核电站管道支架分工况支反力提取程序开发与应用

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　　摘要：在核电站设计中，厂房整体力学分析需考虑管道支架根部支反力的影响，该过程涉及专业接口数据的二次转换。传统手动转换工作方式过程繁琐、费时耗力且容易出错，难以满足工程迭代设计需求。本文在分析研究管道支架分工况支反力提取工作流程、程序接口等基础之上，运用VB编程语言，采用功能模块化设计思想，开发了自动化工具，实现了核电站管道支架分工况支反力提取工程任务的自动化。所开发的程序已运用到工程实践中。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，满足了核电站工程迭代设计需求。
　　关键词：管道支架;根部支反力;分工况;VB;自动化
　　中图分类号：TP273    文献标识码：A    文章编号：1007-9416（2020）04-0000-00
　　0 引言
　　 在目前国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，这就对传统基于手动的工作方式或流程提出了挑战。管道支架作为一种管道支承件，是核电厂各管道系统的重要组成部分，在核电站设计中，厂房整体力学分析需考虑管道支架根部支反力的影响。根据规范要求，厂房整体力学分析仅需考虑管道支架分工况形式的根部支反力即可，但管道支架力学分析时，其载荷是按照组合工况形式考虑的，组合工况下输出的根部支反力设计出的埋板、厂房总体等结构往往显得笨重，造成不必要的成本浪费。基于此，在满足设计要求条件下，出于成本、空间等考虑，有必要挖去保守裕量，在原管道支架力学分析基础上输出分工况载荷作用下的根部支反力。该过程涉及专业接口数据的二次转换。
　　 在工程实际中，核电厂管道支架力学计算通常借助GTStrudl等有限元分析软件来完成。其分工况根部支反力提取传统手动工作流程如图1所示。其工作内容主要分为四个部分[1]：
　　 （1）模型建立。即建立管道支架力学模型;（2）载荷加载。即根据管道力学分析输出结果及厂房整体力学分析需求，将解析的分工况载荷（15类）加载到力学模型中，生成管道支架力学分析模型;（3）力学计算。即借助GTStrudl等有限元分析软件完成管道支架力学计算;（4）结果提取。即根据力学计算结果输出，提取分工况形式的根部支反力。
　　 由于管道支架数量庞大，种类繁多（如拉杆、门型、Anchor等），分工况载荷涉及的种类多达15种，管道支架根部支反力提取传统手动工作方式，弊端明显。具体表现为：（1）过程繁琐，费时耗力：机械重复的载荷解析、载荷加载、结果提取等，往往涉及较大的工作量，不能充分满足核电站迭代设计需求;（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。
　　 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。利用VB编程语言，可便捷实现问题解决方案或场景的自动化。GTStrudl是面向土建、机械工程师的有限元通用软件。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，能可靠地应用于管道支架的力学分析设计。VB编程语言、GTStrudl有限元分析软件的结合，使得管道支架分工况支反力提取工程任务自动化的实现成为了可能[2]。
　　 基于传统手动工作方式的种种弊端，本文在分析研究管道支架分工况支反力提取工作流程、程序接口等基础之上，运用VB编程语言，采用功能模块化设计思想，开发了自动化工具，实现了核电站管道支架分工况支反力提取工程任务的自动化。所开发的程序已运用到工程实践中。
　　1 程序简介
　　1.1 开发思想
　　 核电站管道支架分工况根部支反力提取程序的开发思想，主要包括三个方面：（1）编程语言等。在Win7系统下，以工程上最常用的VB为编程语言;（2）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，确保各个功能块相对独立，采用功能模块化设计思想;（3）一键式操作。将管道支架分工况支反力提取的关注点集中在设计输入上，在尽量少的人为干预下，即可一键式完成管道支架分工况支反力的提取。
　　1.2 程序功能
　　 根据管道支架分工况支反力提取工作流程，结合工程实际需求，支架分工况支反力提取自动化程序的主要功能包括几个方面：
　　 （1）管道载荷解析。根据厂房整体力学分析需求，将管道载荷解析成对应的分工况形式（15种类型）;（2）建立管道支架力学模型。工程实际中，通常，支架分工况支反力提取前需对支吊架进行力学分析，以验证支架设计本身满足相关规范要求。用于单工况支反力提取的支架力学模型可以直接从管道支架力学分析模型中提取，该过程涉及文件数据解析;（3）载荷加载。将15类分工况载荷加载到管道支架力学模型中，生成用于提取分工况根部支反力的管道支架力学分析模型;（4）力学计算。调用GTStrudl，完成管道支架分工况力学分析模型的计算;（5）结果提取。根据力学计算结果及厂房整体力学分析需求，从计算结果提取管道支架分工况形式的根部支反力。
　　1.3 程序流程图
　　 根据管道支架分工况根部支反力提取工作流程所处的阶段，按功能模块化设计思想，核电站管道支架分工况支反力提取程序主要分为4大功能模块，即前处理功能模块、载荷加载功能模块、GT排队批处理功能模塊和后处理功能模块。其中：
