核电站支吊架力学分析自动化程序开发及应用

余权舟 周劭翀 祁涛 丁凯

摘  要：核电站管道支吊架数量庞大，种类繁多，传统的支吊架力学分析采用手动计算方式，该方式过程繁琐、费时耗力且容易出错，难以满足工程迭代设计要求及改造项目有限施工窗口期需求。文章在总结常规支吊架特点基础之上，通过支吊架模板化、参数化设计，运用VB编程语言、Access数据库，采用功能模块化设计思想及函数调用机制，开发了支吊架力学分析自动化工具，实现了支吊架力学分析及报告输出等工程任务的自动化。所开发的程序已运用到某核电站支吊架改造项目中。程序的开发及应用提升了工作效率，提高了计算准确度，减轻了工作强度，节约了人力成本，满足了工程迭代设计要求及改造项目有限施工窗口期需求。

关键词：支吊架;参数化;VB;自动化

中图分类号：TH122         文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2020）16-0176-03

Abstract： There are a large number of pipe supports and hangers in nuclear power plants， and the traditional mechanical analysis of supports and hangers adopts manual calculation method， which is tedious， time-consuming and error-prone. It is difficult to meet the requirements of iterative design of the project and the limited construction window period of the reconstruction project. On the basis of summarizing the characteristics of conventional supports and hangers， through the template and parametric design of supports and hangers， this paper uses VB programming language and Access database， adopts the idea of functional modular design and function transfer mechanism， and develops an automation tool for mechanical analysis of supports and hangers， which realizes the automation of engineering tasks such as mechanical analysis and report output of supports and hangers. The developed program has been applied to the reconstruction project of the support and hanger of a nuclear power plant. The development and application of the program improves the work efficiency， improves the calculation accuracy， reduces the work intensity， saves the labor cost， and meets the requirements of the iterative design of the project and the limited construction window period of the reconstruction project.

Keywords： support and hanger; parametric design; VB; automation

引言

在目前國内核电产业发展的大背景下，核电厂设计、采购、建造周期越来越短，对核电工程设计的快速迭代能力和面对工程变更的快速响应能力都提出了很高要求，施工方迫切希望能够在工程施工前拿到完整的、经过力学分析的设计图纸，这就对传统基于手动的工作方式或流程提出了挑战。

在核电站中，管道支吊架作为一种管道支承件，是核电厂中各个管道系统的重要组成部分。同时，由于其数量庞大，种类繁多，支吊架力学分析的工作量通常很大。管道支吊架力学分析包括力学计算和分析评定两部分工作内容。其中，力学计算指通过手动或计算机辅助形式计算支吊架在所受载荷作用下的应力计算值，分析评定指根据规范或设计准则要求计算支吊架的应力许可值，应力计算值不能超过应力许可值。

管道支吊架力学分析传统手动工作流程如图1所示。其工作内容主要分为五个部分，即：（1）模型建立：即手动建立管道支吊架力学模型。（2）载荷加载：根据管道力学分析输出结果及支吊架设计准则要求，将解析的工况载荷手动加载到力学模型中，生成支吊架力学分析模型。（3）力学计算：借助有限元分析软件等，完成管道支吊架力学计算。（4）分析评定：评定内容主要包括标准件、钢结构单元、焊缝、刚度及挠度等。（5）报告编制：汇总力学计算及分析评定结果，编制管道支吊架力学分析报告。

支吊架力学分析传统手动工作方式，弊端明显。具体表现为：（1）过程繁琐，费时耗力：机械重复的手动建模、分析评定及报告编制，往往涉及较大的工作量，不能充分满足核电站迭代设计及改造工程有限施工窗口期需求。（2）出错率高：过多的人为操作不可避免的引入人为错误和累积误差。（3）人力成本高：要满足核电站迭代设计及改造工程有限施工窗口期需求，意为着大量的人力投入。

Visual Basic 6.0是一款由微软公司开发的基于Windows环境的、事件驱动的、可视化编程工具，它拥有图形用户界面（GUI）和快速应用程序开发（RAD）系统，用户可以轻松地使用其提供的控件快速建立一个应用程序。利用VB编程语言，可对数据进行复杂的处理和分析，实现问题解决方案或场景的自动化。Access开发软件具有易学、易用、成本低等优点，它是开发小型管理软件的一个最佳选择。GTStrudl是面向土建、机械工程师的有限元通用软件。该软件通过严格执行ISO9000系列标准，经过2000多道例题考证的质量控制（QC）和质量保证（QA），使其成为了全球唯一历年来始终通过美国原子能管理委员会（U.S. Nuclear Regulatory Commission）认证的土木结构分析设计软件。该软件具有一般静力学分析、动力学分析和非线性分析等功能，包含了一系列国际设计规范，如N690、ASME NF等，能可靠地应用于管道支吊架的力学分析设计。VB编程语言、Access数据库及GTStrudl有限元分析软件的结合，使得管道支吊架力学分析及报告编制等工程任务自动化的实现成为了可能。

基于传统手动工作方式的种种弊端，本文在总结常规支吊架特点基础之上，通过支吊架模板化、参数化设计，运用VB编程语言、Access数据库，采用功能模块化设计思想及函数调用机制，开发了支吊架力学分析自动化工具，实现了支吊架力学分析及报告输出等工程任务的自动化。所开发的程序已运用到某核电站支吊架改造项目工程实践中。

