★ 北京廣利核系統工程有限公司 劉兆峰，劉永亮，史英斌，侯風英，姜智銳

關鍵詞：核電機柜；智能化；力學仿真；仿真模型；智能仿真

傳統的依賴物理樣機測試的設計驗證方式存在周期長、難以模擬真實物理環境，難以精準預測結構在靜力、地震、沖擊、振動等工況下的表現，且成本高昂等問題。隨著計算機技術及數值方法的快速發展，有限元分析為機柜結構性能評估提供了強大的虛擬解決方案。然而，構建高精度、高效率的核電機柜仿真模型是一項高度依賴工程師經驗、耗費大量人工、充滿挑戰的繁復任務。工程師需要面對幾何復雜性、連接與接觸特性、材料與邊界條件等諸多技術挑戰，同時還需兼顧效率與精度的平衡，并應對專家依賴性和知識壁壘問題。當設計變更時，有限元模型不能復用，需要重新建模，易造成極大的人工浪費，難以滿足設計方案迅速迭代的需求。文獻[1-6]針對不同領域的問題已形成了參數化建模的應用方案。馬惠敏等[7]指出，未來的智能仿真將會是傳統仿真與生成技術在物理和數據層面上的融合和創新。

本文旨在系統研究高效智能仿真的關鍵技術與實施方案，以將工程師從繁重的重復性建模任務中解放出來，使其能夠聚焦于更高層次的設計分析與決策優化。首先，立足行業技術發展趨勢，重點分析智能化幾何建模與軟件二次開發等關鍵技術，探討其在核電機柜仿真中應用的可行性；其次，針對核電機柜力學仿真分析過程中的效率瓶頸，系統梳理其高效智能仿真的核心需求。在此基礎上，結合上述需求，構建面向核電機柜的高效智能仿真整體設計方案；最后，通過集成二次開發技術，形成標準化的自動仿真流程，實現仿真過程的規范化和知識固化。通過智能化、自動化與知識化的深度融合，可以突破核電機柜仿真快速迭代的技術瓶頸，實現設計模型與分析模型的高效關聯，顯著提升前處理、約束加載及后處理等環節的自動化水平與分析效率。

1   高效智能仿真關鍵技術

1.1   智能化幾何建模技術

（1）基于參數交互的模型框架快速定義

基于參數化建模方式需要把機柜的尺寸參數、材料特性參數、形式參數進行歸類描述。尺寸參數主要包含：機柜的長寬高信息、梁柱零件的截面參數化表達、側筋的參數化表達及零件厚度。材料參數化特征主要包括：彈性模量、泊松比、密度等。形式參數主要包含：各個零件的連接方式、約束方程等。本方法只能對尺寸參數進行調整， 適用于結構已經定型產品，不具有普適性。

（2）基于導入模型前處理過程自動化路徑

基于導入模型前處理優點是可直接繼承全部設計信息（參數信息、材料信息、裝配信息）， 其缺點是：模型復雜性會造成前處理規模龐大， 需制定足夠多的處理規則以實現前處理過程的自動化。機柜結構高度集成，包含大量薄壁鈑金件、精密開孔（散熱孔、走線孔）、加強筋、安裝導軌、鎖具鉸鏈等細節特征。準確捕捉這些特征對局部應力集中和整體剛度的影響， 是保障模型保真度的關鍵。智能識別與處理幾何特征（如自動識別孔洞、倒角、凸臺并進行適當簡化或保留） 以及自動化生成高質量網格（尤其是對復雜薄壁結構的高效六面體或混合網格劃分）是該方法的關鍵環節。通過機器學習模型， 基于歷史仿真數據或試驗數據， 可以智能推薦最優的模型簡化策略、網格密度分布和材料本構參數， 同時智能識別潛在建模錯誤并給出修正建議。本方法具有廣泛的適用性。

1.2   智能封裝技術

目前ANSYS提供了多層次二次開發技術，形成了一套完整的工具鏈。

ACT是Ansys主推的二次開發框架，尤其適合在Workbench環境中進行圖形界面定制和流程封裝。 ACT插件通常包含定義UI的XML文件和實現功能的Python腳本文件。ACT插件用于在Mechanical界面中創建自定義載荷、結果指標和行業專用向導， 實現與原生環境無縫集成。另外，Workbench JavaScript API主要用于項目流程圖級別的流程自動化和系統連接控制，可以實現自動化重復任務、集成外部代碼和流程，并創建向導（Wizard）來引導非專家用戶完成復雜的仿真步驟。

