反应堆三维协同设计平台单一数据源设计模式分析

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　　摘  要：反应堆结构设计内部接口复杂，同时与堆芯物理、一回路系统、核仪器仪表、燃料组件、热工水力、力学分析等专业具有大量外部接口。目前以文档交付物为核心的设计模式中，不同文档交付物均可作为工作依据，而各文档交付物之间未形成數据关联，可能形成多个数据源，从而造成数据冲突，导致设计差错。因此，反应堆三维协同设计平台的重要目的之一就是实现单一数据源，保证设计正确。文章对反应堆结构三维协同设计平台现阶段的三维骨架接口、三维模型与二维图纸关联以及三维模型与仿真模型之间关联三个方面的以三维模型为核心的单一数据源设计模式进行了梳理，并分析了其局限性，提出三维模型与文档数据关联和仿真模型版本管理的需求，为后续反应堆结构三维协同设计平台的建设和完善提供参考。
　　关键词：反应堆结构;三维协同;单一数据源;设计模式
　　中图分类号：TL371         文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2020）06-0093-03
　　Abstract： The internal interfaces of reactor structure design are complicated and there exist huge numbers of external interfaces to the reactor core physics， primary circuit system， nuclear instrument， fuel assemblies， thermohydraulics and mechanical analysis. The design mode is based on documents and different documents all can offer reference for the design work. As a result， there will be multi-data source without data connections between documents， thus bringing data conflicts and design errors. Thus， the main purpose of the three-dimensional collaborative design platform is the establishment of single data source. This paper has concluded the single data source design mode based on 3D model， which includes the skeleton interfaces， the dynamic connections between the 3D model， the 2D drawing and the simulation model. The limitations are discussed and the demand for the dynamic connection between 3D model and documents is introduced， which can provide reference for the following construction of the three-dimensional collaborative design platform.
　　Keywords： reactor structure; three-dimensional collaborative design; single data source; design mode
　　1 概述
　　反应堆结构复杂，包含反应堆压力容器、反应堆压力容器辐照监督管、反应堆压力容器保温层、控制棒驱动机构、反应堆堆顶结构、堆内构件、反应堆支承及一次屏蔽结构等;所涉及专业包含反应堆结构总体设计、反应堆压力容器设计、换料工艺、控制棒驱动机构设计、堆内构件设计、反应堆支承及一次屏蔽设计等。反应堆结构设计专业内部接口复杂，同时与堆芯物理、一回路系统、核仪器仪表、燃料组件、热工水力、力学分析等专业具有大量外部接口。
　　反应堆结构设计内、外部协同主要依靠接口单、联系单等表单形式。主要不足之处表现在：效率低，流程长，表述不直观，难以保证表单内容的时效性等。目前以文档交付物为核心的设计模式中，不同文档交付物均可作为工作依据，而各文档交付物之间未形成数据关联，可能形成多个数据源，从而造成数据冲突，导致设计差错。
　　为了提高我国反应堆结构设计能力，提升反应堆结构三维协同设计能力和自动化、智能化水平。在新的历史时期，搭建反应堆结构三维协同设计平台，实现基于全三维模型的核动力设备、系统各专业协同数字化设计，实现设计过程中资源、数据、流程的紧密集成，实现反应堆结构设计的数字化、集成化与协同化，最终提高反应堆结构设计效率及系统的整体性能，提高研发与运行效率就成为了反应堆设计发展的重要目标[1-5]。而如何借助平台技术优势，实现反应堆三维协同设计平台单一数据源设计模式，保证设计正确、高效也就构成了反应堆结构设计能力提升的重要方面[6-8]。
　　现有的反应堆结构三维协同设计平台基于成熟的商用PLM软件在现阶段的三维骨架接口、三维模型与二维图纸关联以及三维模型与仿真模型之间关联三个方面基本实现了以三维模型为核心的单一数据源，但还存在一定的局限性，例如，还没有建立三维模型与文档之间的数据关联，三维模型与仿真模型之间存在版本控制的问题等。
　　提出三维模型与文档数据关联的需求，为后续反应堆结构三维协同设计平台的建设和完善提供参考。 　　2 反应堆三维协同设计平台现状
　　反应堆结构协同设计子系统采用基于“三维模型”为主数据的“自顶向下”与“自底向上”相结合的设计模式， 系统设计内容涵盖了数据对象、访问规则、工作流程、开发定制等。目标是以“模型”为语言在反应堆结构专业内、外实现沟通“0”障碍;实现反应堆结构三维协同设计、分析、驗证，打通专业内部的数据流、业务流，并实现与力学、热工水力、物理等专业的外部协同。
