Автоматизация конструирования программно-технических средств АСУ ТП атомных станций с применением решений компании Unigraphics Solutions

С.Е. Власов, В.А.Иванченко, С.А.Пименов, Е.Г.Тяжелова

Поддержка процесса конструирования ПТС с применением САПР I-DEAS

Моделирование работоспособности ПТС в процессе эксплуатации

Внедрение методов параллельного инжиниринга в процесс разработки ПТС

ФГУП НИИ Измерительных систем выполняет разработки нового поколения программно-технических средств (ПТС) автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУ ТП) атомных электростанций (АЭС). Фрагмент ПТС АСУ ТП АЭС представлен на рис. 1.

ПТС предназначены для реализации управляющих и информационных функций и состоят из трех самостоятельных функциональных комплектов оборудования:

• технических средств оперативного диспетчерского управления энергоблоком (ТС ОДУ), используемых для прямого дистанционного контроля и управления энергоблоком при отклонениях от режима нормальной эксплуатации;

• программно-технического комплекса системы верхнего блочного уровня управления, осуществляющего компьютерные контроль и управление энергоблоком АЭС в режимах нормальной эксплуатации, планового пуска и останова;

• системы регистрации важных параметров эксплуатации энергоблока.

ПТС представляют собой сложно-функциональную радиоэлектронную аппаратуру (РЭА), построенную по модульному иерархическому принципу.

К ПТС предъявляются чрезвычайно высокие требования по надежности, качеству, стойкости к внешним воздействующим факторам:

• сейсмостойкость (6 балов МРЗ по шкале MSK 64);

• виброустойчивость (синусоидальная вибрация с амплитудой ускорения 0,005 g в интервале частот 0,5-100 Гц);

• вибропрочность (синусоидальная вибрация с амплитудой ускорения 0,5 g в интервале частот 0,5-60 Гц);

• средняя наработка на отказ не менее 20 000 ч;

• срок службы до ремонта 15 лет;

• срок службы не менее 30 лет.

Эффективную разработку данного класса РЭА, быструю адаптацию проектов под новые требования заказчиков, обеспечение конкурентоспособности по техническим параметрам и стоимостным показателям можно реализовать только с применением интегрированных систем автоматизированного проектирования.

В НИИИС выполнена разработка автоматизированной системы проектирования и технологической подготовки производства (ТПП) ПТС, которая реализует следующие основные функции:

• художественно-конструкторское проектирование ПТС, моделирование и вариантная компоновка ПТС в пунктах управления АЭС;

• схемотехническое проектирование и моделирование принципиальных схем плат, блоков, микроконтроллерных устройств;

• конструкторское проектирование печатных плат;

• конструкторское проектирование и компоновка ПТС в целом;

• инженерные расчеты и анализ конструкций;

• технологическая подготовка производства ПТС.

Для реализации сквозной системы проектирования, поддержки электронных проектов ПТС на всех этапах жизненного цикла применяются обеспечивающие подсистемы САПР:

• управления электронным техническим документооборотом и электронным архивом проектов ПТС;

• разработки интерактивных электронных технических руководств (ИЭТР);

• управления данными в системе менеджмента качества (СМК).

Эффективное функционирование подсистем поддерживается информационным обеспечением САПР, которое включает следующее:

• библиотеки моделей подсистем проектирования;

• электронный каталог мозаичных элементов ПТС;

• базы данных (БД) базовых несущих конструкций;

• электротехнические базы данных;

• электронный архив проектов;

• БД СМК.

Рассмотрим применение решений UGS для автоматизации некоторых этапов разработки ПТС.

Поддержка процесса конструирования ПТС с применением САПР I-DEAS

Для решения задач конструкторского проектирования в качестве базовой используется система автоматизированного проектирования I-DEAS.

I-DEAS представляет собой интегрированный программный комплекс, включающий широкий набор функциональных модулей, предназначенных для проектирования и разработки КД механических деталей и сборочных единиц.

Среди характерных особенностей I-DEAS можно отметить следующие:

• интеграция процессов конструирования, конечно-элементного моделирования, технологической подготовки производства в среде параллельного проектирования специалистами различных профилей;

• использование единой электронной модели и базы данных изделия на всех этапах разработки;

• применение технологии вариационного твердотельного моделирования;

• набор интерфейсов для обмена данными с другими системами САПР;

• полный набор средств трехмерной визуализации, включающий возможности получения реалистических изображений и выполнения операций динамического просмотра (перемещения, увеличения, вращения).

