提高核電裝備設(shè)計(jì)質(zhì)量與設(shè)計(jì)效率的若干思考

何英勇，張　峰，任憲常，范守文

(1.深圳中廣核工程設(shè)計(jì)有限公司，廣東 深圳 518000；2.電子科技大學(xué)，四川 成都 611731)

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提高核電裝備設(shè)計(jì)質(zhì)量與設(shè)計(jì)效率的若干思考

何英勇1，張峰1，任憲常1，范守文2

(1.深圳中廣核工程設(shè)計(jì)有限公司，廣東 深圳 518000；2.電子科技大學(xué)，四川 成都 611731)

摘要：探討了容錯(cuò)糾錯(cuò)設(shè)計(jì)技術(shù)、可驗(yàn)證設(shè)計(jì)技術(shù)和數(shù)字化及自動(dòng)化設(shè)計(jì)技術(shù)在核電裝備設(shè)計(jì)中的應(yīng)用前景，分析了上述設(shè)計(jì)技術(shù)對(duì)于提高核電裝備設(shè)計(jì)質(zhì)量與設(shè)計(jì)效率的重要意義，研究了其中的關(guān)鍵技術(shù)。以自動(dòng)開封蓋裝置為對(duì)象，建立了其數(shù)字化樣機(jī)，在數(shù)字化環(huán)境中完成了自動(dòng)開封蓋裝置的設(shè)計(jì)、分析、仿真和驗(yàn)證等工作，形成了完整的數(shù)字化樣機(jī)創(chuàng)建平臺(tái)和設(shè)計(jì)規(guī)范，為核電設(shè)備的快速自動(dòng)化設(shè)計(jì)提供了參考和依據(jù)。

關(guān)鍵詞：容錯(cuò)糾錯(cuò)設(shè)計(jì)；可驗(yàn)證設(shè)計(jì)；數(shù)字化與自動(dòng)化設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)是人類一切有目的活動(dòng)的起始，其目的是為實(shí)施制定路徑。設(shè)計(jì)是制造業(yè)的靈魂，創(chuàng)新是設(shè)計(jì)的靈魂，現(xiàn)代設(shè)計(jì)正日益發(fā)展成一門專門學(xué)科——設(shè)計(jì)科學(xué)[1]?，F(xiàn)代產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過程變得越來(lái)越復(fù)雜，這是由于產(chǎn)品在對(duì)功能和性能要求越來(lái)越高的同時(shí)，對(duì)其安全性和可靠性的要求也越來(lái)越高，而對(duì)其開發(fā)時(shí)間的要求越來(lái)越短[2]。高可靠性一直是產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造中追求的目標(biāo)，而在航空、航天、軍事和核電等工作條件惡劣且可靠性要求極高的要害關(guān)鍵部位，高可靠性就更為重要，一個(gè)小故障就可能導(dǎo)致重大事故和經(jīng)濟(jì)損失。

近年來(lái)，我國(guó)經(jīng)濟(jì)不斷快速發(fā)展，為了支撐我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，必須確保能源供應(yīng)，而當(dāng)今我國(guó)又面臨日益嚴(yán)重的環(huán)境問題，這需要大力發(fā)展可以大規(guī)模提供能源供應(yīng)的優(yōu)質(zhì)清潔能源，核電、水電及天然氣就成為了現(xiàn)階段清潔能源的發(fā)展重點(diǎn)。核電作為實(shí)用的發(fā)電技術(shù)，目前已經(jīng)有了成熟的技術(shù)，能夠安全可靠運(yùn)行，經(jīng)濟(jì)性較好，具有不斷發(fā)展提高的潛力，上述因素使得核電越來(lái)越重要。核電站是一個(gè)技術(shù)高度密集的大型復(fù)雜的工程裝備系統(tǒng)，核電站的設(shè)計(jì)、制造直至運(yùn)營(yíng)反映出一個(gè)國(guó)家的綜合技術(shù)集成能力，也從側(cè)面反映了一個(gè)國(guó)家的綜合國(guó)力。與核電強(qiáng)國(guó)相比，我國(guó)核電技術(shù)水平和裝備制造集成能力相對(duì)落后，主要體現(xiàn)在缺少具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的核心技術(shù)，很多已開工項(xiàng)目的主機(jī)、大件和關(guān)鍵件需要從國(guó)外進(jìn)口，沒有像西屋、GE和阿?，m那樣具有核蒸汽供應(yīng)系統(tǒng)集成供貨能力的企業(yè)集團(tuán)[3]。

通常把核電站的組成設(shè)備稱為核電裝備，核電站各系統(tǒng)的設(shè)備約有48 000多套件，其中機(jī)械設(shè)備約6 000套件，電器設(shè)備5 000多套件，儀器儀表25 000余套件，總質(zhì)量約為6.7萬(wàn)t[4]。建造核電站的設(shè)備主要分為3類：核島設(shè)備、常規(guī)島設(shè)備和輔助系統(tǒng)。核島設(shè)備是承擔(dān)熱核反應(yīng)的主要部分，技術(shù)含量最高，對(duì)安全設(shè)計(jì)的要求也最高，核島設(shè)備包括反應(yīng)堆堆芯、反應(yīng)堆壓力殼、堆內(nèi)構(gòu)件、控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、蒸汽發(fā)生器、主泵、主管道、安注箱、硼注箱和穩(wěn)壓器等；常規(guī)島設(shè)備在技術(shù)上不分第2代和第3代，包括汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)、除氧器、凝汽器、汽水分離再熱器、高低壓加熱器、主給水泵、燃料轉(zhuǎn)運(yùn)裝置、凝結(jié)水泵、主變壓器和循環(huán)水泵等；輔助系統(tǒng)的工程規(guī)模比較小，包括核蒸汽供應(yīng)系統(tǒng)之外的部分，即化學(xué)制水、海水、制氧和壓縮空氣站等。這3類設(shè)備在核電站的造價(jià)中所占到的比例為5∶3∶2[5]。

按照我國(guó)《核電中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃(2005年—2020年)》目標(biāo)，到2020年，我國(guó)核電運(yùn)行裝機(jī)容量應(yīng)達(dá)7 000萬(wàn)kW，形成核電裝備自主設(shè)計(jì)，主設(shè)備、關(guān)鍵配套設(shè)備制造和核級(jí)原材料提供的能力，并具備成套出口的能力。盡管2011年3月日本發(fā)生了嚴(yán)重的福島核事故，但這不會(huì)影響到我國(guó)的核電發(fā)展目標(biāo)，而只會(huì)使我國(guó)在吸取福島教訓(xùn)后更加穩(wěn)妥地發(fā)展核電，在我國(guó)核電裝備國(guó)產(chǎn)化的進(jìn)程中，安全性和可靠性仍然是設(shè)計(jì)、制造和運(yùn)營(yíng)過程中應(yīng)重點(diǎn)考慮的問題。

本文論述了容錯(cuò)糾錯(cuò)設(shè)計(jì)技術(shù)、可驗(yàn)證設(shè)計(jì)技術(shù)以及數(shù)字化與自動(dòng)化設(shè)計(jì)技術(shù)在核電裝備設(shè)計(jì)中的應(yīng)用前景，分析了上述設(shè)計(jì)技術(shù)對(duì)于提高核電裝備設(shè)計(jì)質(zhì)量與設(shè)計(jì)效率的重要意義，探討了其中的關(guān)鍵技術(shù)。

1核電裝備的容錯(cuò)糾錯(cuò)設(shè)計(jì)

