板。在校核過程中，查表、插值計算、數據復制粘貼、編制結果報告等傳統手工的操作需要設計人員投入大量的時間，且易出現低級錯誤，此外，各模板散落在個人電腦上，在長時間的使用下易出現版本不一致，導致校核出差錯。針對以上問題，傳統的強度校核計算數字化研究是通過高級語言編程，開發相關計算軟件來代替Excel的計算[11]。但該方式所完成的軟件往往不夠靈活，很多設計人員仍然選擇Excel模板計算。因此，本文提出采用第三方Excel封裝軟件EASA實現強度校核計算模板的封裝，通過調用EASA服務開展校核計算。

流程化邏輯：1）EASA將Excel提供的表格、公式和關系進行封裝，并通過URL提供給應用系統給予調用。2）EASA被調用后，將得出的計算過程數據，包括過程數據及結果數據提交至NGINX服務器中。3）EASA發出通知提醒應用系統進行數據獲取。4）應用系統從NGINX獲取數據，可供生成報告書使用。

該方式通過后臺集中管理各計算模板，所見即所得的向導式計算過程，最大限度接近用戶原有使用習慣。根據所有的相關計算結果，自動生成WORD格式計算結果報告，將設計人員從重復勞動中解放出來，提高設計效率，降低人因差錯。

1.1.3 CAE分析流程及其標準化

設備設計涉及到的計算機輔助分析的領域非常廣泛，包括了各類設備的熱工水力分析、電磁性能分析、動力學分析、應力分析、密封分析、疲勞及斷裂分析等。鑒于各類仿真分析活動均采用輸入、調用軟件分析最后產生輸出結果的模式，因此提出CAE分析活動流程化。通過設計流程，實現設計軟件、設計步驟、設計過程數據、數據關系的封裝，進而實現縱向設計數據和橫向多專業數據的有效管理與追溯，確保設計過程的規范化和可控。

1.2 核電設備設計數據管理

1.2.1 基于模型的設計數據管理

圖2 強度校核計算流程化邏輯關系圖

圖3 設計流程結構圖

在設備三維模型設計中，SOLIDWORKS、CREO等CAD設計軟件均配套提供了功能強大的產品數據管理系統（PDM），PDM能夠很好地實現產品三維模型的各項管理功能。因此，應用成熟的PDM管理模型，通過模型關鍵信息（模型ID、模型數據名稱、模型在PDM系統中的路徑）的鏈接式存儲，可以實現模型在應用系統中的關聯和應用。

圖4 PDM系統集成邏輯圖

1.2.2 材料數據庫的集成

核電設備材料種類繁多，設計過程中需在數百種不同材料中選擇。每一種材料都包含了物理性能（如熱導率、熱擴散系數、線膨脹系數、彈性模量、密度及泊松比）、力學性能（如不同溫度下應力強度限值、極限抗拉強度，屈服強度，基本許用應力）和疲勞曲線等屬性。采取規范化材料數據庫管理，便于設備設計、三維建模、計算分析過程中直接調用材料性能數據，降低人為選用和人工計算可能造成的差錯，保障數據可靠性，提高設計準確率和設計效率。

1.2.3 構建設計數據關聯關系，實現數據的有價值推送

設計活動之間不是相互獨立的，而且存在輸入輸出關聯關系的，而且設計活動之間具有可參考的價值，通過預定義的規則，利用互聯網智能推薦技術，幫助設計人員及時準確地獲取設計可參考的信息，充分利用已有的設計數據，挖掘數據價值。

1.3 設計分析工具的集成

設計工具是核電設備設計的重要組成部分，設計工具的集成是保證設計流程可以順利執行以及文件和參數自動傳遞的重要的環節。通過對商業、自編和各種專業分析工具的統一集成與封裝，實現工具的統一管理與調度，輸入輸出文件及參數的自動化入庫管理與關聯。

通過網絡信息技術執行客戶端CMD 命令方式啟動本地軟件，以此為基礎，通過SSH密鑰驗證協議、XMANAGER相關技術，實現用戶在本地客戶端與遠程服務器上應用軟件的交互設計，最后，根據用戶制定的規則自動將指定的分析結果文件統一抓取到服務器。為了解決軟件安裝路徑的問題，提出了軟件啟動引擎的機制，對于本地軟件的啟動，通過啟動該引擎，執行輸入文件，查找客戶端注冊表，調用相應軟件，對于遠程服務器（高性能計算平臺、計轉軟件服務器）的軟件執行，提前在引擎中配置好軟件的執行路徑及參數接收方式，通過直接調用該引擎并傳入參數及輸入文件，可直接在遠程服務器發起作業任務，調用高性能計算平臺中的計算分析軟件及硬件資源，并將計算結果自動抓回，實現無縫集成，提升設計效率，簡化設計操作。