Центральное место в I-DEAS занимает модуль геометрического моделирования Master Modeler приложения Design, который предоставляет средства трехмерного проектирования, обеспечивающие создание моделей различных типов изделий. Гибкость конструирования достигается за счет совместного использования различных методов построения объекта — каркасного, моделирования поверхностей и твердотельного, а также параметрических способов определения геометрии.

Все данные, необходимые для процесса разработки механических деталей и сборок, хранятся в единой электронной информационной модели, с которой работают модули проектирования, черчения, анализа и подготовки производства. Эта модель называется главной и включает геометрию, топологию, вариационные размеры, допуски и свойства материалов, чертежи, результаты моделирования и испытаний, информацию о механической обработке, иерархию сборки и взаимосвязи между деталями. Наряду с основными данными о модели в системе хранится также служебная информация: дата создания и внесения изменений, фамилии разработчиков и авторов внесенных корректировок, атрибуты изделий, номера версий, история конструирования. Изменения, вносимые в модель детали, отражаются во всех связанных с ней приложениях.

Входящий в состав приложения Design модуль Master Assembly предоставляет набор интерактивных средств для создания механических сборок и управления ими. Детали позиционируются в узлах с использованием ограничений и взаимосвязей, что позволяет при изменении конструкции одной детали автоматически корректировать конфигурацию сборки узла. Модуль Master Assembly предоставляет возможность работы с неограниченным количеством деталей и уровней иерархии в узлах. Кроме того, модуль Master Assembly поддерживает параллельную работу группы конструкторов. При необходимости разработчики имеют доступ к моделям конструкции посредством стандартных библиотек и возможностей управления данными.

Модуль I-DEAS Drafting предоставляет средства составления чертежной документации изделий по твердотельным моделям, созданным в модулях Master Modeler и Master Assembly. По геометрии модели создаются виды, сечения, детальные и дополнительные виды вместе с необходимыми размерами. Изменения, вносимые в проектируемую конструкцию, автоматически отражаются на чертеже. Master Drafting имеет средства обмена данными с другими CAD/CAM-системами. Специальные трансляторы, входящие в состав программного комплекса, обеспечивают преобразование чертежных и конструкторских данных из форматов I-DEAS в форматы IGES, DXF, STEP и др.

К конструкторским работам относятся трехмерное моделирование деталей и сборок (рис. 2), разработка базовых несущих конструкций (БНК); компоновка ПТС и разработка конструкторской документации (КД) на ПТС проводится с использованием приложения Design САПР I-DEAS.

Трехмерные модели конструкций ПТС, разработанные в приложении Design, используются далее в приложении Simulation для проведения расчетов на прочность, ударовибростойкость, а также для анализа тепловых режимов.

Среди объектов ПТС можно выделить ряд типовых по конструктивному исполнению решений, объединяющих базовую несущую конструкцию (БНК) и электронную часть. В пределах базового решения модификации технических средств имеют, как правило, только количественные различия в электронной части (рис. 3).

Использование типовых решений лежит в основе применяемого при проектировании ПТС расчетно-экспериментального метода отработки объектов на подтверждение их соответствия требованиям технического задания к воздействию внешних воздействующих факторов. При применении данного метода в инженерных расчетах используются модели базовых конструкций и разработанные на их основе конечно-элементные модели.

САПР I-DEAS предоставляет широкие функциональные возможности для построения моделей конструкций, организации групповой работы пользователей и проведения расчетов. Это позволяет предложить ряд рекомендаций по разработке программно-технических средств, основанных на использовании общей для участников разработки базы данных ПТС, организованной в виде ряда библиотек I-DEAS. Основная цель данных рекомендаций — сокращение сроков и повышение качества разработки ПТС.

Библиотеки предназначены для совместного использования конструкторами и специалистами по инженерным расчетам в процессе разработки ПТС с применением САПР I-DEAS.

Библиотеки элементов конструкций ПТС представляют собой базы данных, созданные средствами САПР I-DEAS и содержащие унифицированные элементы конструкций ПТС с учетом версий — трехмерные детали и сборки, необходимые для конструкторских разработок, и их геометрические модели, используемые для наложения автоматических сеток конечных элементов.

Взаимосвязь библиотек элементов конструкций ПТС показана на рис. 4. На рис. 5. представлена общая схема разработки ПТС средствами САПР I-DEAS.

