基于Pro/E 核设施退役工器具建模方法探究

徐琳

（中核四川环保工程有限责任公司，四川 广元628000）

1 概述

核设施在运行过程中会被放射性污染和活化，场地、设备有放射性污染，退役工程可能出现不可预见的问题。[1]目前，世界各国都在针对于核设施退役做相应的科研开发，开发了许多行之有效的退役治理技术，其中核设施退役虚拟仿真技术研究颇受关注，许多国家甚至开发了核设施退役仿真平台，为退役前的准备工作提供技术和信息支持。在核行业中，无论是申报核设施退役项目还是市场开发，都需要制定详尽的退役方案。而退役核设施具有放射性，退役过程危险且复杂[2]，不确定因素比较多，在这种情况下，基于虚拟现实技术的退役虚拟仿真系统就显得尤为重要，它可以模拟退役实施过程，对退役技术方案和关键步骤进行验证、评估和演练[3]，优化退役方案，提高退役效率，减少无用功，降低人员所受剂量。但退役虚拟仿真系统涉及知识面广，需要的专业技术人员多，一次性成功组建虚拟仿真系统较为困难，三维建模是虚拟仿真最基础也是最关键的一步，因此本次将先就基于虚拟仿真的建模技术进行探究，确定适合工器具建模的方法，为今后组建核退役仿真系统奠定基础。

本次使用的建模软件Pro/E 主要运用于机械制图，具有强大的参数化建模功能，曲面设计强，软件运行速度快，支持大型、复杂组合件建模，可分析结构和热特性，具有高级的渲染功能和三维可视化技术，可在后续更好地将模型运用于虚拟仿真研究中。

2 工器具建模思路及其应用

在对工器具进行建模时，主要将建模思路分为三个大点：一是分析结构，拆分实体；二是根据拆分，开展零件建模；三是按照原实体组合结构，装配零件，形成建模实体三维模型。为探究建模思路的正确性，运用思路基于Pro/E 的参数化建模功能对圆盘锯进行建模。

2.1 分析结构，拆分实体

根据圆盘锯的实体（实体图见图1），分析出圆盘锯大致可将其分为六个大部分组成，即圆盘锯保护外壳、圆盘锯圆盘、圆盘锯液压管线、圆盘锯气动装置、圆盘锯把手、圆盘锯握把与主体结构。而后又将较为复杂的结构更为细致的划分为一些比较细小的零件，如按钮、螺母、垫圈等，进入第二步零件建模。

2.2 根据拆分，开展零件建模

图1 圆盘锯实体特征图

根据已经拆分好的部分，顺次开始零件建模，将圆盘锯保护壳、把手、圆盘等已不能再细分的零件直接开始建模，其他部分则再次细分零件进行组合式建模或单独建模，最终装配时再与其他零件整合。零件建模部分主要先从简单部分开始着手，如握把与主体结构是将主体结构模型先行创建后，在此基础上创建完善握把三维模型，即先打好模型的基础，创建有较多平滑截面的模型，在这种模型基础上再进行拉伸、旋转等操作完善整个模型。需要注意切勿以圆曲面为基准面进行零件建模，按照建模规则来说，曲面无法进行拉伸类操作，若曲面上有模型结构需要创建，则需在曲面同侧新建截面再进行特征操作。

2.3 按照原实体组合结构，装配零件，形成建模实体三维模型

所有圆盘锯零件三维模型均绘制完成后，按照拆分思路对照圆盘锯实体进行逆向装配即可得到圆盘锯三维模型。装配时需注意并不是所有零件在首次装配时就能成功，还需针对具体装配情况，返回第二步零件建模重新调整相关建模数据，而后再重新尝试装配。圆盘锯是一个零件繁多的小型工器具，故在最后装配时，会出现部分小型零件遗漏现象，此时也仅需按照数据补充构建零件模型即可。若在零件建模中不容易找准位置创建圆孔特征的，可在装配阶段，确定好最终圆孔位置后，通过装配界面里的拉伸功能即可创建正确的圆孔特征。圆盘锯三维模型及分解图可见图2，可根据圆盘锯的分解图更为详细看出第一步中的拆分构思。

图2 圆盘锯三维模型与分解图

3 工器具特殊结构零件建模问题、方法及其应用

在进行建模时，会出现很多因建模思路或方法不对而导致难以正确建模或建模效率低下的问题，故在本部分将列举出工器具不同特殊结构零件建模问题，并提出相应的解决方案，用圆盘锯的零件建模举例。

3.1 复杂结构外壳建模问题、方法及应用

工器具外壳常常具有较为复杂的结构或层次，在建模过程中会出现外壳的一些凸起类的特征结构，无法正常绘制，或是在使用Pro/E 壳特征建模时，无法顺利抽壳形成薄膜外壳为模型的情况发生。遇到此类问题，可先对工器具的外壳再次进行结构观察，在原有的模型中拉伸出新的立体结构进行模型修改，而后对抽壳操作中设置的厚度以及模型各处的厚度进行检查，再次进行抽壳操作，调整抽壳厚度小于模型里最小的厚度。以圆盘锯保护壳建模为例，首先观察圆盘锯保护壳实体，分析结构组成，其次根据结构组成，选择特征功能，构建圆盘锯实心模型结构，再次检查模型厚度，确定壳厚度后，抽壳形成初步圆盘锯外壳模型，最后结合实体，完善模型结构，形成最终壳模型。圆盘锯保护壳建模过程图如图3。