1.4 設計過程管理

以設計任務的方式管理設計活動，便于進度跟蹤、進度控制和統計報表等。任務管理是設計的基礎，按照實際項目的方式管理設計任務，由項目管理工程師根據核電任務統籌安排設備設計任務，逐級分解，最終落實到具體設計任務。設計人員收到設計任務后開展設計活動，形成成品文件，同時記錄、保存設計過程信息。項目管理工程師可總體監控項目任務開展情況并進行統計，各層級負責人則實時跟蹤整個設計過程。

設計輸入是設計活動開展的先決條件，設計輸入的有效管控也是設備設計質量得以保障的前提。

圖6 CAE分析流程示例

圖7 強度校核計算

設計過程控制流程，實現了對設計策劃、設計輸入控制、設計分析控制、設計評審、設計驗證和設計輸出控制等設計活動的邏輯關聯，該邏輯關聯基于法規、標準、程序規范中對設計質量保證要求以及特定專業設計要求而建立。

2 核電設備設計平臺

基于以上理論體系，本文應用研發出核電設備設計平臺，該平臺的技術框架如圖5所示，以B/S架構的方式呈現給設計人員，平臺包括設計過程管理與協同設計兩個模塊。設計過程管理主要實現多級任務管理、內部提資、所內決策、函件管理、數據統計等。協同設計模塊包含了設計工具、設計流程、設計數據和標準規范四個子模塊。設計工具模塊中實現了本地和遠程設計工具的一體化調度，自研程序的集成，設計輸入輸出的全部或部分自動化管理。設計流程模塊將設計過程中的工具、數據、提資、知識等有效地集成封裝成模板，達到設計流程的管控和設計過程的復用。設計數據模塊實現了設計數據結構化組織與管理、數據關聯、數據權限控制、數據查詢、數據輕量化瀏覽、根據設計報告模板自動生成計算報告等功能。標準規范模塊通過對RCCM、ASME、國標等規范的強度計算的封裝以及規范材料庫的建立，實現設計經驗的積累。

圖5 技術架構

圖8 三維模型在線瀏覽

2.1.設備三維設計、校核計算以及仿真分析全過程，打造CAD/CAE一體化設計環境

為了實現仿真設計過程規范化和標準化，平臺定制了各類設計的流程模板，設計人員通過實例設計模板開展相關的仿真設計。以反應堆壓力容器RPV其中的力學分析為例，整個設計流程包含了計算輸入參數、建立有限元模型、應力計算求解、應力評定四個設計活動。第一個設計活動提供了三維模型等的輸入文件上傳和輸入參數填寫，后面三個設計活動分別調用HyperMesh網格劃分、ANSYS求解以及應力評定。各個活動所生成的過程數據能夠在活動之間實現傳遞和關聯。

平臺歸納總結強度設計經驗，封裝了170余套強度計算模板。通過統一規范的計算模式、計算源頭、材料數據源和計算報告樣式，實現強度計算過程的規范化和標準化。

在設備三維模型設計中，平臺實現了與SolidWorks PDM的集成。用戶可通過平臺直接調用SolidWorks設計軟件開展三維模型設計，并將模型數據存儲到PDM系統。憑借鏈接式的存儲，模型數據可直接關聯到平臺設計任務，應用PDM自帶的web瀏覽功能可實現在線輕量化瀏覽，為后續核電設備的三維模型協同設計工作提供了便捷。

2.2 設計數據的智能化應用

2.2.1 設計數據的積累和組織，實現經驗知識的共享和傳承

核電設備設計平臺將通用的設計流程封裝成模塊，為設計人員提供便捷地向導式設計。此外，平臺支持用戶自定義設計流程，實現計算過程的固化和設計經驗的沉淀。

平臺采用樹狀結構管理設計任務。任務所出版的成品文件及參考文件在文件庫中提供給平臺所有用戶查閱參考。

2.2.2 構建設計數據關聯關系，實現數據的有價值推送

傳統TA/CR/NCR等技術服務函件管理散落在個人電腦中，不利用數據管理和利用。核電設備設計平臺通過構建函件庫，統一管理，與設計文件關聯，形成設計反饋，實現數據的參考應用價值。通過函件與設計文件的關聯關系，以及設計文件之間的關系，利用預定義的規則[12]，應用互聯網推薦系統技術，在用戶處理函件過程中，推送相關項目類似函件的相關處理數據和相關設計數據，同樣，在用戶開展設計工作中，推送相關函件數據和相關設計數據，實現設計數據的價值化。