現(xiàn)代機(jī)電產(chǎn)品發(fā)生故障的隨機(jī)性很大，往往難以預(yù)料。工程實(shí)踐表明，除了少數(shù)突發(fā)故障以外，大多數(shù)故障如果早期發(fā)現(xiàn)，及時(shí)采取恰當(dāng)?shù)拇胧┦峭耆梢苑乐沟?。雖然人們無(wú)法保證所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)各個(gè)構(gòu)成環(huán)節(jié)的絕對(duì)可靠，但如果將容錯(cuò)、糾錯(cuò)的概念引入到系統(tǒng)中，構(gòu)成容錯(cuò)、糾錯(cuò)系統(tǒng)，則可以使系統(tǒng)中的各個(gè)故障因素對(duì)系統(tǒng)性能的影響被顯著削弱，這就意味著間接地提高了系統(tǒng)的可靠性。容錯(cuò)糾錯(cuò)技術(shù)為提高機(jī)電產(chǎn)品的可靠性開辟了一條新途徑。采用傳統(tǒng)方法(如精選元器件、篩選和老煉等)提高機(jī)電產(chǎn)品的可靠性已幾乎達(dá)到極限，而采用容錯(cuò)糾錯(cuò)技術(shù)可有效地提高機(jī)電產(chǎn)品可靠性，大大降低故障給系統(tǒng)帶來(lái)的危害；因此，容錯(cuò)糾錯(cuò)技術(shù)的使用將會(huì)產(chǎn)生顯著的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益[6]。面向核電裝備的容錯(cuò)糾錯(cuò)設(shè)計(jì)的最終目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)核電裝備的在線自維修功能，為核電裝備增加一層可靠性保障機(jī)制，提高核電裝備運(yùn)行的安全性和可靠性。

核電裝備在使用階段出現(xiàn)故障的代價(jià)都可能是極其昂貴的，特別是由整個(gè)系統(tǒng)的非計(jì)劃被迫停機(jī)所引起的事故；因此，在核電裝備使用中是否能有效地防范故障，正確地檢測(cè)、預(yù)測(cè)出故障，快速隔離故障、快速修復(fù)故障，有賴于一種全新的面向故障可診斷性、可修復(fù)性的設(shè)計(jì)思想。近年來(lái)，新的設(shè)計(jì)理念、設(shè)計(jì)方法層出不窮，但是作為重要設(shè)計(jì)指標(biāo)，貫穿產(chǎn)品的全生命周期的故障可診斷性、可修復(fù)性完整設(shè)計(jì)理論和方法還沒有形成；因此，面向可自診斷、自修復(fù)核電裝備的容錯(cuò)糾錯(cuò)設(shè)計(jì)理論的研究開發(fā)與應(yīng)用，將大大減少核電裝備的運(yùn)行維護(hù)成本，提高核電裝備的可靠性和安全性，同時(shí)也將為核電裝備的故障容錯(cuò)糾錯(cuò)設(shè)計(jì)提供一套行之有效的理論、方法與技術(shù)，具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。

具有容錯(cuò)糾錯(cuò)功能的核電裝備應(yīng)具有極為完善的自檢測(cè)、自診斷和自修復(fù)功能，采用容錯(cuò)技術(shù)，可以達(dá)到投入較少的資金而提高大系統(tǒng)的整體可靠性的效果。容錯(cuò)糾錯(cuò)設(shè)計(jì)的主要目的是糾正核電裝備中的錯(cuò)誤，以提高系統(tǒng)的可靠性。容錯(cuò)技術(shù)總是與冗余的概念緊密聯(lián)系在一起的，當(dāng)某一個(gè)部件出現(xiàn)故障時(shí)，它所承擔(dān)的工作應(yīng)由與其配對(duì)的正常部件來(lái)接替。如果這些部件僅用來(lái)提高系統(tǒng)的可靠性，而不影響系統(tǒng)的計(jì)算性能，則稱它們?yōu)槿哂?。冗余可用如下方式得到?)對(duì)關(guān)鍵性的部件配備多份，同時(shí)工作(硬件冗余)；2)對(duì)關(guān)鍵性的操作配備若干個(gè)可供選擇的程序(軟件冗余)；3)采用糾錯(cuò)碼或校驗(yàn)碼來(lái)表達(dá)信息(信息冗余)；4)對(duì)關(guān)鍵性的操作重復(fù)若干次(時(shí)間冗余)。

根據(jù)核電裝備系統(tǒng)組成特點(diǎn)，核電裝備系統(tǒng)故障類型可以分為機(jī)械系統(tǒng)故障、軟件系統(tǒng)故障、信號(hào)系統(tǒng)故障和控制系統(tǒng)故障等。目前，對(duì)于機(jī)械系統(tǒng)容錯(cuò)設(shè)計(jì)的研究主要是采用運(yùn)動(dòng)學(xué)冗余和可調(diào)機(jī)構(gòu)的技術(shù)方案；對(duì)于軟件系統(tǒng)容錯(cuò)設(shè)計(jì)，比較公認(rèn)的方法有：軟件冗余和時(shí)間冗余等2種，提出的軟件容錯(cuò)模型包括數(shù)據(jù)流分析模型和仿生免疫分析模型等；控制系統(tǒng)采用的容錯(cuò)技術(shù)有看門狗(Watchdog)技術(shù)、雙機(jī)冗余系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)、降額使用技術(shù)、系統(tǒng)重構(gòu)技術(shù)以及控制系統(tǒng)自修復(fù)技術(shù)等。

為了保障核電裝備運(yùn)行的安全性和可靠性，應(yīng)在核電裝備的設(shè)計(jì)階段，尤其是產(chǎn)品設(shè)計(jì)早期充分考慮設(shè)備的可診斷性、可修復(fù)性需求，統(tǒng)一規(guī)劃核電裝備的可診斷性、可修復(fù)性指標(biāo)和診斷與修復(fù)方法及相關(guān)信息，同時(shí)充分考慮核電裝備性能及其他生命周期的質(zhì)量因素，建立起一套面向核電裝備全生命周期的產(chǎn)品故障容錯(cuò)糾錯(cuò)設(shè)計(jì)理論和方法。核電裝備容錯(cuò)糾錯(cuò)設(shè)計(jì)系統(tǒng)技術(shù)方案如圖1所示。

圖1　核電裝備容錯(cuò)糾錯(cuò)設(shè)計(jì)系統(tǒng)技術(shù)方案

1)機(jī)械系統(tǒng)容錯(cuò)技術(shù)。通過增加機(jī)械系統(tǒng)的冗余自由度可達(dá)到提高可靠性的目的，但是并不是隨意增加冗余自由度。對(duì)于給定的任務(wù)目標(biāo)，究竟需要多少個(gè)自由度，不同的自由度配置對(duì)產(chǎn)品性能有何影響，在機(jī)械結(jié)構(gòu)冗余設(shè)計(jì)中可借鑒和利用機(jī)構(gòu)學(xué)中有關(guān)運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)節(jié)冗余、可調(diào)機(jī)構(gòu)等的研究成果，建立多目標(biāo)綜合的罰函數(shù)，基于遺傳算法研究機(jī)械冗余的優(yōu)化設(shè)計(jì)問題。

