柔性機(jī)械模塊力學(xué)分析自動化程序開發(fā)及應(yīng)用

余權(quán)舟，范正偉，丁凱

（上海核工程研究設(shè)計院有限公司，上海200233）

0 引言

模塊化設(shè)計是AP 系列核電站為縮短電站建設(shè)周期而提供的一種新的設(shè)計與建造技術(shù)，模塊化大幅度地提高了核電廠建造的平行施工能力和工作效率，模塊化設(shè)計和模塊化施工的實施，將達(dá)到縮短施工工期的目的。模塊化技術(shù)是在設(shè)計中根據(jù)整個電站的總體布置特點將電站的某一個部分劃分為一個模塊單元，經(jīng)設(shè)計和力學(xué)分析最終確定的模塊，直接在工廠里進(jìn)行預(yù)制、組裝，最后在核電站施工現(xiàn)場實行定位、安裝。核電站里模塊主要分為結(jié)構(gòu)模塊和機(jī)械模塊，本文主要針對機(jī)械模塊開展研究。

機(jī)械模塊中，根據(jù)其對樓面響應(yīng)譜的影響大小，分為剛性模塊和柔性模塊。剛性模塊對樓面響應(yīng)譜的影響可忽略，管道計算中無需考慮模塊鋼結(jié)構(gòu)的耦合作用；而柔性模塊會放大樓面響應(yīng)譜，管道力學(xué)分析中必須把模塊模塊鋼結(jié)構(gòu)耦合進(jìn)來，如圖1 所示。模塊是否為柔性，是以其基頻大小來定義的，若基頻小于33Hz，則模塊被定義為柔性模塊，反之，則為剛性模塊。

模塊鋼結(jié)構(gòu)力學(xué)分析包括計算和分析評定兩部分內(nèi)容，力學(xué)分析的目的是驗證其在相應(yīng)載荷作用下是否滿足對應(yīng)的設(shè)計準(zhǔn)則規(guī)范要求。對于剛性模塊的力學(xué)分析，通常借助通用有限元分析軟件GTStrudl 直接建模即可完成，為考慮管道載荷對模塊鋼結(jié)構(gòu)的影響，分析時，只需在管道支撐位置處施加對應(yīng)的載荷即可；對于柔性模塊，因耦合計算要求，其鋼結(jié)構(gòu)力學(xué)計算是在管道力學(xué)分析（如借助管道計算專業(yè)軟件PipeStress）中完成的，其鋼結(jié)構(gòu)分析評定需根據(jù)力學(xué)計算結(jié)果（耦合計算輸出的載荷表現(xiàn)為“單元力”形式）對每個型鋼單元單獨進(jìn)行建模計算、分析及評定，載荷取單元兩端的端部力。

一個標(biāo)準(zhǔn)的AP 系列核電站包含數(shù)個柔性模塊，每個模塊包含數(shù)百根完整的鋼結(jié)構(gòu)梁，耦合力學(xué)分析時，鋼結(jié)構(gòu)梁又被劃分為若干個獨立的力學(xué)分析模型單元，如此一來，模塊鋼結(jié)構(gòu)力學(xué)分析往往涉及成百上千個獨立型鋼單元的評定。例如，支撐自動卸壓系統(tǒng)（ADS）的柔性機(jī)械模塊Q601，其鋼結(jié)構(gòu)分析評定涉及936 個型鋼單元。同時，柔性模塊耦合計算的特性提高了模塊力學(xué)分析設(shè)計迭代的次數(shù)，工程實踐中，一個柔性模塊的力學(xué)分析涉及的迭代次數(shù)至少為5 次。傳統(tǒng)手動的評定方式，費事耗力，效率低下，且容易引入人為錯誤，無法充分保障模塊力學(xué)分析評定質(zhì)量和時間進(jìn)度需求。因此有必要實現(xiàn)柔性模塊鋼結(jié)構(gòu)力學(xué)分析的自動化。

本文在充分研究總結(jié)柔性機(jī)械模塊鋼結(jié)構(gòu)傳統(tǒng)手動力學(xué)分析流程、計算方法、數(shù)據(jù)庫處理、規(guī)范ASME NF 及AISC 等基礎(chǔ)上，借助Excel 平臺、VB 編程語言，采用功能模塊化設(shè)計思想及函數(shù)調(diào)用機(jī)制，開發(fā)了力學(xué)分析自動化工具，實現(xiàn)了柔性機(jī)械模塊鋼結(jié)構(gòu)力學(xué)分析評定及報告編制等工程任務(wù)的自動化，所開發(fā)的程序已成功運用到AP 系列柔性機(jī)械模塊力學(xué)分析評定的工程實踐中。