圖9 設計數據推送

2.2.3 設計迭代和數據對比，實現設計最優化

在平臺的設計流程中，設計人員可自由地設置設計迭代輪次，每次迭代設計結果之間不受影響，最終，選擇最優的作為本次設計流程的設計結果。過程中，設計人員可選擇不同迭代輪次、不同工況的設計數據進行數據對比，查看異同點。

圖10 設計數據對比

2.3 核電設備設計工具的一體化集成

工具一體化集成主要是在流程管理框架下，通過設計流程與設計工具的集成與封裝，實現設計工具的一體化調度、設計輸入/輸出的全部或部分自動化管理。

平臺集成了大型商業設計分析軟件18款，例如有限元分析軟件ANSYS、Abaqus，流體計算軟件Fluent等。設計人員可調用本地或遠程高性能計算服務器的相關程序開展計算，并將數據同步檢入到平臺服務器中。

除了商業軟件外，平臺還封裝了數十款技術轉讓專用軟件，用于特殊的工程分析領域，這些專用軟件均通過了嚴苛的試驗驗證，如LIDO、HUMID、J-TUBE等技轉軟件。同時，平臺還允許設計人員在流程中嵌入經驗證的腳本程序。這些腳本主要通過VBA語言/C語言/Java/C#/Python等語言編寫，幫助設計人員大大減少命令流和代碼的輸入工作量、格式檢查、計算數據評估與提取等重復性工作，可顯著減少人因失誤。

此外，核電設備設計平臺集成了高性能計算平臺的作業調度系統（PBS），能夠直接發起作業任務，調用高性能計算平臺中的計算分析軟件及硬件資源，并將計算結果自動抓回，實現無縫集成，提升設計效率，簡化設計操作。

圖11 核電設備設計平臺中的高性能計算配置

2.4 基于流程圖方式的設計任務管理

作為設計活動的源頭，設計任務管理至關重要。核電設備設計平臺以設備、項目、階段為主要層次，以流程圖方式的樹狀結構管理設計任務，通過流程圖節點關聯設計任務，節點顏色展示當前設計節點的進度（未啟動、進行中、已完成），任務關聯設計活動和設計結果，從而實現設計任務、計算分析過程和設計結果的規范化管理，如下圖展示了惠州項目RPV設備初步設計階段流程示意圖。

開創性地以設備設計流程圖的方式管理設計任務，使得設備設計的過程更加清晰和明確。同時，也為其他核電項目的設備設計過程提供參考，實現經驗的積累和共享。

2.5 材料力學性能數據庫

核電設備設計平臺提供了包含RCC-M、ASME以及國標三種規范的材料力學性能數據庫。該材料庫有制造類型、采購技術規范、泊松比、密度、屈服強度等22個屬性，120種牌號，900條材料記錄。平臺記錄了材料庫的更新過程，實現后續可追溯。多種查詢條件組合實現材料定向檢索。通過Excel模板雙向導入導出，方便了更新維護。規范、統一的材料庫，為用戶查閱材料、平臺分析計算使用材料提供了唯一的數據源，保證了材料數據源的正確性、可追溯性和唯一性。

圖12 設備設計的流程圖

圖13 力學性能材料庫

3 應用效果

目前，核電設備設計平臺已在中廣核設計院寧德二期、防城港二期、惠州太平嶺、三澳等在建核電項目及GDA華龍一號通用設計審查項目上的核電設備設計中全面應用。核電設備設計平臺已成為設計人員開展設備設計工作和檢索數據的主要平臺，應用對象覆蓋設計院自主設計的所有核電設備，包括核島主設備、輔助設備、重型支承、機電設備、三廢設備等，應用范圍囊括設計中的任務管理、強度計算、三維模型設計、仿真分析、性能分析、性能材料庫管理應用等設備設計全部設計活動。

4 結語

針對核電設備設計中存在的多專業領域、多學科復雜設計協同問題和信息孤島問題，本文提出了核電設備數字化設計方法，并應用研發核電設備設計平臺。該平臺為核電設備的設計提供了統一的設備研發設計與管理的平臺，秉承一站式的管理模式、集成流程經驗、數據高效利用、提高統計效率的原則，實現有效的設計管理。通過設備設計平臺對設備設計中的流程、數據、工具與經驗管理與積累，實現了：設計過程的可控性、設計結果的可追溯性、設計專業之間的協同性，從而提升設計質量；設計仿真數據的高效復用和最優化管理；將復雜的專業知識、經驗有效采集與智能化應用，為全方位知識管理提供保障，并將可標準化的設計工作自動化，從而提升設計效率。