核电设备设计平台开发与研究

范章 1,晋文娟 1,缪岭 1

摘要：数字化转型是核电设备设计发展的一个必经之路，基于数字化的设备设计平台能够对设计过程中的数据及其流转方式进行有效的管理，从而在三维建模和结构化数据等方面具备数字化设计的基础条件。本文以设备设计平台为研究对象，结合核电设备设计的特点，论述数字化建设的主要研究内容，并深入挖掘和利用结构化数据的价值和优势，从而提升专业的设计能力，并为数字化设计的建设和发展打下基础。

关键词:数字化设计；设备平台；数据管理；三维设计

1.引言

设备设计平台是以数字化为基础的，面向非标机械设备及其相关专业的先进设计平台。其主要手段的是利用计算机辅助设计和产品数据管理的相关技术，同时充分考虑与工程分析等环节进行数据对接，并逐步考虑设备制造和运行过程中的数据利用，最终能够形成一个完整的以设计为驱动的一体化闭环设计系统。

目前，国内主要设计行业对于数字化设计的研究，主要集中在产品的模块化设计方法、集成化产品建模、基于产品平台的数字化设计制造技术及其应用基于事物特性表的产品设计/制造/测量集成技术等方面。随着经济全球化和市场化程度的加深，数字化设计在制造业中的重要性逐步被认可，数字化设计经历了“二维CAD->三维实体造型->参数化三维建模系统->变量化三维建模系统->虚拟现实技术”的发展历程。

对于当前的一些技术前沿行业，数字化设计技术贯穿于产品研发制造的全过程，且与精益生产、并行工程等先进技术相融合，实现了良好的应用，同时在其行业内部也已经形成了一套适应于自身特点的完整的数字化设计方案。但是，对于传统的制造业，其数字化设计水平发展较为缓慢，目前大多数的设计单位还处于由二维CAD向三维建模过渡的阶段。

2.平台的研究内容

2.1设计过程管理

设备的设计过程是一个动态、复杂的过程，包含着不同的专业、设计环节以及设计标准等要素，这些设计过程要素之间的相互关系构建了设备设计过程的结构。在设备设计过程中隐含着设计人员的设计经验和知识等复杂信息，包括对管理体系和设计标准的掌握，清楚各种设计条件和设计项目，熟知以往的设计案例和经验反馈，所以将设计过程中所涉及的大量且复杂的信息以流程化的方式进行固化，可以有效地避免设计过程的反复和缺项情况，从而提高设备设计的质量和设计效率。

2.2设备关键数据管理

对设备设计过程中所接收及产生的数据信息进行分析，找到具有实际应用价值且对设计环节影响较大的关键类型的数据，根据数据产生的逻辑信息和作用，将数据的传递和存储与设计流程的需求相互结合，形成统一的数据结构和管理体系。

设备的关键数据包括设计输入数据（设计条件、接收接口信息），作为设备设计的依据，此外还包括设计数据，也就是通过设计活动所产生的用来描述设备特性的参数数据，在设计数据中一部分数据同时会以过程数据的形式作为计算分析过程的输入数据或者与其他专业间的接口传递数据，同时也会有一部分数据会成为成品文件中的设备参数数据和交付数据。不同类型和属性的数据在整个设备的设计流程中所起到的作用是不同的，需要根据不同类型的数据针对性的制定其流转和储存方式，从而使其易于维护并最大化的得到利用。

2.3参数化建模

参数化建模通过简单地改变模型中的参数值就能方便的修改设计意图，从而修改设计模型，建立和分析新的模型。参数是参数化建模的核心概念，在一个模型中，参数是通过“尺寸”的形式来体现的。关系是参数化建模的另一个重要因素。关系是设计者自定义的尺寸符号和参数之间的等式。在数字化设计平台中，利用参数化建模的理念来进行设备的设计可以大大提高设计效率。

根据核电设备的特点，建立以参数化为基础的三维设计模式，在设计中能够直观、清晰地反映设备的结构特点，避免设备自身结构或设备之间产生干涉，充分提高设备设计的正确性与可靠性。

2.4设计工具集成

由于设备设计所使用的CAD、CAE等计算机辅助技术本身不具备相互集成的能力，各个系统之间缺乏有机联系，目前不同软件之间的数据传递主要依靠人工进行，导致信息交换不通畅，同时也不能保证数据的统一性，形成了不同工具的“信息孤岛”。

设计工具的集成是平台建设中重要的一环，通过对设计工具及软件的集成，将设计过程中的数据直接在不同的软件和数据库之间进行处理和传递，减少人工对数据的直接操作，从而提高设计的准确率和效率。

不同类型的软件在不同的设计阶段发挥其作用，尤其是三维设计软件与不同的计算分析软件之间，往往需要大量的数据传递以及多次的迭代设计。通过梳理设计数据在不同设计环节和不同软件间的传递流程，使用通用的工具集成接口，打通不同类型软件之间的数据传递通道，完成平台内设计工具的集成。

2.5数据库的搭建

根据平台设计管理的需求，需要结合设备的设计流程和关键数据的梳理成果在平台内搭建相应的数据库。数据库的类型大致可以分为三类：基础数据库、设计数据库和功能数据库。

其中基础数据库主要为设计过程中常用的参考查询类的数据，包括金属材料数据、焊接材料数据等，对设计过程起到基础的信息支持作用；设计数据库为设计过程中与设备参数相关的数据，是数据管理的核心，设计数据库是设备过程参数以及成品文件中相关参数的唯一来源，保证设计数据的唯一性和一致性；功能数据库主要用于其他特殊的设备和功能模块的需求。

2.6全周期数据管理

除了在设备的设计阶段外，制造和运行阶段也包含着大量的重要数据和经验反馈。通过对特定数据的收集和整理可以形成一个庞大的知识体系，从而反向促进新型设备的设计改进，并逐步形成一个智能化的设计专家系统。

这种在设备的全生命周期内的闭环设计模式需要可以将传统主要以数值计算和处理的定量型设计系统，集成具有支持处理现实世界的非数值型的规划，判断、决策等功能的定性型知识系统，并依靠知识库、数据库、专家系统来解决各种设计问题。

3.应用与创新

对于核电设备设计平台的研究可以用于为后续的数字核电数据架构设计、关键数据管理、系统接口设计、各领域信息系统建设提供指南和框架。同时，设备设计平台及其功能的实现可大大降低各自信息系统建设带来的信息孤岛、重复投资与推倒重来的颠覆性风险。设备设计平台针对性的解决了专业设计中的难点和瓶颈问题，通过结构化数据和三维设计的应用，打通了设计过程中各个环节之间的信息传递通道，极大地提高设备专业的设计效率和设计质量，同时能够极大地缩短设备设计的周期，为核电站的设计进度提供有力的保障。

4.总结

根据核电设备的设计特点，围绕三维模型及结构化数据将设计过程中各类工作相结合，实现设备设计数据与数据中心以及在各软件间的互联互通。同时通过将数据管理平台与三维设计相结合，最终实现流程化与标准化的设计过程管理和基于PDM的设备关键数据管理，形成一套完整的设备设计工具集成系统和智能化三维协同设计模式，同时可以在三维数字化和大数据应用的基础上继续搭建成为产品全生命周期的管理系统。

参考文献

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