2)軟件系統(tǒng)容錯(cuò)技術(shù)。軟件失效最根本的原因是數(shù)據(jù)的畸變，最終的表現(xiàn)形式是數(shù)據(jù)的畸變，所以通過對(duì)數(shù)據(jù)流的研究而實(shí)施軟件容錯(cuò)是一個(gè)重要而有效的途徑。可通過引入多優(yōu)先級(jí)線程以及事件觸發(fā)機(jī)制，基于馬爾可夫鏈，建立軟件系統(tǒng)的事件觸發(fā)并發(fā)的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)流分析模型，用于監(jiān)控軟件系統(tǒng)的失效故障；可綜合運(yùn)用和發(fā)展N版本編程技術(shù)、恢復(fù)塊技術(shù)及N版本自檢編程技術(shù)等軟件容錯(cuò)方法，進(jìn)行軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的冗余設(shè)計(jì)，基于遺傳算法研究軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化問題。

3)信號(hào)系統(tǒng)容錯(cuò)技術(shù)?？扇诤闲盘?hào)完整性檢查、信號(hào)恢復(fù)等技術(shù)，基于人工免疫算法和完整性策略機(jī)制研究信號(hào)系統(tǒng)免疫監(jiān)測(cè)模型，使之保護(hù)機(jī)電產(chǎn)品中的信號(hào)數(shù)據(jù)安全。模型通過制定信號(hào)的完整性策略，檢查信號(hào)系統(tǒng)中違反完整性策略的事件，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行自動(dòng)恢復(fù)，以維持信號(hào)系統(tǒng)的完整性。通過研究該模型的形式化描述、體系結(jié)構(gòu)、實(shí)現(xiàn)方法，以及對(duì)人工免疫算法的關(guān)鍵問題(如免疫識(shí)別、免疫學(xué)習(xí)、免疫記憶、克隆選擇、個(gè)體多樣性、分布式和自適應(yīng)等)的深入研究，使信號(hào)系統(tǒng)免疫模型具有快速反應(yīng)能力及自我演化功能，并具有較好的自適應(yīng)性和魯棒性，從而保證機(jī)電產(chǎn)品在安全可靠的環(huán)境中運(yùn)行。

4)控制系統(tǒng)容錯(cuò)糾錯(cuò)技術(shù)。在綜合分析故障模式的基礎(chǔ)上，可基于預(yù)測(cè)控制理論設(shè)計(jì)魯棒容錯(cuò)糾錯(cuò)控制器，使得機(jī)電系統(tǒng)可在正常工作和故障條件下進(jìn)行切換，控制器既可在正常工作狀態(tài)下獲得好的控制系統(tǒng)性能，又可在任何形式的故障情況(如傳感器、驅(qū)動(dòng)器故障等)下，通過對(duì)冗余控制模塊的敏捷切換和系統(tǒng)優(yōu)化重構(gòu)，仍能保持系統(tǒng)的魯棒穩(wěn)定性，即具有容錯(cuò)、自修復(fù)功能。

通過對(duì)核電裝備進(jìn)行容錯(cuò)糾錯(cuò)設(shè)計(jì)，可提高核電裝備的安全性與可靠性，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)有限數(shù)目的故障時(shí),核電裝備仍可連續(xù)、正常運(yùn)行。

2核電裝備的可驗(yàn)證設(shè)計(jì)

目前，國(guó)內(nèi)外大多數(shù)企業(yè)和研發(fā)機(jī)構(gòu)中，產(chǎn)品的設(shè)計(jì)工作和分析驗(yàn)證工作是由不同的人甚至不同的部門，在產(chǎn)品研發(fā)的不同階段先后完成的。在這種開發(fā)模式中，驗(yàn)證與設(shè)計(jì)沒有同步，驗(yàn)證工作開始得太遲，設(shè)計(jì)缺陷的發(fā)現(xiàn)、定位以及修復(fù)的難度和工作量都很大，造成了驗(yàn)證效率的低下。由于設(shè)計(jì)與驗(yàn)證不同步，使得設(shè)計(jì)階段產(chǎn)品設(shè)計(jì)的信息沒有在驗(yàn)證階段被充分利用，甚至造成重復(fù)建?；蛘叱霈F(xiàn)兩者模型不一致的偏差，直接影響了驗(yàn)證結(jié)果的可信度，這種開發(fā)流程使得發(fā)現(xiàn)、定位和修復(fù)設(shè)計(jì)缺陷的代價(jià)非常高，嚴(yán)重影響了機(jī)電產(chǎn)品的開發(fā)進(jìn)程，驗(yàn)證效率已越來(lái)越成為制約設(shè)計(jì)效率提升的瓶頸，驗(yàn)證不應(yīng)該是在機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)完成后才進(jìn)行的工作，而應(yīng)該是機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)工作的一部分[7]。

設(shè)計(jì)缺陷嚴(yán)重影響著產(chǎn)品的質(zhì)量、可靠性與安全性，“7·23”甬溫線高鐵追尾事故就是因?yàn)榱锌刂行脑O(shè)備存在嚴(yán)重設(shè)計(jì)缺陷，導(dǎo)致了重大的人員傷亡。核電領(lǐng)域曾經(jīng)發(fā)生的烏克蘭切爾諾貝利核事故以及日本福島核事故教訓(xùn)慘痛，這2起核事故的起因都與核電裝備的設(shè)計(jì)缺陷不無(wú)關(guān)系。調(diào)查表明，切爾諾貝利核事故是由于壓力管式石墨慢化沸水反應(yīng)爐的設(shè)計(jì)存在缺陷，尤其是控制棒的設(shè)計(jì)缺陷。而導(dǎo)致福島核事件的主要原因是：1)由于設(shè)計(jì)缺陷使得核島設(shè)備存在安全隱患；2)建設(shè)時(shí)對(duì)自然災(zāi)難引發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估不足。

設(shè)計(jì)驗(yàn)證的目的是要確保設(shè)計(jì)對(duì)象滿足在功能規(guī)約和約束規(guī)約中所定義的要求，機(jī)電產(chǎn)品的設(shè)計(jì)驗(yàn)證是建立在設(shè)計(jì)對(duì)象功能規(guī)約和約束規(guī)約的基礎(chǔ)之上。機(jī)電產(chǎn)品在規(guī)模與功能上的擴(kuò)展，使得其功能與約束的驗(yàn)證越來(lái)越復(fù)雜困難，出錯(cuò)的概率也大大增加，有些設(shè)計(jì)缺陷甚至可能引起災(zāi)難性的后果。

如果在機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)的初期，就能準(zhǔn)確辯識(shí)、快速定位和無(wú)損修復(fù)機(jī)電產(chǎn)品中的設(shè)計(jì)缺陷，不僅有利于提高機(jī)電產(chǎn)品的設(shè)計(jì)質(zhì)量與設(shè)計(jì)效率，而且有利于提高機(jī)電產(chǎn)品的安全性與可靠性。自2000年以來(lái)，國(guó)內(nèi)外一些學(xué)者已經(jīng)意識(shí)到了設(shè)計(jì)與驗(yàn)證脫節(jié)的弊端，在面向驗(yàn)證的設(shè)計(jì)思想、動(dòng)態(tài)驗(yàn)證模型的構(gòu)建和基于約束的驗(yàn)證方法等研究方面做出了有益的探索。機(jī)電產(chǎn)品是否能快速、高水平、高質(zhì)量和高可靠地研制成功投入使用，有賴于一種全新的面向可驗(yàn)證性的設(shè)計(jì)思想，因此應(yīng)盡可能早地將功能和約束的驗(yàn)證引入機(jī)電產(chǎn)品的設(shè)計(jì)之中，只有和設(shè)計(jì)同步執(zhí)行驗(yàn)證，才能保證在設(shè)計(jì)中不會(huì)引入新的缺陷，致使機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)失敗。

