CAD/CAE集成在支架分析中的研究及應用

肖超平，陳耀輝，沈 樂

（中廣核工程有限公司 核島系統所力學室，上海 200030）

CAD/CAE集成在支架分析中的研究及應用

肖超平，陳耀輝，沈 樂

（中廣核工程有限公司 核島系統所力學室，上海 200030）

針對傳統CAD/CAE集成方法的不足，在深入研究電纜橋架支架的PDMS三維模型的數據結構和RSTAB軟件接口特點的基礎上，利用PML和VBA開發出了集成工具，能快速將PDMS三維模型轉化為RSTAB軟件能自動識別的有限元模型，不僅實現了兩種軟件的無縫連接，為探索新的CAD/CAE集成方法作出了成功的嘗試，而且首次應用于核電項目的工程設計中，提高了核級電纜橋架支架的有限元分析效率，取得了顯著的經濟效益。

CAD/CAE集成；核級電纜橋架支架；PDMS；RSTAB

0 引言

在核電產品設計的過程中，對重要的零部件需要進行有限元分析以驗證其機械性能和安全性能。為了避免在CAE軟件中重新建模，傳統的做法通常是將CAD模型直接導入到CAE軟件中。但由于CAD和CAE軟件在拓撲標識和幾何元素定義方面并不完全一致，在不同系統之間轉換模型時會出現拓撲關系逼近和幾何元素重構[1]。這樣往往會產生模型信息的丟失和冗余，需要在具有強大有限元前處理功能的軟件中修復模型。即便如此，CAD模型仍不能直接用于有限元分析，還必須事先進行幾何特征的簡化、網格的劃分、材料和截面屬性的定義、約束和載荷的施加等一系列的前處理。對于接口兼容性差的軟件，則只能重新手動建模，CAD/CAE集成更是無從談起。此外，一旦發生設計變更，CAD模型的一點微小變動都可能會導致有限元分析的前處理工作重新進行。因此，如何快速、準確、高質量地進行自動化有限元建模一直是CAD/CAE集成的研究熱點[2]。

1 CAD/CAE集成新方法研究

傳統的CAD/CAE集成方法不僅要求CAD/CAE軟件的數據交換接口高度兼容，而且還需要耗費大量的精力進行模型修復和一系列的前處理工作。對于結構非常復雜的CAD模型，該方法仍具有較高的應用價值。但是對于結構相對簡單的CAD模型，例如核級管道、支架等，這種集成方法則過于復雜，其前處理的工作量不亞于重新建模。

與CAD模型相比，在有限元分析中采用的是經過簡化特征、刪除細節、降維表達后的抽象化和離散化的有限元模型，它需要的只是網格數據，如節點和單元信息，即便是載荷和位移約束最終也必須都反映到節點和單元上來[3]。本文針對傳統CAD/CAE集成方法的不足，提出了一種新的CAD/CAE集成方法，即對CAD和CAE軟件進行二次開發，將CAD模型數字化，再將數字化模型直接轉換為能用于有限元分析的網格數據，不僅解決了傳統CAD/CAE集成方法中軟件接口兼容性的問題，而且省去了有限元模型修復和前處理環節。

關于新的CAD/CAE集成方法，核電行業進行了相關研究，并且取得了一定的成果。法國核電巨頭AREVA公司在PDMS和ANSYS軟件的基礎上二次開發了管道力學分析軟件APA，已應用于EPR三代核電站的核級管道力學分析。ADEXFLOW INTERNATIONAL公司為PIPESTRESS和PDMS軟件開發了集成軟件DUAL-P，可以直接將PDMS三維管道模型導入到PIPESTRESS中，生成有限元模型，并能夠對計算結果進行后處理，輸出計算報告，已廣泛應用于歐美發達國家的核電工程中。上述軟件均是針對核級管道分析開發的CAD/CAE集成軟件，但是目前市場上缺少與核級支架分析相關的集成軟件。

2 CAD/CAE集成在核級支架分析中應用的必要性

在核電廠中，大量的核級支架分布于各個廠房中。在進行核電工程設計時必須對這些支架進行抗震分析，以確保其在運行基準地震（OBE）和安全停堆地震（SSE）的作用下仍有足夠的強度、剛度和穩定性。

在某核電項目的工程設計中，PDMS和RSTAB軟件分別被指定用于核級電纜橋架支架的設計和抗震分析。由于PDMS和RSTAB軟件的接口兼容性差，所以在利用RSTAB軟件對電纜橋架支架進行抗震分析時，需要從PDMS三維模型中查看相關信息，在軟件中手動建立有限元模型。但是重新建模工作量大，耗時長，導致分析人員難以及時驗證電纜橋架支架設計及其變更的合理性，嚴重影響了電纜橋架支架的設計進度。此外，電纜橋架支架的CAD模型和CAE模型分別由不同專業建立，無法確保在整個設計周期中模型信息傳遞的準確性。因此，開發一款集成工具用于PDMS和RSTAB軟件模型數據的交換，實現從CAD軟件到CAE軟件的無縫連接，勢在必行。

