Excel VBA 在核電設計中的應用研究與實現

陳坤，王魯明

（上海核工程研究設計院，上海200233）

0 引言

每個核電站中都有大量的管道支吊架需要開展詳細評定，盡管通過管道支吊架標準手冊，可以完成標準支吊架的選型，但還存在大量的非標支撐需要力學評定計算。非標支撐的計算比較繁瑣，主要過程分為三個部分，首先是對設計條件整理；其次是非標支撐的有限元建模分析；最后，由于主流分析軟件不支持，非標準焊縫、沖剪應力、工字鋼局部應力評定等內容需手工操作，這部分內容也占用時間較多。另外，核電設計因其特殊性對細節要求嚴格，經常發生優化設計和設計變更，管道支撐需迭代計算。對于管道支撐結構，逐個手工評定的計算方式耗費了設計人員大量的時間和精力，不利于工作開展。針對上述的情況，本文采用VBA 語言借助Excel 平臺直接讀取和調用有限元內力計算結果，并將評定規范要求集成到不同的功能組件中，設計人員只要選用相應的評定組件，可迅速完成支撐局部應力的評估，并且能夠快速復算，有效提供工作效率。

1 實現方法和用途

管道支撐局部應力分析評定主要包括非標準焊縫，沖剪應力，板應力和工字鋼局部應力等評定內容。

具體流程見圖1。

圖1 管道支撐評定流程

在Excel VBA 程序編制過程中，采用了模塊化概念，將局部應力評定分為7 個獨立模塊，見圖2。

圖2 VBA程序功能

利用該程序進行支撐局部應力評定時，首先，程序讀取支撐有限元計算的內力，然后，進入相應評定模塊，填寫輸入數據，運行后VBA 宏程序自動查找和提取單元力，調用自身已集成的規范公式計算并得到結果。以焊縫評定為例，見圖3。

圖3 焊縫評定輸入和輸出

對有限元軟件不適用的焊縫分析，通過運行VBA宏程序可迅速得到計算結果。對于不滿足規范要求的焊縫，能給出使用者高亮提示。同樣，在其他的功能模塊中填寫只需要評定的內容，并運行相應VBA 宏程序即可完成評定。

2 程序功能和驗證對比

VBA 宏程序首先提取支撐的最大位移和單位力作用下的位移，用以評定支撐剛度和位移。如果滿足要求，使用人員可以進一步選擇不同評定模塊，指定評定對象，填入所需的節點和單元等信息，運行VBA 程序進行支撐評定。

2.1 焊縫和方形鋼管沖剪評定

焊縫評定的過程常伴隨沖剪評定，且兩者所需參數有重疊，因此將沖剪和焊縫評定進行部分合并，保留焊縫評定的獨立性的同時，減少輸入的工作量。

在焊縫、沖剪評定過程中，需填寫焊縫的類型，長度，形狀以及所在單元方向等信息。焊縫評定和沖剪評定界面見圖4。

圖4 焊縫和沖剪評定界面

信息填寫完整后，點擊“開始”按鈕，待程序完成評定會給出相應的提示界面。如果要對參數進行調整，也可通過點擊“重置”按鈕將結果清空，調整完成后重新進行評定。

圖5 評定提示

程序評定完成后會自動生成結果表格，給出計算結果和必要的附加信息提示。同時，高亮顯示異常的評價結果。見圖6。根據計算結果，支撐計算人員可優化設計，重新運行評定程序即可快速得到新的評定結果。

圖6 評定結果

2.2 鋼板評定

VBA 程序實現了型鋼與型鋼之間，管夾和型鋼之間的鋼板評定。鋼板評定界面見圖7。

圖7 鋼板評定界面

VBA 程序給出鋼板評定結果，并可羅列詳細評定過程。計算結果和評定過程可以指導設計人員進行修改。

2.3 管夾或管道對方形鋼管的作用評定

管道或管夾直接作用在方形鋼管上，應根據規范要求評價對方形鋼管的局部應力作用。經過VBA 程序分析后，可獲取管道或管夾對方形鋼管局部應力的評定結果。

2.4 工字鋼局部應力評定

如果管道支撐包含工字鋼構件，根據工字鋼的連接形式、抗震等級等信息，應對工字鋼局部應力進行分析，該項評定工作也可以通過VBA 程序快速實現。

圖8 管夾或管道局部應力影響評定界面

圖9 評定結果

圖10 工字鋼局部應力的評定界面

在使用人員錄入輸入信息后，點擊“開始”按鈕，程序自動查找單元節點，并提取單元力，再完成調用輸入信息，規范等評定工字鋼局部應力。評定結果顯示的是局部應力的最大比值，見圖11。

圖11 評定結果

2.5 評定結果匯總

完成所有評定后，VBA 程序能給出所有計算結果的匯總，方便設計人員之后的報告編制及校核工作。

圖12 評定結果匯總

在圖12 羅列的各項結果是最大局部應力與許用值之比，VBA 程序能夠收集匯總型鋼應力比值，標準焊縫和非標焊縫的應力比值，以及危險截面的位置，矩形鋼管沖剪和鋼板應力比值等。

2.6 評定結果的驗證

計算機程序的驗證主要采用三種方式：利用手工計算來驗證；利用實驗結果驗證；利用商業軟件來驗證。本文采用手工計算驗證的方式。將Excel VBA 程序的支撐評定結果與手工評定結果進行對比，對比結果見表1。

表1 程序計算結果與手工計算結果的對比

通過對比可以發現，在輸入條件相同的條件下，手工計算結果和VBA 程序計算結果是一致的，驗證了VBA 程序局部應力評定的可行性和正確性。

3 結語

由于并無成熟商業軟件適用于核電廠管道支撐局部應力的評定，本文利用Excel VBA 程序實現了管道支撐局部應力自動評定的功能，有以下特點：首先，能夠對支撐進行快速評定，給出計算結果；其次，對于輸入變更，重新運行評定程序，即可快速完成評定；最后，工程設計過程中，設計優化應該放在重要環節，支撐的VBA 評定程序能節省大量精力，減輕編校審人員工作量，為優化設計的提供便利。同時，借助Excel 平臺，易操作，方便設計人員進行編輯、注釋，以及結構優化后的復算。

利用VBA 程序的提取結構構件內力和支反力，將為后續特殊評定提供便利。另外，VBA 程序的各個功能模塊相互獨立，方便之后進一步拓展功能。