1 程序简介

1.1 开发思想

核电站支吊架力学分析自动化程序的开发思想，主要包含以下五个方面：（1）支吊架参数化模板设计。将核电站常见的支吊架类型总结为参数化模板，形成支吊架模板数据库。（2）编程语言等。在Win7系统下，以工程上最常用的VB为编程语言，以Access及Excel为后台数据库。（3）功能模块化设计思想。程序开发中，为了便于程序自身的管理及维护，确保各个功能模块相对独立，采用功能模块化设计思想。（4）函数调用机制。在支吊架分析评定开发中，为了便于后续将其灵活运用于其他项目或场景中，将其包装成函数形式，分析评定中采用函数调用机制。（5）一键式操作。一键式高效完成支吊架力學分析及报告编制，在少量人为干预下，即可一键式完成管道支吊架的力学分析及报告编制。

1.2 支吊架参数化模板设计

作为本自动化程序的核心组成部分，支吊架参数化模板是支吊架建模及分析评定的重要设计输入，模板包含了支吊架建模所需基本信息，也明确了位置所在处是否需要进行局部应力、焊缝、钢板、标准件评定等。

在模板设计及相关代码编写时，本程序已充分考虑了其通用性和适用性，通过局部微调，即可灵活满足复杂多样的支吊架结构形式需求，数据库新增支吊架模板类型时，设计人员只需关注模板本身，将少量的设计输入相关数据信息写入指定区域即可。

模板代码解析时，通过如“约束”、“载荷点”、“焊缝”、“局部应力”、“钢板”、“标准件”等关键词搜索，自动完成支吊架的力学建模及相应的分析评定。

1.3 程序功能

根据支吊架力学分析评定准则要求，结合工程项目需求，支吊架力学分析自动化程序的主要功能包括以下几个方面：（1）管道PPO载荷解析。根据相关设计准则要求，将管道载荷解析成对应的组合工况形式。（2）支吊架力学分析模型生成。根据支吊架设计详图、支吊架模板及解析的载荷组合工况等，生成支吊架力学分析模型。（3）支吊架力学计算。通过程序GTStrudl调用，完成支吊架力学计算。（4）支吊架分析评定。根据力学计算结果，通过函数调用，完成支吊架分析评定，包括：a.刚度/挠度;b.标准件;c.型钢结构;d.连接处焊缝;e.连接处钢板;f.局部应力。（5）结果汇总及报告编制。根据支吊架力学计算及分析评定结果，自动完成相关报告的编制。

1.4 程序流程图

根据功能模块化设计思想、函数调用机制及功能需求，核电站支吊架力学分析自动化程序主要分为4大功能模块，即前处理功能模块、排队批处理功能模块、后处理功能模块及数据库功能模块。其中：（1）前处理功能模块：用于完成设计输入到支吊架力学分析模型的转换。（2）排队批处理功能模块：通过GTStrudl程序调用完成支吊架的力学计算。（3）后处理功能模块：用于支吊架力学分析评估及报告编制。（4）数据库功能模块：用于为其他各功能模块提供后台数据支持。

各功能模块之间的衔接关系如图2所示。

2 程序验证

程序的常规验证方法，概括起来，主要有三种，即：（1）实验验证，即通过实验数据与程序计算结果对比进行验证。（2）程序辅助验证，即通过其他已被证明成熟可用的程序来间接辅助验证。（3）手动计算辅助验证，即通过程序编制的理论与纯手动评定方式来进行验证。

本文采用了程序辅助验证与手动计算辅助验证相结合的方式。通过设定考题，分别对型钢单元评定、标准件评定、焊缝评定、局部应力评定及钢板评定进行了验证。验证结果表明本自动化程序与程序辅助验证及手动计算辅助验证的结果一致，从而验证了程序的正确性。

3 结束语

本文在充分研究核电站管道支吊架传统手动力学分析流程、计算方法、数据库处理、规范ASME NF及AISC等基础上，借助Excel平台、Access数据库、VB编程语言，采用功能模块化设计思想及函数调用机制，开发了支吊架力学分析自动化工具，实现了支吊架力学分析及报告编制等工程任务的自动化，所开发的程序已成功运用到某核电站支吊架改造项目工程实践中，有效满足了改造项目有限施工窗口期需求。

本自动化程序的开发与运用减轻了工程设计人员工作强度，提高了管道支架力学分析的准确度，使得效率得到了显著的提升，节约了人力成本。程序的运用使得单个支吊架的力学分析，从原传统手动的1天缩短为5分钟，提高效率约100倍，若考虑设计优化，本程序可为一个标准的第三代核电站带来几百万的经济效益。

程序开发中，功能模块化设计思想及函数调用机制等的考虑，通过适当调整，使其可灵活运用于其他核电项目、场景或科研中，扩展了程序的适用范围。

参考文献：

[1]高春燕，等.学通Visual Basic的24堂课[M].清华大学出版社，2011.

[2]明日科技.Visual Basic从入门到精通[M].北京：清华大学出版社，2012.

[3]何先军.Access VBA活用范例大辞典：全新版[M].中国铁道出版社，2014.

[4]美国机械工程师协会.ASME锅炉及压力容器规范[S].第III卷， 第1册NF分卷及附录F，2007版，2008年补遗.

[5]AISC.“Load and Resistance Factor Design Specification for steel Hollow Structural Sections”，November 10，2000.

[6]ANSI/AISC 360-05.“Specification for Structural Steel Buildings”.March 9， 2005.