图3 圆盘锯保护壳建模过程图

3.2 多层次组合零件建模问题、方法及应用

在工器具建模过程中，常出现多层次组合的零件结构，即在实体拼接时，通过焊接之类的连接方法将多个零件衔接成一个完整的零部件。所以在建模观察实体图时，会存在无法正确构思建模思路或直接一次性对整个结构建模，常导致建模出错、重复建模、建模效率低下等问题。遇到此类问题，可先再次拆分多层次组合零件结构，而后运用Pro/E 特征功能叠加式建模，完成模型构建。以圆盘锯气动装置建模为例，应首先分析气动装置实体，拆分建模，气动装置分成三个部分建模，而后运用Pro/E中的拉伸、倒圆角等功能叠加式建模，完成气动装置模型构建。由于第三层气动装置结构较为复杂，故本部分仅展示第三层气动装置建模过程图，如图4。

图4 圆盘锯第三层气动装置建模过程图

3.3 弯管类零件建模问题、方法及应用

弯管类零件在大多数工器具中均属于较为常见的结构，每个工器具都有类似于握把的结构，这种结构有些较为简单，有些则较为复杂。在本部分所说的弯管类零件主要针对于工器具里的一些较为复杂的握把部分，复杂的点并不是由于简单的弯曲，而是弯曲的部分通常不在同一平面，整体的零件结构是一个在立体空间进行弯曲折叠的管线结构，这对于建模而言常常很难找到头绪，经常会出现由于不知道如何绘制模型，直接将管线绘制到同一截面，或者是绘制的弯曲方向存在巨大问题。遇到此类问题，可首先观察零件实体，弄清空间弯曲部分，而后运用Pro/E 多次创建截面实现管线的空间弯曲建模。以圆盘锯把手建模为例，首先观察圆盘锯把手实体，可知需构建两个平面，故运用Pro/E 顺次构建平面并运用扫描特征绘制圆盘锯把手三维模型。如图5。

图5 圆盘锯把手建模过程图

3.4 变径类零件建模问题、方法及应用

在工器具建模过程中，会出现一些并不是一直统一直径的零件结构，对于一些较为简单的变径问题直接采用相应的特征建模功能即可达到目标，而某一些复杂的变径类零件就会出现无法创建零件模型或是创建的零件模型出现图形扭曲的情况发生。遇到此类问题，可首先观察圆盘锯握把实体构造，确定建模方法，构建三维模型，较为简单的变径直接采用Pro/E 混合扫描特征功能即可实现，较为复杂的复合变径工器具零件则可根据变径工器具零件的具体情况，分阶段对零件进行建模操作。以圆盘锯握把建模为例，应观察圆盘锯握把实体构造，根据构造将圆盘锯握把分成三部分展开建模，并在第一段和第三段采取Pro/E 普通的扫描特征功能绘制模型，第二段采用混合扫描绘制变径模型，完成握把建模，如图6。

图6 圆盘锯握把建模过程图

3.5 具有重复结构的零件建模问题、方法及应用

重复结构，不仅仅是在工器具中经常遇见，在平常的其他实体建模也会比较多出现。在此类零件建模时常会出现直接一次性在零件上进行建模，漏掉零件特征或效率低下的问题。遇到此类问题，可分析零件特征，选择建模方法。如果零件仅仅只有三四个重复零件特征，利用拉伸等功能可快速完成；如果零件重复的零件特征居多，可根据相应的情况运用拉伸、阵列、镜像等功能相结合来构建零件特征。以圆盘锯圆盘建模为例，应分析圆盘锯圆盘实体特征，确定建模方法，完成模型绘制。由于圆盘并不是简单的对称类零件，其零件特征重复已超过五个以上且特征完全相同，因此此时应考虑先用拉伸构建其中一个重复特征，而后以此特征作为模型基础，对模型进行阵列特征建模，完成圆盘锯齿部分特征构建。但在此之前，需首先通过拉伸功能构建圆盘的基础模型，否则后续重复特征将无法构建。如图7。

图7 圆盘锯圆盘建模过程图

4 探究结果

本文首先根据提出的工器具建模思路及方法，运用Pro/E的参数化建模功能对圆盘锯开展建模，探究出工器具建模可用的三步拆分建模思路，将复杂的工器具结构拆分为有限个零件进行建模，并最后根据拆分思路重组零件模型形成最终工器具三维模型，相比于整体建模法，提高了建模效率，降低了工器具建模的难度。其次，将工器具中的复杂结构外壳、多层次组合零件、弯管类零件、变径类零件、具有重复结构的零件等五种情况的零件建模进行问题分析，针对于不同特殊零件特征具体问题具体分析，指出相应的疑难点，随后提出再次拆分叠加建模、多次创建截面建模、分阶段零件建模等方法，并通过对圆盘锯保护壳、气动装置结构、把手、握把和圆盘等相对应特征的特殊结构零件建模，证明解决方法的可适用性和正确性，可用于解决建模人员在工器具建模过程中的相关建模难题。

5 结论

综上，通过提出Pro/E 构建核设施退役工器具三维模型的方法及思路，并将其应用于圆盘锯建模，验证了方法和思路的适用性，同时提炼出工器具特殊零件常遇建模问题和解决方法，用圆盘锯部分零件建模进行示范举例，对开展同类型工器具三维建模具有一定指导意义，为后续开展虚拟仿真研究提供了技术支撑。本次探究出的技术经验方法仅仅是基于核设施退役工器具类的建模，而退役中还需对厂房、管路展开建模，才能在后续运用虚拟仿真中的其他技术，模拟出退役真实场景，规划正确的退役路线。这说明在下一步还需要继续开展其他类型的建模技术探究，拓展建模思路和方法，才能更为娴熟将三维建模应用于退役虚拟仿真中，顺利进入虚拟仿真的下一环节，使三维建模更好发挥效用。