　　 （1）前处理功能模块：主要用于管道载荷文件解析、管道支架力学计算GTI文件解析，以提取15类分工况载荷及生成管道支架力学模型;（2）载荷加载功能模块：根据管道支架类型（拉杆、门型、Anchor等）、支架形式（组合与否）、约束形式（单向、双向或三向）自动完成载荷加载，生成用于提取分工况根部支反力的管道支架力学分析模型;（3）GT排队批处理功能模块：通过GTStrudl程序调用，批量完成力学分析模型计算;（4）后处理功能模块：根据厂房整体力学分析需求，从计算结果提取分工况形式的根部支反力。 　　 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：（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，对管道支架分工况支反力提取进行了验证。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 总结
　　 本文在分析研究管道支架分工况支反力提取工作流程、程序接口等基础之上，运用VB编程语言，采用功能模块化设计思想，开发了自动化工具，实现了核电站管道支架分工况支反力提取工程任务的自动化。所开发的程序已运用到工程实践中，有效满足了核电站工程迭代设计需求及专业接口数据的一致性要求。
　　 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，使得单个管道支架分工况根部支反力提取，从原传统的0.5人/天缩短为5分钟，提高效率约50倍。若考虑优化设计及迭代设计，本程序可为一个标准的第三代核电站带来上百万的经济效益。分工况形式的考虑挖去了原设计中的保守裕量，一定程度上節约了核电站建造成本。
　　 程序开发中，功能模块化设计思想的考虑等，通过适当调整，该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].北京：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.
　　收稿日期：2020-03-02
　　作者简介：余权舟（1988—），男，重庆人，硕士，工程师，研究方向：核电站管系力学分析设计和研究。
　　Development and Application of Program for Extracting Reaction Force of Pipe Supports Under Different Working Condition in Nuclear Power Plant
　　YU Quan-zhou， QI Tao， ZHOU Ying， ZHOU Shao-chong
　　（Shanghai Nuclear Engineering Research & Design Institute CO.LTD， Shanghai 200233）
　　Abstract： In the design of Nuclear Power Plant， the influence of pipe support reaction force should be considered in the overall mechanical analysis of the power house， which involves the secondary conversion of professional interface data. The traditional manual conversion method is tedious， time-consuming and error prone， which is difficult to meet the requirements of engineering iterative design. Based on the analysis and study of the workflow and program interface of extracting the reaction force of the pipe supports under different working conditions， with the help of VB programming language， the idea of functional modular design， an automation tool is developed， which realizes the automation of the project task of extracting the reaction force of the pipe supports in different working conditions in Nuclear Power Plant. The developed program has been applied to engineering practice. The development and application of the program improve the working efficiency， improve the calculation accuracy， reduce the work intensity， save the labor cost， and meet the iterative design requirements of nuclear power plant.
　　Key words： pipe support;reaction force;single working condition;VB;automation

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