功能與約束的驗(yàn)證是機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)過程中的重要環(huán)節(jié)，在實(shí)際工程應(yīng)用中，由于機(jī)電產(chǎn)品在規(guī)模與功能上的擴(kuò)展，使得按傳統(tǒng)方法進(jìn)行系統(tǒng)的功能與約束驗(yàn)證十分困難，機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)中面臨的系統(tǒng)驗(yàn)證方法和驗(yàn)證環(huán)境的不完備等問題，也成為了傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)方法日益增重的負(fù)擔(dān)和提高設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量的瓶頸。

設(shè)計(jì)缺陷的辯識(shí)與設(shè)計(jì)缺陷的修復(fù)是機(jī)電產(chǎn)品可驗(yàn)證設(shè)計(jì)系統(tǒng)中的兩大關(guān)鍵技術(shù)。機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)缺陷的來(lái)源概括起來(lái)有2類：1)隨著機(jī)電產(chǎn)品復(fù)雜程度的不斷增加，對(duì)其功能和性能要求的不斷提高，以及對(duì)機(jī)電產(chǎn)品安全性可靠性要求的不斷提高，機(jī)電產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過程越來(lái)越復(fù)雜，因而也就無(wú)可避免地帶來(lái)了更大的出現(xiàn)設(shè)計(jì)缺陷的可能性；2)隨著用戶需求的不斷變化，機(jī)電產(chǎn)品更新?lián)Q代頻率的加快，機(jī)電產(chǎn)品新增功能的增加和性能的不斷提升，都會(huì)帶來(lái)新功能模塊和原有功能模塊相互之間的沖突，從而也會(huì)導(dǎo)致新的設(shè)計(jì)缺陷產(chǎn)生。

通過對(duì)現(xiàn)有機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)缺陷的成因分析可知，導(dǎo)致機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)缺陷的因素總結(jié)起來(lái)包括：1)基于經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)，缺乏相應(yīng)的理論分析、計(jì)算和仿真研究；2)考慮到了某一個(gè)或某幾個(gè)技術(shù)性能指標(biāo)而忽略了其他技術(shù)性能指標(biāo)；3)深層次的運(yùn)動(dòng)機(jī)理未研究透徹；4)復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)/裝配約束關(guān)系未完全滿足等。

為了更好地修復(fù)機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)缺陷，應(yīng)對(duì)設(shè)計(jì)缺陷的嚴(yán)重程度、修復(fù)的優(yōu)先級(jí)加以區(qū)分。機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)缺陷嚴(yán)重程度的等級(jí)可劃分如下：1)嚴(yán)重缺陷，不能實(shí)現(xiàn)正常工作功能或重要性能，或者危及人身安全；2)較大缺陷，嚴(yán)重影響系統(tǒng)基本功能或主要性能的實(shí)現(xiàn)，且難以修正；3)較小缺陷， 影響系統(tǒng)基本功能或主要性能的實(shí)現(xiàn)，但存在合理的修正辦法；4)輕微缺陷，使操作者不方便或遇到麻煩，但它不影響實(shí)現(xiàn)基本功能或主要性能。設(shè)計(jì)缺陷的修復(fù)優(yōu)先級(jí)描述如下：1)最高優(yōu)先級(jí)，缺陷導(dǎo)致系統(tǒng)的主要功能錯(cuò)誤或者造成系統(tǒng)崩潰，危及人身安全，必須被馬上解決；2)較高優(yōu)先級(jí)，缺陷影響到系統(tǒng)基本功能和主要性能的實(shí)現(xiàn)，造成后果的嚴(yán)重性較大，須盡快解決；3)一般優(yōu)先級(jí)，缺陷影響到系統(tǒng)輔助功能和次要性能的實(shí)現(xiàn)，缺陷造成后果的嚴(yán)重性較小，排隊(duì)解決；4)低優(yōu)先級(jí)，對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量影響非常輕微或出現(xiàn)幾率很低的缺陷，可以在方便時(shí)再修復(fù)。

機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)缺陷修復(fù)的成本/代價(jià)，平均而言，如果在需求分析階段修復(fù)一個(gè)缺陷的成本/代價(jià)為1，那么，在概念設(shè)計(jì)階段就是其3～6倍，在方案設(shè)計(jì)階段是其10倍，在初步設(shè)計(jì)階段是其20～40倍，在詳細(xì)設(shè)計(jì)階段是其30～70倍，而到了產(chǎn)品推向市場(chǎng)后，這個(gè)數(shù)字就是40～1 000倍，修復(fù)缺陷的成本/代價(jià)不是隨時(shí)間線性增長(zhǎng)，而幾乎是呈指數(shù)增長(zhǎng)的。機(jī)械產(chǎn)品常見的設(shè)計(jì)缺陷分類、缺陷原因及其表現(xiàn)形式概括總結(jié)見表1。

表1　機(jī)械產(chǎn)品常見設(shè)計(jì)缺陷分類、缺陷原因及其表現(xiàn)形式

發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)缺陷后，應(yīng)盡快修復(fù)設(shè)計(jì)缺陷，其原因在于設(shè)計(jì)缺陷并不只是在詳細(xì)設(shè)計(jì)階段產(chǎn)生，在需求分析階段和概念設(shè)計(jì)階段同樣會(huì)產(chǎn)生設(shè)計(jì)缺陷。一開始，可能只是一個(gè)很小范圍內(nèi)的小缺陷，但隨著產(chǎn)品開發(fā)工作的進(jìn)行，小缺陷會(huì)擴(kuò)散成大缺陷。如果缺陷不能被及早發(fā)現(xiàn)，那么可能會(huì)造成越來(lái)越嚴(yán)重的后果，缺陷發(fā)現(xiàn)、解決的越遲，其修復(fù)的成本/代價(jià)就越高。

傳統(tǒng)的機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)缺陷的修復(fù)是困難、耗時(shí)的手工過程，設(shè)計(jì)缺陷的修復(fù)能力依賴于機(jī)械設(shè)計(jì)開發(fā)人員的專業(yè)知識(shí)和行業(yè)經(jīng)驗(yàn)，這種現(xiàn)狀導(dǎo)致了機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)周期長(zhǎng)、成本高，完全采用手工方式進(jìn)行機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)缺陷修復(fù)已經(jīng)難以適應(yīng)機(jī)電產(chǎn)品復(fù)雜、快速多變的發(fā)展需求。

機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)缺陷的修復(fù)可行的解決方案大體上可分為3類：1)根據(jù)設(shè)計(jì)缺陷辯識(shí)與定位結(jié)果，通過修改設(shè)計(jì)參數(shù)來(lái)修復(fù)設(shè)計(jì)缺陷；2)對(duì)機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案做出較大調(diào)整、修改，來(lái)修復(fù)設(shè)計(jì)缺陷；3)對(duì)設(shè)計(jì)原理做出重大修正、重新設(shè)計(jì)，來(lái)可修復(fù)設(shè)計(jì)缺陷。其中，第3類修復(fù)解決方案實(shí)現(xiàn)起來(lái)的難度和工作量都最大。

考慮到設(shè)計(jì)缺陷修復(fù)的目的，結(jié)合到應(yīng)用需求與技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，本文首先確定了機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)缺陷修復(fù)應(yīng)該遵循的3條基本原則：1)在修復(fù)舊的設(shè)計(jì)缺陷的同時(shí)不能引入新的設(shè)計(jì)缺陷；2)修復(fù)成本最小化原則；3)修復(fù)后產(chǎn)品可靠性最大化原則。