通過Python腳本可以直接與控制Mechanical的底層對象進行交互， 實現高度自動化。利用Mechanical界面中的“Record Script”（腳本錄制）功能，可以記錄操作并生成基礎腳本。腳本通過訪問根對象來操作模型樹中的幾乎所有元素（例如幾何、網格、邊界條件和結果等）。

圖1 智能仿真開發流程

1.3   仿真知識庫技術

仿真知識庫是一個集成的結構化平臺， 它通過固化仿真流程、封裝專家知識和標準化分析規范，將依賴個人經驗的仿真，轉變為高效、可靠、可追溯的標準化、自動化流程。

仿真知識庫通常包含以下兩個層次， 涉及不同的技術：（1）數據和模板層：存儲和管理標準的材料庫、幾何模板、網格參數、邊界條件庫等， 涉及數據庫技術系統集成和參數化CAD模板；（2）知識與決策層： 封裝行業標準規范，實現智能推薦、自動判斷和報告生成。

2   核電高效智能仿真需求分析

2.1   前處理功能需求

（1）幾何模型自動前處理：根據機柜、盤臺、機箱、模塊等CREO三維模型，梳理零件類型，通過導入模型，鈑金類結構自動轉化為面結構幾何，為進一步的網格劃分提供準備，包含厚度信息；吊環等結構以實體模型進行結構簡化。涉及幾何清理、幾何簡化、抽梁、抽中面及延展搭接；總裝、組件、零件幾何標準模型生成存儲；材料信息加載。

（2）有限元模型自動前處理：網格（殼、實體單元）的智能自動自適應網格劃分；質量配置：質量替代假體模型的自動生成， 支持獨立質量配置功能用于質量修正；連接（螺接、焊接）及接觸結構的批量自動化；總裝、組件、零件仿真標準模型生成存儲。

2.2   智能仿真工況計算需求

智能仿真工況計算包括約束和加載兩個過程。其中， 智能約束需要智能識別約束邊界條件， 自動獲取邊界信息， 進行邊界約束； 智能加載需要按照GB50267 《核電廠抗震設計規范》進行設計加載。核電儀控機柜抗震設計仿真主要工況有： 自重載荷工況、模態分析、譜分析、時程分析， 實現自動加載功能。根據工況需求開發相應的仿真流程模板，實現自動工況加載及計算。

2.3   智能仿真后處理功能需求

根據規范需求對仿真分析結果數據及圖片進行自動存儲抓取， 既包含總體， 又包含單個零件的應力應變數值及云圖、螺栓和焊縫的應力、機柜整體的支反力，以及整體加速度響應數值及云圖。根據仿真知識庫的RCCM、ASM、GB50267規范限值，按照抗震Ⅰ類和抗震Ⅱ類要求進行智能判定。

系統可自動生成仿真分析報告， 并優化方向指導：基于分析結果， 智能提示結構薄弱環節， 并提出改進建議，如材料調整、結構強化區域推薦等， 為設計優化提供數據支撐。

3   核電高效智能仿真方案設計

智能仿真架構包括應用層、過程層、數據庫層、工具層，如圖2所示。應用層包含用戶交互的分析工況和校核計算；過程層是后臺封閉的仿真分析自動化流程；數據庫層包含結構件幾何模型和仿真模型的調用、常規材料的調研、反應譜數據的調用，以及支撐自動化分析的仿真工況模板、報告模板、用于結果判定的規范限值、歷史數分析及分析試驗數據對比；工具層對軟件工具集成，基于CREO開發，后臺調用ANSYS、 WORD、EXCEL軟件執行相關操作。

（1）基礎層

智能力學仿真模塊將被嵌入到CREO軟件中進行開發，確保用戶可以在CREO環境中無縫地進行力學仿真工作，無需切換到其他軟件環境。其深度集成ANSYS、Word、Excel等工具軟件。

圖2 智能力學仿真平臺分層架構

圖3 核電機柜智能化仿真平臺

（2）過程層

過程層提供了一個智能自動化的仿真分析流程：智能幾何前處理、智能自動化的仿真前處理、智能自動化的仿真求解以及智能自動化的仿真后處理。通過封裝自動化仿真分析流程并加以固化，可實現整個仿真流程的完全智能化與自動化，從而減少人工干預，提高工作效率。

（3）應用層

在自動化前處理調通之后，可以將前處理過程隱性化，僅通過工況需求對應用層進行顯性化操作。這意味著用戶只需定義工況需求，系統即可自動完成從幾何處理到仿真結果生成的全過程。