3 CAD/CAE集成新方法應用實例

本文以核級電纜橋架支架為研究對象，利用新集成方法開發出了支架的CAD/CAE集成工具，并成功應用于某核電項目的工程設計中。

3.1 研究對象介紹

核級電纜橋架支架固定在核電廠建筑物的預埋板、錨固板或鋼結構上，用于支撐托盤、梯架和電纜（如圖1所示）。它屬于抗震I類設備[4]，所以除了能承受托盤、梯架相應規格、層數的額定均布荷載及其自重[5]外，還必須具有良好的抗震性能。因此，對電纜橋架支架進行抗震分析是驗證電纜橋架支架設計合理性必不可少的手段。

3.2 開發語言的選擇

RSTAB是一款三維框架結構分析的軟件，用于計算結構件的應力、變形、穩定性和支承反力。RSTAB軟件提供了多種數據格式的導入接口（如圖2所示），但是接口選擇取決于它與PDMS軟件的兼容性。

圖2 RSTAB軟件的導入接口

PDMS是一款對外輸出接口很少的三維設計軟件，目前僅支持輸出RVM格式和批處理文件，均與RSTAB軟件的導入接口不兼容。但是它擁有開放的開發環境，利用內置的開發語言PML（Programmable Macro Language）可以方便地在PDMS中進行二次開發（如圖3所示），將PDMS三維模型轉化為Excel數據格式的數字化模型（如圖4所示）。

圖3 電纜橋架支架的PDMS模型信息提取工具

綜上所述，本文選擇Excel作為接口進行PDMS和RSTAB軟件集成工具的開發。另外，Excel VBA（Visual Basic for Applications）具有強大的運算與分析能力[6]，也為兩種軟件的無縫集成提供了便利。

3.3 CAD/CAE集成工具的開發

首先，利用PML在PDMS中將電纜橋架支架的模型信息轉化為數字化模型，其中包含了電纜橋架支架的各種屬性如支架類型和尺寸、托盤和梯架信息、電纜及其防火材料信息、與支架相連的預埋板或錨固板信息等。

其次，利用VBA對這些數據進行綜合分析后分別生成有限元模型的節點坐標、材料和截面屬性、單元信息、約束、載荷等（如圖5所示）。

圖4 電纜橋架支架數字化模型的部分數據

圖5 VBA生成的部分有限元模型信息

3.4 有限元模型的導入與驗證

利用開發的集成工具快速生成電纜橋架支架有限元模型的各種信息，再用RSTAB軟件提供的Excel接口導入相關模型信息（如圖6所示），最后重構電纜橋架支架的有限元模型。

圖6 有限元模型導入界面

通過對導入的有限元模型（如圖7所示）進行詳細檢查，發現該模型的精度完全滿足電纜橋架支架的計算要求。

圖7 含Z向集中靜載的電纜橋架支架有限元模型

4 結束語

由于核電項目中的核級電纜橋架支架數量眾多，傳統的支架分析方法不僅在設計質量上存在隱患，而且在工程進度上也難以滿足項目的要求。在深入研究電纜橋架支架的PDMS三維模型的數據結構和RSTAB軟件接口特點的基礎上，利用PML和VBA開發出了將支架的PDMS三維模型快速轉化為數字化有限元模型，從而進一步轉化為RSTAB軟件能自動識別的有限元模型的集成工具,將每個支架的有限元模型前處理時間由平均50分鐘縮短至1秒以內。

該集成工具不僅填補了PDMS和RSTAB集成軟件的空白，實現了二者的無縫連接，為探索新的CAD/CAE集成方法作出了成功的嘗試，而且首次應用于核電項目的工程設計中，減少了模型信息在跨專業傳遞過程中的錯誤，提高了支架的力學分析效率和設計質量，加快了支架“設計-驗證-再設計”的迭代過程。在保障該核電項目電纜橋架支架設計工作順利進行的同時，節省了大量的人力，取得了顯著的經濟效益。

[1] 黨松,莫蓉,常智勇,等.CAD/CAE集成中的幾何模型轉換方法研究[J].現代制造工程,2007,(12):48.

[2] 張培培,陶華,顧小鋒.CAD/CAE集成中參數化有限元建模的研究[J].現代制造工程,2006,(9):62.

[3] 謝世坤,黃菊花,楊國泰.CAD/CAE集成中的有限元模型轉換之研究[J].中國機械工程,2005,16(5):429.

[4] 楊德生,孫柏濤,胡少卿.核電站用鋼制梯架式電纜橋架抗震性能研究[J].世界地震工程,2008,24(2):55.

[5] 中國工程建設標準化協會.鋼制電纜橋架工程設計規范CECS31:2006[M].北京:中國計劃出版社.

[6] 羅剛君,章蘭新,黃朝陽.Excel 2010 VBA編程與實踐[M].北京:電子工業出版社,2010.

Research and application of CAD/CAE integration in support analysis

XIAO Chao-ping, CHEN Yao-hui, SHEN Le

TH128；TP391

：A

1009-0134(2017)01-0044-03

2016-11-06

肖超平（1981 -），男，湖北人，工程師，碩士研究生，研究方向為反應堆結構力學。