在機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)缺陷的辯識(shí)/修復(fù)中，如果有大量的產(chǎn)品設(shè)計(jì)前后設(shè)計(jì)缺陷辯識(shí)/修復(fù)相關(guān)信息和知識(shí)的支持，則可以有效提高設(shè)計(jì)缺陷辯識(shí)/修復(fù)的質(zhì)量和效率。對(duì)于機(jī)電產(chǎn)品的設(shè)計(jì)缺陷辯識(shí)/修復(fù)而言，設(shè)計(jì)缺陷辯識(shí)/修復(fù)相關(guān)信息、知識(shí)的來(lái)源大致可分為：1)通過理論分析或仿真實(shí)驗(yàn)獲取的驗(yàn)前信息；2)專家知識(shí)及工程經(jīng)驗(yàn)；3)歷史試驗(yàn)數(shù)據(jù)；4)單元及分系統(tǒng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)；5)相似系統(tǒng)信息；6)系統(tǒng)在不同環(huán)境下的試驗(yàn)信息等。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)意識(shí)到了機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)缺陷修復(fù)研究的重要性，在進(jìn)行設(shè)計(jì)缺陷辯識(shí)模型與方法研究的同時(shí)，開始嘗試進(jìn)行設(shè)計(jì)缺陷修復(fù)的研究工作，但研究工作尚存在著如下不足之處：1)有關(guān)機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)缺陷辯識(shí)/定位理論、方法與技術(shù)的研究，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)做出了一些有價(jià)值的研究成果，但對(duì)于如何修復(fù)設(shè)計(jì)缺陷，如何做到設(shè)計(jì)缺陷的無(wú)損修復(fù)，研究工作尚不夠深入和系統(tǒng)；2)現(xiàn)有的設(shè)計(jì)缺陷修復(fù)技術(shù)的研究主要是針對(duì)軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)缺陷修復(fù)、集成電路布圖設(shè)計(jì)缺陷修復(fù)以及曲面設(shè)計(jì)缺陷修復(fù)，而機(jī)械系統(tǒng)中設(shè)計(jì)缺陷的修復(fù)很大程度上依賴設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)，自動(dòng)化、智能化水平低，設(shè)計(jì)缺陷修復(fù)方法的通用性和可移植性差；3)現(xiàn)有的機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)缺陷修復(fù)技術(shù)研究都是一種靜態(tài)修復(fù)技術(shù)的研究，或者說是一種事后/設(shè)計(jì)完成后的修復(fù)技術(shù)的研究，沒有提供一種有效方式來(lái)動(dòng)態(tài)跟蹤設(shè)計(jì)變化對(duì)約束關(guān)系的影響，對(duì)設(shè)計(jì)缺陷進(jìn)行動(dòng)態(tài)辯識(shí)，在線修復(fù)。

出現(xiàn)上述矛盾的主要原因有：1)沒有對(duì)機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)缺陷產(chǎn)生的原因進(jìn)行深入細(xì)致的剖析，從而有針對(duì)性地來(lái)系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)缺陷的修復(fù)工作；2)設(shè)計(jì)缺陷辯識(shí)研究與設(shè)計(jì)缺陷修復(fù)研究脫節(jié)，沒有充分利用設(shè)計(jì)缺陷辯識(shí)中得到的有用信息來(lái)啟發(fā)、引導(dǎo)設(shè)計(jì)缺陷的修復(fù)工作；3)深層次的運(yùn)動(dòng)機(jī)理未研究透徹，無(wú)法從根源上尋找出設(shè)計(jì)缺陷的一攬子修復(fù)解決方案；4)沒有系統(tǒng)級(jí)的驗(yàn)證模型和驗(yàn)證方法對(duì)設(shè)計(jì)缺陷的修復(fù)效果進(jìn)行評(píng)判。

核電裝備可驗(yàn)證設(shè)計(jì)系統(tǒng)技術(shù)方案如圖2所示，其中的關(guān)鍵技術(shù)如下。

1)機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)缺陷的約束關(guān)系網(wǎng)修復(fù)技術(shù)。通過對(duì)約束關(guān)系網(wǎng)中節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、節(jié)點(diǎn)之間的連接關(guān)系以及約束關(guān)系網(wǎng)的訪問方式等基本問題的研究，提出構(gòu)建約束關(guān)系網(wǎng)的通用方法，探索基于約束關(guān)系網(wǎng)的設(shè)計(jì)缺陷的修復(fù)模型與方法是一項(xiàng)非常有應(yīng)用前景的研究?jī)?nèi)容。利用節(jié)點(diǎn)之間的連接權(quán)值來(lái)映射約束關(guān)系滿足程度，從約束關(guān)系網(wǎng)中的設(shè)計(jì)缺陷節(jié)點(diǎn)出發(fā)，以約束路徑權(quán)值的加懲罰因子平方和為能量函數(shù)，采用遺傳算法或蟻群算法對(duì)設(shè)計(jì)缺陷的修正路徑進(jìn)行了優(yōu)化，可得到設(shè)計(jì)缺陷修復(fù)參數(shù)的最佳組合，這種設(shè)計(jì)缺陷修復(fù)方法既可有效提高設(shè)計(jì)缺陷修復(fù)的質(zhì)量和效率，又能保證在修復(fù)舊的設(shè)計(jì)缺陷的同時(shí)不引入新的設(shè)計(jì)缺陷。

設(shè)計(jì)缺陷的約束關(guān)系網(wǎng)修復(fù)方法適用于機(jī)電產(chǎn)品的干涉、裝配和可加工性等類型設(shè)計(jì)缺陷的修復(fù)。

2)機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)缺陷的去特征化修復(fù)技術(shù)。每一種機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)缺陷類型都對(duì)應(yīng)著具體的缺陷特征(就像感冒對(duì)應(yīng)著發(fā)燒和流涕的癥狀一樣)，其對(duì)應(yīng)的特征指標(biāo)有可能為一個(gè)或多個(gè)，設(shè)計(jì)缺陷的特征建模需要分別對(duì)每一種設(shè)計(jì)缺陷類型的特征指標(biāo)與其影響參數(shù)之間的關(guān)系進(jìn)行建模，設(shè)計(jì)缺陷的特征模型是實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)缺陷去特征化修復(fù)的基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)缺陷的特征指標(biāo)與其影響參數(shù)之間的靈敏度分析是實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)缺陷去特征化修復(fù)的關(guān)鍵。

機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)缺陷的去特征化修復(fù)方法適用于由于參數(shù)不合理設(shè)置導(dǎo)致的機(jī)電產(chǎn)品的運(yùn)動(dòng)干涉、強(qiáng)度、剛度、精度、振動(dòng)及可加工性等類型設(shè)計(jì)缺陷的修復(fù)。

3)機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)缺陷的拓?fù)渲貥?gòu)修復(fù)技術(shù)。通過對(duì)機(jī)構(gòu)的回路缺陷、分支缺陷及運(yùn)動(dòng)順序缺陷等可動(dòng)性設(shè)計(jì)缺陷的深入分析發(fā)現(xiàn)，這些可動(dòng)性設(shè)計(jì)缺陷產(chǎn)生的根本原因在于在機(jī)構(gòu)綜合設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)位置點(diǎn)位于不同的回路、不同的分支或不同的拓?fù)漤樞?，即設(shè)計(jì)位置點(diǎn)不是位于一條連續(xù)的拓?fù)渫瑐惵窂缴稀＿@給了我們修復(fù)可動(dòng)性設(shè)計(jì)缺陷的重要啟示：如果在機(jī)構(gòu)綜合設(shè)計(jì)中，通過重建拓?fù)浼s束關(guān)系，將設(shè)計(jì)位置點(diǎn)布局在一條拓?fù)渫瑐愡B續(xù)路徑上，重新進(jìn)行運(yùn)動(dòng)軌跡綜合，則有可能修復(fù)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中的可動(dòng)性設(shè)計(jì)缺陷，這方面的研究既有潛力，又有價(jià)值。