圖1 柔性機(jī)械模塊鋼結(jié)構(gòu)及管道耦合計算示例

1 程序簡介

1.1 開發(fā)思想

柔性機(jī)械模塊力學(xué)分析自動化程序的開發(fā)思想，主要包含以下四個方面：

（1）在Win7 系統(tǒng)下，以工程上最常用的VB 為編程語言，Excel 為后臺數(shù)據(jù)庫；

（2）程序開發(fā)中，為了便于程序自身的管理及維護(hù)，確保各個功能塊相對獨立，采用功能模塊化設(shè)計思想；

（3）在分析評定功能模塊開發(fā)中，為了便于后續(xù)將其靈活運用于其他項目或場景中，將其包裝成函數(shù)形式，分析評定中采用函數(shù)調(diào)用機(jī)制；

（4）將柔性模塊力學(xué)分析的關(guān)注點集中在設(shè)計輸入上，在盡量少的人為干預(yù)下，即可一鍵式完成模塊鋼結(jié)構(gòu)的力學(xué)分析及報告編制。

1.2 程序功能

根據(jù)模塊力學(xué)分析評定準(zhǔn)則要求，結(jié)合工程項目需求，柔性機(jī)械模塊力學(xué)分析自動化程序的主要功能包括以下幾個方面：

（1）根據(jù)管道力學(xué)分析結(jié)果輸出的.fre、.ppo 文件，自動完成文件數(shù)據(jù)解析；

（2）根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)基本信息及連接關(guān)系，自動完成鋼結(jié)構(gòu)分析評定，包括：

SNXT指令只執(zhí)行一次輸入的上升沿（OFF→ON）。SNXT在STEP指令之前配置，對之前的工序編號（繼電器）進(jìn)行ON→OFF，對指定的工序編號S進(jìn)行OFF→ON，來控制工序的步進(jìn)。

①標(biāo)準(zhǔn)件評定

②型鋼評定

③焊縫評定

④局部應(yīng)力評定

⑤鋼板評定

（3）根據(jù)評定結(jié)果，一鍵式自動完成報告編制。

1.3 程序流程圖

根據(jù)功能模塊化設(shè)計思想、函數(shù)調(diào)用機(jī)制及功能需求，柔性模塊鋼結(jié)構(gòu)力學(xué)分析評定程序主要分為3大功能模塊，即前處理功能模塊、分析評定功能模塊、后處理功能模塊。6 個子功能模塊，即鋼結(jié)構(gòu)信息處理功能模塊、載荷PPO 信息處理功能模塊、數(shù)據(jù)庫功能模塊、分析評定功能模塊、結(jié)果匯總功能模塊及報告編制功能模塊。其中前處理功能模塊包含鋼結(jié)構(gòu)信息處理、載荷PPO 信息、數(shù)據(jù)庫3 個子功能模塊，分后處理功能模塊包括結(jié)果匯總及報告編制2 個子功能模塊。各功能模塊相互之間的銜接關(guān)系如圖2 所示。

圖2 柔性機(jī)械模塊力學(xué)分析自動化程序流程圖

1.4 功能模塊說明

（1）前處理功能模塊

鋼結(jié)構(gòu)信息處理功能模塊用于解析錄入待分析鋼結(jié)構(gòu)的基本信息。主要包括：用于生成MemID 的單元號、起點、終點、型鋼號、單元所處型鋼長度、單元材料、溫度、單元局部坐標(biāo)與總體坐標(biāo)的關(guān)系以及單元連接信息等。

載荷PPO 信息處理功能模塊用于將文本形式的.ppo 結(jié)果文件讀入到Excel 表格中，并根據(jù)模塊設(shè)計規(guī)范書規(guī)定的要求進(jìn)行相應(yīng)的載荷組合，且根據(jù)全局坐標(biāo)系與局部坐標(biāo)系的對應(yīng)關(guān)系將載荷方向轉(zhuǎn)到型鋼單元的局部坐標(biāo)系上，以便后續(xù)的調(diào)用。