Трехмерные модели и графическая конструкторская документация, разработанные в приложении Design, используются в качестве исходных данных для разработки ИЭТР — электронных руководств по эксплуатации, ремонту и обслуживанию ПТС. На рис. 6 показан пример трехмерной иллюстрации электронного руководства для пульта — панели безопасности ПТС, геометрическая модель конструкции которого была создана и импортирована из САПР I-DEAS в средство разработки ИЭТР.

Моделирование работоспособности ПТС в процессе эксплуатации

В соответствии с техническими условиями эксплуатации конструкция ПТС должна быть прочной и работоспособной при воздействии механических (вибрация, удары, сейсмические нагрузки) и климатических (перепады температуры окружающей среды в заданном диапазоне и относительной влажности) факторов. Поэтому в процессе проектирования конструкций ПТС производится комплекс проверочных расчетов на стойкость к внешним воздействующим факторам. Для этих целей используется САЕ-составляющая САПР I-DEAS (приложение Simulation).

Приложение Simulation разделено на ряд модулей, каждый из которых предназначен для реализации отдельных этапов инженерных расчетов конструкций ПТС:

• построение специализированной геометрической модели (модули Master Modeler, Master Assembly);

• построение конечно-элементной модели (модули Meshing, Beam Sections);

• наложение условий механического нагружения и условий закрепления (модуль Boundary Conditions);

• расчет статических задач и собственных частот (модуль Model Solution);

• расчет динамических процессов в конструкции (модуль Response Analysis);

• наложение тепловых связей, начальных условий и расчет тепловых режимов при стационарных и нестационарных режимах (модуль TMG Thermal Analysis);

• анализ полученных результатов (модуль Post Processing).

Для построения конечно-элементных моделей используется стандартная библиотека конечных элементов приложения Simulation. Библиотека включает балочные, плоские (треугольники, четырехугольники) и объемные (тетраэдры, параллелепипеды) конечные элементы первого и второго порядка.

Построение расчетных моделей конструкций ПТС требует привязки к каждой группе конечных элементов соответствующей таблицы физических характеристик материалов, которая включает следующие параметры:

• модуль упругости — Е (Па);

• коэффициент Пуассона — ;

• плотность — (кг/м³);

• предел текучести — (Па);

• предел прочности — (Па);

• коэффициент теплопроводности — (Вт/м·град);

• удельная теплоемкость — с (Дж/кг·град).

С этой целью разработана библиотека материалов конструкций ПТС. Элементы библиотеки содержат все физические характеристики, необходимые для проведения инженерных расчетов конструкций ПТС на внешние воздействующие факторы. На текущий момент объем заполнения библиотеки материалов соответствует номенклатуре материалов, используемых в конструкциях ПТС. В случае необходимости пополнение библиотеки осуществляется средствами модуля I-DEAS Material Data System.

Оценка механической прочности производится с применением метода конечных элементов, реализованного в САПР I-DEAS. В качестве расчетной модели анализа динамического поведения конструкции ПТС принимается конечно-элементная модель, построенная на базе специализированной геометрической модели, автоматизированно получаемой из созданной конструктором сборки. Расчетные модели (рис. 7) для анализа прочности конструкции ПТС к воздействующим механическим факторам включают конечно-элементные сетки с соответствующими физическими свойствами, условия нагружения и закрепления. В процессе динамического расчета оцениваются уровни напряжений и деформаций конструкции (рис. 8) в соответствии с требованиями прочности конструкционных материалов.

Стойкость оборудования при климатических воздействиях рассчитывается по методу конечных разностей с применением модуля TMG Thermal Analysis. Расчет ведется при воздействии детерминированных источников энергии. В качестве расчетной модели для анализа используются данные из конечно-элементной модели, созданной на этапе оценки механической прочности.

В результате проверочных расчетов производится анализ:

• температурных условий работы оборудования ПТС и их комплектующих;

• термомеханической прочности несущей конструкции;

• функциональной устойчивости работы электрической схемы комплектующих ПТС при и после совместного воздействия на них механических и температурных эксплуатационных факторов.

Сложность конструктивного исполнения ПТС потребовала разработки специального методического обеспечения. Применительно к каждому этапу инженерного расчета разработаны методики и инструкции, позволяющие построить расчетные модели, адекватно отражающие свойства реальных конструкций, и провести необходимый комплекс проверочных расчетов.