設(shè)計(jì)缺陷的拓?fù)渲貥?gòu)修復(fù)方法適用于機(jī)電產(chǎn)品的可動(dòng)性設(shè)計(jì)缺陷的修復(fù)。

4)機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)缺陷的免疫仿生修復(fù)技術(shù)。生物體的免疫修復(fù)與機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)缺陷的免疫修復(fù)從機(jī)理上來(lái)說是相同的，通過對(duì)生物體內(nèi)的免疫修復(fù)機(jī)制的仿生研究來(lái)修復(fù)機(jī)電產(chǎn)品的設(shè)計(jì)缺陷是一項(xiàng)非常有應(yīng)用前景的研究?jī)?nèi)容，有望取得創(chuàng)新性的研究成果。變異算子的設(shè)計(jì)是基于免疫仿生機(jī)理的機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)缺陷免疫修復(fù)理論與方法的核心環(huán)節(jié)，它是產(chǎn)生變異體的根本依據(jù)，而變異體則可能是設(shè)計(jì)缺陷潛在的“巨噬細(xì)胞”，即修復(fù)版本。在變異算子的設(shè)計(jì)中引入可疑度指數(shù)和危險(xiǎn)度指數(shù)，危險(xiǎn)度指數(shù)高的設(shè)計(jì)變量?jī)?yōu)先進(jìn)行變異，可疑度指數(shù)高的設(shè)計(jì)變量重點(diǎn)進(jìn)行變異，可降低設(shè)計(jì)缺陷修復(fù)的成本，有望取得較好的設(shè)計(jì)缺陷修復(fù)效果。

基于免疫仿生機(jī)理，通過“疫苗接種”探索研究“啟發(fā)式變異算子”與變異算法，來(lái)研究設(shè)計(jì)缺陷的自動(dòng)修復(fù)技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)缺陷的自動(dòng)化修復(fù)流程，最終提高設(shè)計(jì)缺陷修復(fù)的質(zhì)量和效率。

設(shè)計(jì)缺陷的免疫仿生修復(fù)方法是一種通用方法，理論上來(lái)說，可適用于各種類型設(shè)計(jì)缺陷的修復(fù)。

5)機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)缺陷無(wú)損修復(fù)輔助軟件工具。有關(guān)機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)缺陷修復(fù)理論、方法與技術(shù)的研究，如果缺乏相對(duì)應(yīng)軟件工具的研發(fā)，將導(dǎo)致研究成果與應(yīng)用的嚴(yán)重脫節(jié)。開發(fā)機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)缺陷無(wú)損修復(fù)輔助軟件工具，一方面可以通過集成上述新方法、新技術(shù)形成具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的特色方法；另一方面又可通過提供開放式軟件接口，供今后進(jìn)一步擴(kuò)展無(wú)損修復(fù)輔助軟件工具的功能，將更多的新方法、新技術(shù)集成應(yīng)用于機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)的實(shí)踐之中，同時(shí)機(jī)電產(chǎn)品無(wú)損修復(fù)軟件工具的運(yùn)用，將減少對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的過分依賴，使得機(jī)械設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)較缺乏的設(shè)計(jì)人員也可以設(shè)計(jì)出高質(zhì)量、高可靠性的機(jī)電產(chǎn)品。

在設(shè)計(jì)缺陷辯識(shí)與定位研究的基礎(chǔ)上，深入研究設(shè)計(jì)缺陷的無(wú)損修復(fù)理論與方法，可構(gòu)建核電裝備設(shè)計(jì)缺陷無(wú)損修復(fù)理論與方法技術(shù)體系，保障在修復(fù)舊的設(shè)計(jì)缺陷的同時(shí)，不引入新的設(shè)計(jì)缺陷，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)缺陷的無(wú)損修復(fù)，進(jìn)而大幅提升核電裝備設(shè)計(jì)的自動(dòng)化技術(shù)水平，保障核電裝備設(shè)計(jì)的質(zhì)量和效率，為實(shí)現(xiàn)核電裝備的可驗(yàn)證設(shè)計(jì)提供行之有效的理論、方法與技術(shù)支撐。

圖2　核電裝備可驗(yàn)證設(shè)計(jì)系統(tǒng)技術(shù)方案

3核電裝備的數(shù)字化與自動(dòng)化設(shè)計(jì)

數(shù)字化樣機(jī)技術(shù)是20世紀(jì)80年代迅速發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)計(jì)算機(jī)輔助工程技術(shù)，隨著波音777、空中客車380等民用飛機(jī)的推出和我國(guó)新一代先進(jìn)戰(zhàn)斗機(jī)“梟龍”系列的問世及科技型制造業(yè)的崛起，“數(shù)字化”的概念逐步進(jìn)入了人們的視野。數(shù)字樣機(jī)是指相對(duì)于物理樣機(jī)，在計(jì)算機(jī)上表達(dá)的機(jī)電產(chǎn)品整機(jī)或子系統(tǒng)的數(shù)字化模型，其作用是用來(lái)驗(yàn)證物理樣機(jī)的功能和性能。數(shù)字樣機(jī)在功能上可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品干涉檢查、運(yùn)動(dòng)分析、性能模擬、加工制造模擬、培訓(xùn)宣傳和維修規(guī)范等。

隨著計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)軟件能夠創(chuàng)建越來(lái)越精確的三維CAD模型，數(shù)字樣機(jī)開發(fā)逐漸被明確提出。國(guó)際知名的研究機(jī)構(gòu)Aberdeen與主流的CAD廠商共同完成的一項(xiàng)研究表明，采用數(shù)字樣機(jī)開發(fā)技術(shù)不僅能夠大大減少物理樣機(jī)的制作數(shù)量，從而降低成本，而且可以提高產(chǎn)品研發(fā)效率，縮短產(chǎn)品上市周期，降低產(chǎn)品研發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)，使研發(fā)的產(chǎn)品更加適應(yīng)市場(chǎng)需求。作為先進(jìn)的設(shè)計(jì)方法，數(shù)字樣機(jī)技術(shù)的應(yīng)用對(duì)設(shè)計(jì)的創(chuàng)新、提高設(shè)計(jì)工作效率、減少設(shè)計(jì)缺陷、提高設(shè)計(jì)質(zhì)量和加快產(chǎn)品開發(fā)周期有著重要的意義。

數(shù)字化樣機(jī)技術(shù)在發(fā)達(dá)國(guó)家，如美國(guó)、德國(guó)等都已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，應(yīng)用領(lǐng)域包含了汽車業(yè)、工程機(jī)械、航空航天業(yè)、機(jī)械電子業(yè)、國(guó)防工業(yè)、通用機(jī)械以及人機(jī)工程學(xué)等諸多領(lǐng)域。美國(guó)波音飛機(jī)公司的波音777飛機(jī)是世界上首架以無(wú)圖樣方式研發(fā)及制造的飛機(jī)，其設(shè)計(jì)、裝配、性能評(píng)價(jià)及分析就是采用的數(shù)字化樣機(jī)技術(shù)。這不但使研發(fā)周期大大縮短，研發(fā)成本顯著降低，而且很好地保證了最終產(chǎn)品的一次拼裝成功。美國(guó)航天航空局(NASA)噴氣實(shí)驗(yàn)室(JPL)研制成功的實(shí)現(xiàn)在火星上軟著陸的“探路號(hào)”探測(cè)器，也是成功應(yīng)用數(shù)字化樣機(jī)技術(shù)設(shè)計(jì)的范例。