數(shù)據(jù)庫功能模塊存儲著標(biāo)準(zhǔn)件、型鋼及材料基本信息，以供后續(xù)調(diào)用。例如，型鋼數(shù)據(jù)庫可根據(jù)型鋼截面尺寸自動生成相關(guān)的型鋼截面特性參數(shù)，如抗彎截面系數(shù)、抗扭截面系數(shù)、回轉(zhuǎn)半徑等。運行時，程序自動搜索錄入的框架信息模塊所涉及的型鋼類型，根據(jù)編制好的公式自動完成抗彎截面系數(shù)、抗扭截面系數(shù)等截面特性參數(shù)的計算，并將結(jié)果以數(shù)據(jù)卡的形式羅列于表格中，形成一個總的型鋼數(shù)據(jù)庫。

（2）分析評定功能模塊

分析評定功能模塊主要用于完成鋼結(jié)構(gòu)的分析評定，包括標(biāo)準(zhǔn)件、型鋼、焊縫、局部應(yīng)力、鋼板。分析前，根據(jù)機(jī)械模塊設(shè)計規(guī)范書規(guī)定將相關(guān)評定規(guī)范準(zhǔn)則編寫成函數(shù)形式，實際運行時，根據(jù)評定需要，通過函數(shù)調(diào)用完成對應(yīng)的分析評定。以型鋼評定為例，其運行原理如下：

①框架信息讀取。程序自動從鋼結(jié)構(gòu)信息處理功能模塊處理后的數(shù)據(jù)中讀出待評定單元的MemID、型鋼類型、材料類型等；

②型鋼數(shù)據(jù)庫調(diào)用。通過MemID，根據(jù)型鋼類型自動搜索并調(diào)用型鋼數(shù)據(jù)庫的相關(guān)截面特性參數(shù)；

③材料數(shù)據(jù)庫調(diào)用。通過MemID，根據(jù)材料類型自動搜索并調(diào)用材料數(shù)據(jù)庫的相關(guān)材料屬性；

④各工況下的型鋼單元評定。

（3）后處理功能模塊

后處理功能模塊主要用于完成鋼結(jié)構(gòu)分析評定的數(shù)據(jù)匯總及報告編制。

2 程序驗證

程序的常規(guī)驗證方法，概括起來，主要有三種，即：

（1）實驗驗證，即通過實驗與程序計算結(jié)果來比較；

（2）程序輔助驗證，即通過其他已被證明成熟可用的程序來間接輔助驗證；

（3）手動計算輔助驗證，即通過程序編制的理論與純手動評定方式來進(jìn)行驗證。

本文采用了程序輔助驗證與手動計算輔助驗證相結(jié)合的方式。通過設(shè)定考題，分別對型鋼單元評定、標(biāo)準(zhǔn)件評定、焊縫評定、局部應(yīng)力評定及鋼板評定進(jìn)行了驗證。驗證結(jié)果表明本文自動化程序與程序輔助驗證及手動計算輔助驗證的結(jié)果一致，從而驗證了程序的正確性。

3 結(jié)語

本文在充分研究總結(jié)柔性機(jī)械模塊鋼結(jié)構(gòu)傳統(tǒng)手動力學(xué)分析流程、計算方法、數(shù)據(jù)庫處理、規(guī)范ASME NF 及AISC 等基礎(chǔ)上，借助Excel 平臺、VB 編程語言，采用功能模塊化設(shè)計思想及函數(shù)調(diào)用機(jī)制，開發(fā)了柔性機(jī)械模塊力學(xué)分析自動化工具，實現(xiàn)了柔性機(jī)械模塊鋼結(jié)構(gòu)力學(xué)分析評定及報告編制等工程任務(wù)的自動化，所開發(fā)的程序已成功運用到AP 系列柔性機(jī)械模塊力學(xué)分析評定工程實踐中。

本自動化程序的開發(fā)與運用減輕了工程設(shè)計人員工作強度，提高了力學(xué)分析的準(zhǔn)確度，使得效率得到了顯著的提升，節(jié)約了人力成本。程序的運用使得單個柔性模塊鋼結(jié)構(gòu)的力學(xué)分析，從原傳統(tǒng)純手動的3.5人·月縮減為1.2 人·月。完成一個AP 系列核電站所有柔性模塊鋼結(jié)構(gòu)力學(xué)分析可節(jié)省近6000 人工時，若考慮設(shè)計優(yōu)化，本程序可為一個AP 系列核電站帶來上百萬的經(jīng)濟(jì)效益。

程序開發(fā)中，功能模塊化設(shè)計思想及函數(shù)調(diào)用機(jī)制的考慮等，通過適當(dāng)調(diào)整，使其可靈活運用于其他核電項目、場景或科研中，擴(kuò)展了程序的適用范圍。