Поскольку проведение подобного рода расчетов невозможно без соответствующей верификации вычислительных алгоритмов, были проведены специализированные исследования.

Цель данных верификационных исследований — аттестация алгоритмов САПР I-DEAS на предмет возможности ее использования для расчетов прочности и стойкости оборудования, конструкций ПТС при воздействии эксплуатационных нагрузок. Предмет исследования — определение степени адекватности расчетов параметров напряженно-деформированного состояния и резонансных частот тестовых конструкций алгоритмами I-DEAS и аналитическими методами.

Из результатов анализа характеристик точности расчета тестовых конструкций с помощью алгоритмов I-DEAS следует, что уровень относительных погрешностей расчета контролируемых параметров прочности и стойкости зависит как от конструктивного исполнения и краевых условий закрепления, так и от способа моделирования конечно-элементной сетки, включающего ее плотность и применяемый тип конечных элементов. При наихудших условиях относительная погрешность численных методов по отношению к аналитическим составляет не более 5%, что вполне приемлемо для данных численных методов.

Проведенные исследования точности вычислительных алгоритмов, а также сравнительный анализ результатов численных исследований с результатами натурных испытаний позволили разработать обоснование распространимости результатов испытаний опытных образцов конструкций ПТС на соответствующие ряды идентичных конструкций. Дальнейшее накопление статистических данных дало возможность разработать методику, согласованную с ГАН (Госатомнадзор РФ), по проведению расчетно-экспериментальной отработки объектов ПТС на подтверждение требованиям ТЗ к воздействию внешних факторов. Согласно данной методике натурные испытания проводятся для одной базовой конструкции соответствующего модельного ряда, тогда как для всех остальных модификаций испытания заменяются расчетами в I-DEAS.

Внедрение методов параллельного инжиниринга в процесс разработки ПТС

Твердотельные трехмерные детали и сборки, разработанные конструктором, обычно не предназначены для использования их при автоматическом построении конечно-элементных моделей. Детали, разрабатываемые на уровне конструкторского проектирования ПТС, слишком сложны и содержат множество несущественных для инженерного анализа элементов, что требует создания специальной геометрической модели конструкции для проведения расчетов.

Геометрическую модель конструкции можно получить путем упрощения трехмерной модели детали, разработанной конструктором, с учетом критерия адекватности. У этого классического подхода имеется ряд недостатков. Инженер-исследователь может начать разработку своей расчетной модели только после завершения работ по компоновке всей модели ПТС — по окончании этапа конструкторского проектирования. Другой отрицательный момент заключается в том, что инженер-исследователь обязательно должен строить новую расчетную модель, даже в случае незначительного изменения компоновки ПТС.

Описанный подход эффективен при проведении исключительно проверочных расчетов. В случае же разработки новых конструкций, оказывающихся в сложных условиях эксплуатации, целесообразно применение проектировочных расчетов, весь комплекс которых проводится еще до окончательной компоновки конструкции ПТС. Проектировочные расчеты еще на уровне конструкторской проработки позволяют определить слабые звенья конструкции и оперативно устранить их путем ввода соответствующих элементов или изменения текущей компоновки ПТС.

Исследования точности расчета выявили влияние способа моделирования конечно-элементной сетки, который, в свою очередь, зависит от правильности построения геометрической модели. Поэтому разброс вариантов построения геометрических моделей должен быть ограничен соответствующими критериями. Основным критерием адекватности расчетной модели и реальной конструкции является идентичность их поведения при воздействии внешних климатических и механических нагрузок.

С учетом вышеизложенных факторов разработана схема взаимодействия конструкторов и специалистов по инженерным расчетам в процессе разработки ПТС с применением САПР I-DEAS. В основу схемы взаимодействия положен комплекс требований и рекомендаций для построения, хранения и передачи данных о трехмерных деталях и сборках элементов конструкций ПТС. На этапе конструкторского проектирования с целью наибольшего использования трехмерных деталей и сборок для наложения автоматических сеток конечных элементов при условии минимальных упрощений геометрии предусматривается использование библиотек унифицированных элементов конструкций ПТС с учетом версий. В качестве версий используются трехмерные детали и сборки, необходимые для конструкторских разработок, и их геометрические модели, применяемые для наложения автоматических сеток конечных элементов. В этом случае упрощенная геометрическая модель и КЭМ конструкции для проведения инженерных расчетов будут получаться автоматически после замены соответствующих версий (рис. 9).