產(chǎn)品設(shè)計(jì)通?？梢苑譃閯?chuàng)新設(shè)計(jì)和變形設(shè)計(jì)兩大類。在實(shí)際的設(shè)計(jì)工作中，大約有70%屬于變形設(shè)計(jì)，即在原有產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，按市場(chǎng)需求進(jìn)行局部變形、調(diào)整或模塊重組，形成新的產(chǎn)品。變形設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)過程可以最大限度地利用企業(yè)已有的成熟產(chǎn)品資源，具有很強(qiáng)的靈活性和適應(yīng)性。變形設(shè)計(jì)不但可以快速開發(fā)產(chǎn)品、響應(yīng)市場(chǎng)，而且還可以極大地降低產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段的成本，是一種適應(yīng)于大規(guī)?？蛻艋ㄖ粕a(chǎn)模式的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法。變形設(shè)計(jì)有效地解決了大批量生產(chǎn)的低成本、短交貨期與定制生產(chǎn)的高成本、長(zhǎng)生產(chǎn)周期的統(tǒng)一問題。

機(jī)械零件是最適合參數(shù)化設(shè)計(jì)的，因?yàn)樗鼈兺哂邢囝愃频男螤詈徒Y(jié)構(gòu)，且控制形體的尺寸約束和幾何約束的種類和數(shù)量都是相同的，即產(chǎn)品型號(hào)的不同，各個(gè)組成零件的尺寸大小不同，而結(jié)構(gòu)卻是相似的，所以能夠通過參數(shù)化來(lái)進(jìn)行產(chǎn)品的系列化設(shè)計(jì)與開發(fā)。

參數(shù)輸入部分提供了主要的尺寸輸入。用來(lái)驅(qū)動(dòng)模型中對(duì)應(yīng)的尺寸重新生成模型。如果數(shù)據(jù)較多，可以通過Access軟件建立系列尺寸數(shù)據(jù)庫(kù)，通過調(diào)用數(shù)據(jù)查詢函數(shù)，直接調(diào)用Access軟件數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)，來(lái)驅(qū)動(dòng)模型中的系列尺寸的重新生成，可提高設(shè)計(jì)效率。在機(jī)電產(chǎn)品的快速變形設(shè)計(jì)中，也可以將常用的一些強(qiáng)度校核計(jì)算等功能集成到所開發(fā)的變形設(shè)計(jì)程序中，以加快同類產(chǎn)品變形設(shè)計(jì)的速度，并保證設(shè)計(jì)質(zhì)量。

在建立大型復(fù)雜裝配件時(shí)，因?yàn)榱悴考^多，易發(fā)生裝配干涉。在Pro/E軟件中提供了一個(gè)骨架模型的功能，允許使用者在加入零件之前，先設(shè)計(jì)好每個(gè)零件在空間的靜止位置，或者運(yùn)動(dòng)時(shí)相對(duì)位置的結(jié)構(gòu)圖。當(dāng)設(shè)計(jì)好結(jié)構(gòu)圖后，利用結(jié)構(gòu)將每個(gè)零件裝配上去，以避免不必要的裝配限制沖突。在復(fù)雜產(chǎn)品的裝配設(shè)計(jì)中采用骨架模型具有如下優(yōu)點(diǎn)。

1)集中提供設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。骨架模型定義了一些非實(shí)體單元，例如參考面、軸線、點(diǎn)、坐標(biāo)系、曲線和曲面等，勾畫了產(chǎn)品的主要結(jié)構(gòu)、形狀和位置等，作為裝配的參考和設(shè)計(jì)零部件的參考。

2)零部件位置自動(dòng)變更。零部件的裝配是以骨架模型中基準(zhǔn)作為參考的，因此，零部件的位置會(huì)自動(dòng)跟著骨架模型變化。

3)減少不必要的父子關(guān)系。因?yàn)樵O(shè)計(jì)中要盡可能的參考骨架模型，而不參考其他的零部件，所以可以減少父子關(guān)系。

4)可以任意確定零部件的裝配順序。零部件的裝配是以骨架模型作為基準(zhǔn)裝配的，而不是依賴其他的零部件，因此，可以方便地更改裝配順序。

5)改變參考控制。通過設(shè)計(jì)信息集中在骨架模型中，零部件設(shè)計(jì)以骨架作為參考，可以減少對(duì)外部參考的依賴。

通過創(chuàng)建產(chǎn)品初始零、部件模型庫(kù)，開發(fā)應(yīng)用程序，設(shè)計(jì)人性化的人機(jī)交互界面，可建立一個(gè)由參數(shù)控制的產(chǎn)品參數(shù)化快速變形設(shè)計(jì)系統(tǒng)。零、部件模型的快速調(diào)用和參數(shù)的便捷修改，可節(jié)省設(shè)計(jì)中的大量重復(fù)工作，縮短設(shè)計(jì)時(shí)間，提高設(shè)計(jì)效率。

4核電裝備數(shù)字化與自動(dòng)化設(shè)計(jì)案例

自動(dòng)開封蓋裝置是核電站核放射性廢料處理流水線中不可或缺的關(guān)鍵設(shè)備，在核廢料的處理過程中，首先將放射性核廢料裝入廢料金屬桶，進(jìn)行水泥固化，然后自動(dòng)開封蓋裝置為廢料桶蓋上桶蓋，擰緊螺栓，將廢料桶封裝。

自動(dòng)開封蓋裝置數(shù)字化樣機(jī)快速設(shè)計(jì)平臺(tái)(以下簡(jiǎn)稱為“設(shè)計(jì)平臺(tái)”)的開發(fā)將減少非標(biāo)設(shè)計(jì)物理樣機(jī)的數(shù)量，在數(shù)字環(huán)境下完成設(shè)計(jì)和驗(yàn)證的大部分工作，降低設(shè)備開發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)；設(shè)計(jì)平臺(tái)的建設(shè)將大大提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)的效率，以計(jì)算機(jī)替代人力進(jìn)行復(fù)雜的運(yùn)算、校核，提升設(shè)計(jì)效率；此外在設(shè)計(jì)平臺(tái)的支持下，可以對(duì)設(shè)計(jì)缺陷進(jìn)行自動(dòng)辨識(shí)和修復(fù)，縮短設(shè)計(jì)周期，保證設(shè)計(jì)質(zhì)量，最終設(shè)計(jì)平臺(tái)在參數(shù)化設(shè)計(jì)方法的支撐下，能夠完成自動(dòng)開封蓋裝置的快速變形設(shè)計(jì)，形成系列產(chǎn)品。

設(shè)計(jì)平臺(tái)的研發(fā)對(duì)于提升非標(biāo)設(shè)備的開發(fā)能力，提高設(shè)計(jì)效率具有重要的意義。該設(shè)計(jì)平臺(tái)能夠完成開封蓋裝置的快速變形設(shè)計(jì)，也為其他核電核心裝備的快速智能化設(shè)計(jì)模式提供了重要的參考和模板，其方法和原理能夠向更多的產(chǎn)品推廣，從而從根本上提升核電設(shè)備的研發(fā)能力，加快核電設(shè)備國(guó)產(chǎn)化的進(jìn)程。

