柔性机械模块力学分析自动化程序开发及应用

余权舟，范正伟，丁凯

（上海核工程研究设计院有限公司，上海200233）

0 引言

模块化设计是AP 系列核电站为缩短电站建设周期而提供的一种新的设计与建造技术，模块化大幅度地提高了核电厂建造的平行施工能力和工作效率，模块化设计和模块化施工的实施，将达到缩短施工工期的目的。模块化技术是在设计中根据整个电站的总体布置特点将电站的某一个部分划分为一个模块单元，经设计和力学分析最终确定的模块，直接在工厂里进行预制、组装，最后在核电站施工现场实行定位、安装。核电站里模块主要分为结构模块和机械模块，本文主要针对机械模块开展研究。

机械模块中，根据其对楼面响应谱的影响大小，分为刚性模块和柔性模块。刚性模块对楼面响应谱的影响可忽略，管道计算中无需考虑模块钢结构的耦合作用；而柔性模块会放大楼面响应谱，管道力学分析中必须把模块模块钢结构耦合进来，如图1 所示。模块是否为柔性，是以其基频大小来定义的，若基频小于33Hz，则模块被定义为柔性模块，反之，则为刚性模块。

模块钢结构力学分析包括计算和分析评定两部分内容，力学分析的目的是验证其在相应载荷作用下是否满足对应的设计准则规范要求。对于刚性模块的力学分析，通常借助通用有限元分析软件GTStrudl 直接建模即可完成，为考虑管道载荷对模块钢结构的影响，分析时，只需在管道支撑位置处施加对应的载荷即可；对于柔性模块，因耦合计算要求，其钢结构力学计算是在管道力学分析（如借助管道计算专业软件PipeStress）中完成的，其钢结构分析评定需根据力学计算结果（耦合计算输出的载荷表现为“单元力”形式）对每个型钢单元单独进行建模计算、分析及评定，载荷取单元两端的端部力。

一个标准的AP 系列核电站包含数个柔性模块，每个模块包含数百根完整的钢结构梁，耦合力学分析时，钢结构梁又被划分为若干个独立的力学分析模型单元，如此一来，模块钢结构力学分析往往涉及成百上千个独立型钢单元的评定。例如，支撑自动卸压系统（ADS）的柔性机械模块Q601，其钢结构分析评定涉及936 个型钢单元。同时，柔性模块耦合计算的特性提高了模块力学分析设计迭代的次数，工程实践中，一个柔性模块的力学分析涉及的迭代次数至少为5 次。传统手动的评定方式，费事耗力，效率低下，且容易引入人为错误，无法充分保障模块力学分析评定质量和时间进度需求。因此有必要实现柔性模块钢结构力学分析的自动化。

本文在充分研究总结柔性机械模块钢结构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、VB 编程语言，采用功能模块化设计思想及函数调用机制，开发了力学分析自动化工具，实现了柔性机械模块钢结构力学分析评定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AP 系列柔性机械模块力学分析评定的工程实践中。

图1 柔性机械模块钢结构及管道耦合计算示例

1 程序简介

1.1 开发思想

柔性机械模块力学分析自动化程序的开发思想，主要包含以下四个方面：

（1）在Win7 系统下，以工程上最常用的VB 为编程语言，Excel 为后台数据库；

（2）程序开发中，为了便于程序自身的管理及维护，确保各个功能块相对独立，采用功能模块化设计思想；

（3）在分析评定功能模块开发中，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；

（4）将柔性模块力学分析的关注点集中在设计输入上，在尽量少的人为干预下，即可一键式完成模块钢结构的力学分析及报告编制。

1.2 程序功能

根据模块力学分析评定准则要求，结合工程项目需求，柔性机械模块力学分析自动化程序的主要功能包括以下几个方面：

（1）根据管道力学分析结果输出的.fre、.ppo 文件，自动完成文件数据解析；

（2）根据钢结构基本信息及连接关系，自动完成钢结构分析评定，包括：

SNXT指令只执行一次输入的上升沿（OFF→ON）。SNXT在STEP指令之前配置，对之前的工序编号（继电器）进行ON→OFF，对指定的工序编号S进行OFF→ON，来控制工序的步进。

①标准件评定

②型钢评定

③焊缝评定

④局部应力评定

⑤钢板评定

（3）根据评定结果，一键式自动完成报告编制。

1.3 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，柔性模块钢结构力学分析评定程序主要分为3大功能模块，即前处理功能模块、分析评定功能模块、后处理功能模块。6 个子功能模块，即钢结构信息处理功能模块、载荷PPO 信息处理功能模块、数据库功能模块、分析评定功能模块、结果汇总功能模块及报告编制功能模块。其中前处理功能模块包含钢结构信息处理、载荷PPO 信息、数据库3 个子功能模块，分后处理功能模块包括结果汇总及报告编制2 个子功能模块。各功能模块相互之间的衔接关系如图2 所示。

图2 柔性机械模块力学分析自动化程序流程图

1.4 功能模块说明

（1）前处理功能模块

钢结构信息处理功能模块用于解析录入待分析钢结构的基本信息。主要包括：用于生成MemID 的单元号、起点、终点、型钢号、单元所处型钢长度、单元材料、温度、单元局部坐标与总体坐标的关系以及单元连接信息等。

载荷PPO 信息处理功能模块用于将文本形式的.ppo 结果文件读入到Excel 表格中，并根据模块设计规范书规定的要求进行相应的载荷组合，且根据全局坐标系与局部坐标系的对应关系将载荷方向转到型钢单元的局部坐标系上，以便后续的调用。

数据库功能模块存储着标准件、型钢及材料基本信息，以供后续调用。例如，型钢数据库可根据型钢截面尺寸自动生成相关的型钢截面特性参数，如抗弯截面系数、抗扭截面系数、回转半径等。运行时，程序自动搜索录入的框架信息模块所涉及的型钢类型，根据编制好的公式自动完成抗弯截面系数、抗扭截面系数等截面特性参数的计算，并将结果以数据卡的形式罗列于表格中，形成一个总的型钢数据库。

（2）分析评定功能模块

分析评定功能模块主要用于完成钢结构的分析评定，包括标准件、型钢、焊缝、局部应力、钢板。分析前，根据机械模块设计规范书规定将相关评定规范准则编写成函数形式，实际运行时，根据评定需要，通过函数调用完成对应的分析评定。以型钢评定为例，其运行原理如下：

①框架信息读取。程序自动从钢结构信息处理功能模块处理后的数据中读出待评定单元的MemID、型钢类型、材料类型等；

②型钢数据库调用。通过MemID，根据型钢类型自动搜索并调用型钢数据库的相关截面特性参数；

③材料数据库调用。通过MemID，根据材料类型自动搜索并调用材料数据库的相关材料属性；

④各工况下的型钢单元评定。

（3）后处理功能模块

后处理功能模块主要用于完成钢结构分析评定的数据汇总及报告编制。

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，即通过实验与程序计算结果来比较；

（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。验证结果表明本文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 结语

本文在充分研究总结柔性机械模块钢结构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、VB 编程语言，采用功能模块化设计思想及函数调用机制，开发了柔性机械模块力学分析自动化工具，实现了柔性机械模块钢结构力学分析评定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AP 系列柔性机械模块力学分析评定工程实践中。

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柔性模块钢结构的力学分析，从原传统纯手动的3.5人·月缩减为1.2 人·月。完成一个AP 系列核电站所有柔性模块钢结构力学分析可节省近6000 人工时，若考虑设计优化，本程序可为一个AP 系列核电站带来上百万的经济效益。

程序开发中，功能模块化设计思想及函数调用机制的考虑等，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。