　　现有的反应堆结构三维协同设计平台基于成熟的商用PLM软件在现阶段的三维骨架接口、三维模型与二维图纸关联以及三维模型与仿真模型之间关联三个方面基本实现了以三维模型为核心的单一数据源。如图1。
　　2.1 骨架接口
　　反应堆单位结构协同设计平台 “自顶向下”设计依靠建立骨架模型来实现。这种方法是从产品构成的最顶层开始，把组成整机的部（组）件作为系统的一个零件来考虑，并根据其在产品中的相互位置关系、所起的作用和实现功能等建立产品构成的二维布局和三维骨架图形。通过给定设计约束条件、关键的设计参数等设计信息，集中地捕捉产品整机设计意图，自上而下地传递所给的设计信息。同时通过骨架模型将总体设计参数传递到下游零件，保证装配模型和零件设计完全双向相关同步，并且通过数据访问权限和BOM结构版本规则的合理定义，确保协同设计过程中不同科室之间可以相互参考最新设计结果。
　　设计过程中，组件与组件之间的接口不再是传统的接口单文档，而是用骨架模型来对接口信息进行描述。例如，吊篮出口管嘴与压力容器出口接管的相对位置信息将通过草图上的几根曲线进行说明，接管则通过圆弧来描述大小和空间位置信息。一般的三维建模软件，以NX为例，都实现了草图参数化和草图与三维模型的动态关联，因此可以直接通过改变骨架形状和参数来驱动三维模型。通过流程对骨架接口数据访问权限进行管理，就可以保证模型接口的唯一性和正确性。如图2。
　　2.2 三维模型与二维图纸关联
　　现阶段，由于制造厂还无法实现基于三维模型的加工制造，设计部门与制造厂之间还是通过二维图纸来交互设计信息。二维工程图转换功能在三维建模软件中已经取得了较为成熟的引用，基本可以实现三维模型的结构尺寸、比例等变更能及时动态地反映到二维图纸，且图纸标注信息也与三维模型实际尺寸保持一致。
　　2.3 三维结构模型与仿真模型之间的关联
　　三维结构协同设计平台打通三维结构模型和仿真模型之间的接口，建立结构设计与性能仿真的协同设计流程，使结构模型与仿真模型之间形成自动化的数据关联， 完成仿真计算模块与三维协同设计平台的集成，在设计过程中实现结构专业与仿真专业之间的双向反馈，提高设计效率并提前发现问题。建立结构设计与仿真分析之间设计流程，建立三维结构模型与仿真模型之间的数据关联，实现上游模型的变化能够自动传递到下游仿真模型，并自动更新计算结果，返回新的仿真评估分析和优化建议，形成结构仿真迭代的闭环。如图3。
　　3 反应堆三维协同设计平台局限性
　　3.1 三维模型与文档交付物关联
　　现有设计模式以文档交付物为核心，从项目管理、设计管理到数据管理均以文档交付物为准。一般文档交付物包括技术文件、接口信息单、设计变更单、技术联系单等。技术文档中往往会涉及与三维模型相关的数据信息。这些数据可以是三维结构原始尺寸信息，例如反应堆压力容器内径、反应堆总高等，也可以是原始尺寸信息的加工信息，例如水容积、浸润面积等。这些数据在相应的技术文件、接口单中被大量引用。但是由于PLM软件本身具有一定的封闭性，且与文档处理软件无法良好集成。导致目前无法从根本上建立以三维模型为中心的结构化数据关联，也就无法从根本上消除多个数据源的问题。如图4。
　　3.2 仿真模型版本管理
　　目前反应堆三维结构协同设计平台已经初步建立三维结构模型与仿真模型之间的数据关联，实现上游模型的变化能够自动传递到下游仿真模型。但是这样的数据关联在模型局部网格划分，拓扑结构改变后的适应性等方面还存在一定的问题。并且，三维模型作为仿真模型的上游，往往为下游端不同的仿真软件提供输入，PLM软件与仿真软件集成度对仿真文件管理模式有极大影响。而仿真过程中，往往会产生大量的过程数据， 最终导致仿真模型存在多个版本，增加了版本管理上的难度。目前，西门子等公司的PLM产品对仿真模型的管理上还没有形成较好的解决方案。
　　4 以三维模型为核心的结构化数据关联需求
　　反应堆三维结构协同设计平台单一数据源的基础是建立以三维模型为核心的结构化数据关联。即在反应堆结构三维协同设计平台中建立基于三维模型的元数据， 以元数据为设计信息的源头， 具有最高优先等级，将技术文件等作为元数据的衍生数据，衍生数据的修改必须从元数据的修改开始，元数据的修改也必须传递到衍生数据。对于设计变更应建立闭环控制。
　　主要关联关系包括四个方面，三维骨架接口、三维模型与二维图纸关联、三维模型与仿真模型之间关联以及三维模型与文档交付物关联。其中前三个方面基于成熟的PLM以及三维建模软件已经初步实现相关功能。三维模型与文档交付物关联还需要进一步定制开发。具体需求如下：
　　实现从三维模型中获取PMI（产品与制造信息）信息。配置NX与协同设计平台的PMI提取接口，能够提取三维模型的PMI标注信息，并形成结构化数据关联存储在协同设计平台中。通过开发实现将存储在协同设计平台中的结构化PMI数据输出为表单附件，并可以在PMI变更后更新。
　　允许对PMI数据进行程序化加工和再加工，自动生成新的接口数据，如水容积、浸润面积等，供后续文件调用。
　　支持利用协同设计平台中的结构化PMI数据生成技术文件、接口单等文档，并在PMI信息发生变更后可快速更新或重新生成文档文件，保证文档数据与三维模型一致。
　　目前，西门子等公司的PLM产品对仿真模型的管理上还没有形成较好的解决方案，因此对于仿真模型版本管理需求在此暂时不予讨论。
　　5 结束语
　　现有的反应堆结构三维协同设计平台基于成熟的商用PLM软件在现阶段的三维骨架接口、三维模型与二维图纸关联以及三维模型与仿真模型之间关联三个方面基本实现了以三维模型为核心的单一数据源，但还存在一定的局限性，例如，还没有建立三维模型与文档之间的数据关联，三维模型与仿真模型之间存在版本控制的问题等。针对三维模型与文档之间的数据关联提出了基本需求，包括实现从三维模型中获取PMI（产品与制造信息）信息，允许对PMI数据进行程序化加工和再加工，自动生成新的接口数据，支持利用协同设计平台中的结构化PMI数据生成技术文件、接口单等文档等。为后续反应堆结构三维协同设计平台的建设和完善提供参考
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