設(shè)計(jì)平臺(tái)以創(chuàng)建自動(dòng)開封蓋機(jī)的數(shù)字化樣機(jī)為核心，基于Pro/E 5.0軟件構(gòu)建自頂向下的自動(dòng)開封蓋裝置快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)，并集成ANSYS、ADAMS等軟件對(duì)樣機(jī)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)仿真，最終形成核電產(chǎn)品數(shù)字化樣機(jī)設(shè)計(jì)的一般規(guī)范。項(xiàng)目的總體技術(shù)架構(gòu)如圖3所示。

設(shè)計(jì)平臺(tái)將自動(dòng)開封蓋裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)分解為支架、平動(dòng)機(jī)構(gòu)、提升機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、取蓋機(jī)構(gòu)、擰緊軸和存蓋裝置等七大部件模塊，基于此來(lái)構(gòu)建開封蓋機(jī)的骨架模型，具體的結(jié)構(gòu)劃分如圖4所示。

圖3　自動(dòng)開封蓋裝置數(shù)字樣機(jī)快速設(shè)計(jì)平臺(tái)技術(shù)框架

圖4　自動(dòng)開封蓋裝置的骨架模型

用戶進(jìn)入設(shè)計(jì)平臺(tái)，進(jìn)行自動(dòng)開封蓋裝置快速設(shè)計(jì)的基本流程如下：1)進(jìn)入“總體設(shè)計(jì)模塊”，該模塊的輸入信息為開封蓋機(jī)的基本性能參數(shù)(如核廢料桶的規(guī)格、總體尺寸)，該模塊的輸出信息為一系列推薦的七大部件模塊的結(jié)構(gòu)參數(shù)，該推薦的結(jié)構(gòu)參數(shù)可作為“參數(shù)化設(shè)計(jì)模塊”的輸入?yún)?shù)；2)逐一進(jìn)入七大部件的“參數(shù)化設(shè)計(jì)模塊”，以總體設(shè)計(jì)獲得的推薦參數(shù)或者用戶需要的參數(shù)作為輸入，自動(dòng)獲得各個(gè)模塊的變型設(shè)計(jì)三維模型；3)調(diào)用“總體裝配模塊”，將經(jīng)過重新設(shè)計(jì)的七大部件按一定順序進(jìn)行組裝，明顯的干涉和錯(cuò)誤會(huì)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整或者提示用戶進(jìn)行手動(dòng)調(diào)整；4)調(diào)用“缺陷辯識(shí)/修復(fù)模塊”，對(duì)組裝的整機(jī)中存在的更多設(shè)計(jì)缺陷進(jìn)行辨識(shí)和分析，并自動(dòng)調(diào)整或者提示用戶進(jìn)行手動(dòng)調(diào)整。

自動(dòng)開封蓋機(jī)數(shù)字化設(shè)計(jì)平臺(tái)包括如下基本功能模塊。

1)總體設(shè)計(jì)模塊。

2)參數(shù)化設(shè)計(jì)模塊。包括：a.支架參數(shù)化設(shè)計(jì)模塊；b.平動(dòng)機(jī)構(gòu)參數(shù)化設(shè)計(jì)模塊；c.提升機(jī)構(gòu)參數(shù)化設(shè)計(jì)模塊；d.旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)參數(shù)化設(shè)計(jì)模塊；e.取蓋機(jī)構(gòu)參數(shù)化設(shè)計(jì)模塊；f.擰緊軸參數(shù)化設(shè)計(jì)模塊；g.存蓋機(jī)構(gòu)參數(shù)化設(shè)計(jì)模塊。

3)總體裝配模塊。

4)缺陷辯識(shí)/修復(fù)模塊。

上述功能模塊之間的關(guān)系如圖5所示。

圖5　自動(dòng)開封蓋裝置數(shù)字樣機(jī)快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)功能模塊圖

上述實(shí)施方案完成后，將實(shí)現(xiàn)自動(dòng)開封蓋裝置數(shù)字化樣機(jī)設(shè)計(jì)全流程的自動(dòng)化，實(shí)施方案中增加了頂層的“總體設(shè)計(jì)模塊”，采用上述實(shí)施方案，可以減少甚至避免出現(xiàn)由于各結(jié)構(gòu)部件“參數(shù)化設(shè)計(jì)模塊”參數(shù)輸入不合理造成的總體裝配不協(xié)調(diào)等問題。在該實(shí)施方案中還增加了一個(gè)“缺陷辯識(shí)/修復(fù)模塊”，該模塊可在一定程度上避免設(shè)計(jì)失誤的出現(xiàn)，保障自動(dòng)開封蓋機(jī)的設(shè)計(jì)質(zhì)量。

5結(jié)語(yǔ)

本文探討了容錯(cuò)糾錯(cuò)設(shè)計(jì)技術(shù)、可驗(yàn)證設(shè)計(jì)技術(shù)以及數(shù)字化與自動(dòng)化設(shè)計(jì)技術(shù)在核電裝備設(shè)計(jì)中的應(yīng)用前景，分析了上述設(shè)計(jì)技術(shù)對(duì)于提高核電裝備設(shè)計(jì)質(zhì)量與設(shè)計(jì)效率的重要意義，研究了其中的關(guān)鍵技術(shù)。在核電裝備設(shè)計(jì)的早期引入容錯(cuò)糾錯(cuò)技術(shù)、設(shè)計(jì)驗(yàn)證技術(shù)，可大幅縮短設(shè)計(jì)驗(yàn)證時(shí)間，降低設(shè)計(jì)驗(yàn)證難度，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)缺陷辯識(shí)、定位和修復(fù)的集成，從而有效提高核電裝備的設(shè)計(jì)質(zhì)量、水平和效率，保障核電裝備運(yùn)行的安全性與可靠性。容錯(cuò)糾錯(cuò)設(shè)計(jì)技術(shù)、可驗(yàn)證設(shè)計(jì)技術(shù)以及數(shù)字化與自動(dòng)化設(shè)計(jì)技術(shù)的研究及其在核電裝備中的應(yīng)用將會(huì)產(chǎn)生顯著的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。

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責(zé)任編輯鄭練

Some Thoughts on Improving the Design Quality and Efficiency of Nuclear Power Equipment

HE Yingyong1, ZHANG Feng1, REN Xianchang1, FAN Shouwen2

(1.China Nuclear Power Design Co., Ltd., (Shenzhen), Shenzhen 518000, China; 2.University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu 611731, China)

Abstract：The application prospect of fault tolerant error correction design technology, verifiable design technology, digital and automation design technology in the design of nuclear power equipment is discussed, the importance of the technology in improving the design quality and design efficiency of nuclear power equipment is analyzed, and the key technology is studied. Taking automatic capping device as example, the digital prototype is built. The design, analysis, simulation and verification are completed in the digital environment. The design and automation of the digital prototype is realized. The platform and design specification of digital prototype is formed, which provides the basis for the rapid and automatic design of nuclear power equipment.

Key words:fault tolerant error correction design, verifiable design technology, digital and automation design

中圖分類號(hào)：TH 215

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

收稿日期：2015-10-14

作者簡(jiǎn)介：何英勇(1978-)，男，工程師，主要從事核島設(shè)備設(shè)計(jì)等方面的研究。