（4）數據層

系統支持以模型的導入作為幾何數據來源，可自動完成從幾何模型到網格模型再到仿真模型的轉換，并將這些模型存儲在相關的幾何模型庫和仿真模型庫中，方便后續的復用和管理。系統將內置一個仿真知識庫，包含常用的材料力學性能信息，支持材料力學參數的匹配調用。此外，仿真分析工況模板將支持工況載荷和求解參數的自動配置。系統還將根據不同的分析規范和材料參數，自動計算應力限值，并支持結果的自動判定。通過提取應力數值、應力云圖、響應云圖、支反力及必要的工程計算，系統將自動生成機柜力學仿真分析報告。

智能力學仿真平臺運行圖如圖4所示， 設計模型可通過點擊智能力學仿真插件，自動無縫跳轉到相關功能界面，通過腳本驅動實現過程的智能化自動化運行，并在不同階段分別輸出幾何模型和仿真模型存儲到模型數據庫，在運行過程中分別調用數據庫、仿真工況模板、規范限值實現仿真智能化的輔助功能，最后通過智能后處理輸出自動報告以及仿真結果云圖。

圖4 智能力學仿真平臺運行圖

4   某核電機柜智能仿真分析

某核電項目核級電氣控制柜，包含柜體主體（材質Q235B）、內部功能單元（材質6061鋁合金）、電纜束（等效密度2.8g/cm3)及固定連接件（螺栓、螺母等，材質304不銹鋼）。其結構參數：外形尺寸（寬×深×高）800mm×700mm×2200mm，柜體壁厚3mm，底部通過螺栓與地面連接；地震載荷：按核電廠廠址地震動參數，輸入SL-2級地震響應譜（峰值加速度0.6g，頻率范圍0.1Hz-50Hz），需考慮X、Y、Z三個方向分別加載，適用標準GB50267。

設計模型通過CREO自動導入后，經過智能前處理，由腳本驅動完成以下操作：智能分組、識別與處理、幾何清理、模型簡化、抽中面、自動對齊、網格劃分、自動質量配置、自動連接任務，并加載自適應網格算法生成機柜網格。如圖5所示。系統自動對生成的網格進行質量檢查，并對質量較差的單元進行自動優化或重新劃分，確保網格滿足求解器的要求。通過存儲，模型進入模型庫，便于后續復用。

通過設置選取抗震分析工況， 如圖6所示。選取譜分析，選取X、Y、Z三向反應譜，默認三向反應譜結果數據進行RSS模態疊加組合。腳本自動識別進行螺栓邊界約束和工況設置加載，自動進行遠程計算任務提交。

圖5 智能化平臺處理的自適應網格模型

圖6 工況設置

仿真計算完成后， 可查看應力、變形、結構動力響應等計算結果及云圖。如圖7所示，進入結果評價界面，選取RCCM分析規范，抗震等級設置Ⅰ類，準則級別選定C級。數據庫會同步更新材料的應力限值進行自動仿真結果判定。通過自動生成報告按鈕， 可按照報告模板自動輸出仿真分析報告， 包含模型信息、載荷、分析方法、工況結果及判定情況。

圖7 結果判定

某核電項目安全級機柜抗震分析驗證結果表明，應用本文所提方案后，全周期仿真分析效率提高了30%，有效提升了仿真分析的智能化、自動化水平和工作效率。

5   結論

目前， 大型復雜裝配體的高效智能仿真研究尚處于起步階段。本文以核電儀控機柜為研究對象開展了高效智能化仿真研究，并得出以下結論：

（1）徹底革新了機柜力學仿真范式，顯著縮短了模型準備時間， 大幅提升了建模效率與一致性， 有效降低了建模門檻，設計人員通過簡單設置就能靈活運用。

（2）通過智能算法輔助決策提升了模型精度和可靠性， 并最終賦能設計優化與創新活動， 為大規模復雜模型仿真的智能化、自動化落地提供了有益借鑒。

（3）展望未來，高效智能仿真技術將從單純的建模計算，進化為融合物理機理和數據智能的仿真大腦，持續驅動機柜結構設計向更高性能、更高可靠性、更高效率與更低成本的智能化方向飛躍發展， 為核電產品數字化保駕護航。

作者簡介：

劉兆峰（1980-），男，河北人，高級工程師，碩士，現就職于北京廣利核系統工程有限公司，主要從事核儀控系統機柜盤臺設備的抗震、抗沖擊、振動機械環境設計仿真優化驗證及智能化研究工作。

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摘自《自動化博覽》2026年5月刊