Разработанный на базе САПР I-DEAS подход параллельного инжиниринга позволяет:

1. Одновременно производить разработку элементов конструкции ПТС и их расчетных моделей.

2. Вести библиотеку моделей элементов конструкции с привязанными к ним расчетными моделями.

3. Автоматизированно получать расчетную модель при формировании сборки модели конструкции ПТС в САПР I-DEAS.

4. Автоматизированно перестраивать расчетную модель при изменении компоновки конструкции ПТС.

5. Проводить весь комплекс проектировочных расчетов с дальнейшей оптимизацией конструкции в плане уменьшения влияния внешних воздействующих факторов.

6. Проводить проверочный расчет большего количества вариантов компоновки конструкций ПТС на прочность и работоспособность при воздействии внешних механических и климатических нагрузок.

7. Эффективно применять метод «подконструкций» для решения моделей с большим числом конечных элементов.

Автоматизация проектирования средств технологического оснащения

Использование основных модулей САПР I-DEAS и специализированных модулей проектирования пресс-форм VGX Core Cavity, VGX Mold Base, интегрированных с САПР I-DEAS, позволило реализовать следующие этапы проектирования пресс-форм для производства пластмассовых деталей ПТС:

• анализ конструкции детали, созданной в модуле Master Modeler и хранящейся в библиотеках деталей;

• создание формообразующих частей пресс-формы (модуль VGX Core Cavity), включающее:

- подготовку литьевой детали (контроль поверхностей, создание углов уклона, определение направления раскрывания пресс-формы, масштабирование),

- разработку конструкции и определение заготовки формообразующей части пресс-формы;

- создание разделяющих поверхностей (заполнение отверстий, построение линии силуэта, создание поверхностей),

- получение формообразующих элементов пресс-формы путем разделения заготовки формообразующей части пресс-формы на формообразующие элементы путем использования в качестве инструмента для разделения детали с присоединенными дополнительными поверхностями;

• создание модели пресс-формы на основе стандартной пресс-формы из каталога; наличие и размеры каждого из ее элементов определяются конструктором (модуль VGX Mold Base) с последующим добавлением компонентов пресс-формы, включающим:

- динамическое определение размеров эскизов компонентов,

- добавление компонентов создания прямоугольного и кругового массивов компонентов с их динамическим размещением,

- создание объемных элементов по размещенным эскизам компонентов,

- создание отверстий в плитах пресс-формы вычитанием из них компонентов с возможностью коррекции размеров компонентов и последующим автоматическим обновлением отверстий;

• получение чертежей (модуль Master Drafting).

Модули проектирования пресс-форм включают команды, позволяющие выполнить все операции, необходимые при проектировании. Команды этих модулей могут также использоваться в сочетании с командами Master Modeler.

Использование разработанных типовых параметризованных моделей пресс-форм, применяемых на предприятии, позволяет значительно ускорить процесс проектирования.

В ряде случаев для анализа технологичности детали при изготовлении способом литья пластмасс используется модуль Moldflow Part Adviser, позволяющий оценить параметры заполнения детали расплавом полимера и принять основные решения по конструкции пресс-формы. Модуль интегрирован с САПР I-DEAS и использует модели деталей, созданные в Master Modeler.

Модуль определяет наиболее благоприятные варианты расположения точек ввода полимера. Температура расплава и его давление определяются автоматически, исходя из свойств выбранного полимера. По результатам анализа графически представляются параметры заполнения детали расплавом полимера (рис. 10).

Заключение

Внедрение в промышленную эксплуатацию САПР ПТС, основанной на решениях UGS, позволило реализовать принципы ИПИ (CALS) — технологий для ПТС АСУ ТП АЭС и обеспечить:

• повышение качества проектных решений и производительности труда разработчиков и конструкторов с трехкратным сокращением сроков разработки (вариантная проработка изделий, применение методов параллельного инжиниринга);

• сокращение стоимости разработки изделий ПТС за счет уменьшения числа натурных испытаний (полнофункциональное компьютерное моделирование, проведение только зачетных испытаний базовых конструкций);

• быстрый выпуск модификационных исполнений ПТС для различных заказчиков (использование электронных моделей, библиотек конструкций);

• расширение рынков сбыта — поставку средств АСУ ТП для российских и зарубежных АЭС, в том числе с передачей документации в электронном структурированном виде (ИЭТР).

«САПР и графика» 11'2004