CAD/CAE集成在支架分析中的研究及應(yīng)用

肖超平，陳耀輝，沈 樂

（中廣核工程有限公司 核島系統(tǒng)所力學(xué)室，上海 200030）

CAD/CAE集成在支架分析中的研究及應(yīng)用

肖超平，陳耀輝，沈 樂

（中廣核工程有限公司 核島系統(tǒng)所力學(xué)室，上海 200030）

針對傳統(tǒng)CAD/CAE集成方法的不足，在深入研究電纜橋架支架的PDMS三維模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和RSTAB軟件接口特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，利用PML和VBA開發(fā)出了集成工具，能快速將PDMS三維模型轉(zhuǎn)化為RSTAB軟件能自動識別的有限元模型，不僅實(shí)現(xiàn)了兩種軟件的無縫連接，為探索新的CAD/CAE集成方法作出了成功的嘗試，而且首次應(yīng)用于核電項(xiàng)目的工程設(shè)計(jì)中，提高了核級電纜橋架支架的有限元分析效率，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

CAD/CAE集成；核級電纜橋架支架；PDMS；RSTAB

0 引言

在核電產(chǎn)品設(shè)計(jì)的過程中，對重要的零部件需要進(jìn)行有限元分析以驗(yàn)證其機(jī)械性能和安全性能。為了避免在CAE軟件中重新建模，傳統(tǒng)的做法通常是將CAD模型直接導(dǎo)入到CAE軟件中。但由于CAD和CAE軟件在拓?fù)錁?biāo)識和幾何元素定義方面并不完全一致，在不同系統(tǒng)之間轉(zhuǎn)換模型時(shí)會出現(xiàn)拓?fù)潢P(guān)系逼近和幾何元素重構(gòu)[1]。這樣往往會產(chǎn)生模型信息的丟失和冗余，需要在具有強(qiáng)大有限元前處理功能的軟件中修復(fù)模型。即便如此，CAD模型仍不能直接用于有限元分析，還必須事先進(jìn)行幾何特征的簡化、網(wǎng)格的劃分、材料和截面屬性的定義、約束和載荷的施加等一系列的前處理。對于接口兼容性差的軟件，則只能重新手動建模，CAD/CAE集成更是無從談起。此外，一旦發(fā)生設(shè)計(jì)變更，CAD模型的一點(diǎn)微小變動都可能會導(dǎo)致有限元分析的前處理工作重新進(jìn)行。因此，如何快速、準(zhǔn)確、高質(zhì)量地進(jìn)行自動化有限元建模一直是CAD/CAE集成的研究熱點(diǎn)[2]。

1 CAD/CAE集成新方法研究

傳統(tǒng)的CAD/CAE集成方法不僅要求CAD/CAE軟件的數(shù)據(jù)交換接口高度兼容，而且還需要耗費(fèi)大量的精力進(jìn)行模型修復(fù)和一系列的前處理工作。對于結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜的CAD模型，該方法仍具有較高的應(yīng)用價(jià)值。但是對于結(jié)構(gòu)相對簡單的CAD模型，例如核級管道、支架等，這種集成方法則過于復(fù)雜，其前處理的工作量不亞于重新建模。

與CAD模型相比，在有限元分析中采用的是經(jīng)過簡化特征、刪除細(xì)節(jié)、降維表達(dá)后的抽象化和離散化的有限元模型，它需要的只是網(wǎng)格數(shù)據(jù)，如節(jié)點(diǎn)和單元信息，即便是載荷和位移約束最終也必須都反映到節(jié)點(diǎn)和單元上來[3]。本文針對傳統(tǒng)CAD/CAE集成方法的不足，提出了一種新的CAD/CAE集成方法，即對CAD和CAE軟件進(jìn)行二次開發(fā)，將CAD模型數(shù)字化，再將數(shù)字化模型直接轉(zhuǎn)換為能用于有限元分析的網(wǎng)格數(shù)據(jù)，不僅解決了傳統(tǒng)CAD/CAE集成方法中軟件接口兼容性的問題，而且省去了有限元模型修復(fù)和前處理環(huán)節(jié)。

關(guān)于新的CAD/CAE集成方法，核電行業(yè)進(jìn)行了相關(guān)研究，并且取得了一定的成果。法國核電巨頭AREVA公司在PDMS和ANSYS軟件的基礎(chǔ)上二次開發(fā)了管道力學(xué)分析軟件APA，已應(yīng)用于EPR三代核電站的核級管道力學(xué)分析。ADEXFLOW INTERNATIONAL公司為PIPESTRESS和PDMS軟件開發(fā)了集成軟件DUAL-P，可以直接將PDMS三維管道模型導(dǎo)入到PIPESTRESS中，生成有限元模型，并能夠?qū)τ?jì)算結(jié)果進(jìn)行后處理，輸出計(jì)算報(bào)告，已廣泛應(yīng)用于歐美發(fā)達(dá)國家的核電工程中。上述軟件均是針對核級管道分析開發(fā)的CAD/CAE集成軟件，但是目前市場上缺少與核級支架分析相關(guān)的集成軟件。

2 CAD/CAE集成在核級支架分析中應(yīng)用的必要性

在核電廠中，大量的核級支架分布于各個(gè)廠房中。在進(jìn)行核電工程設(shè)計(jì)時(shí)必須對這些支架進(jìn)行抗震分析，以確保其在運(yùn)行基準(zhǔn)地震（OBE）和安全停堆地震（SSE）的作用下仍有足夠的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性。

在某核電項(xiàng)目的工程設(shè)計(jì)中，PDMS和RSTAB軟件分別被指定用于核級電纜橋架支架的設(shè)計(jì)和抗震分析。由于PDMS和RSTAB軟件的接口兼容性差，所以在利用RSTAB軟件對電纜橋架支架進(jìn)行抗震分析時(shí)，需要從PDMS三維模型中查看相關(guān)信息，在軟件中手動建立有限元模型。但是重新建模工作量大，耗時(shí)長，導(dǎo)致分析人員難以及時(shí)驗(yàn)證電纜橋架支架設(shè)計(jì)及其變更的合理性，嚴(yán)重影響了電纜橋架支架的設(shè)計(jì)進(jìn)度。此外，電纜橋架支架的CAD模型和CAE模型分別由不同專業(yè)建立，無法確保在整個(gè)設(shè)計(jì)周期中模型信息傳遞的準(zhǔn)確性。因此，開發(fā)一款集成工具用于PDMS和RSTAB軟件模型數(shù)據(jù)的交換，實(shí)現(xiàn)從CAD軟件到CAE軟件的無縫連接，勢在必行。

3 CAD/CAE集成新方法應(yīng)用實(shí)例

本文以核級電纜橋架支架為研究對象，利用新集成方法開發(fā)出了支架的CAD/CAE集成工具，并成功應(yīng)用于某核電項(xiàng)目的工程設(shè)計(jì)中。

3.1 研究對象介紹

核級電纜橋架支架固定在核電廠建筑物的預(yù)埋板、錨固板或鋼結(jié)構(gòu)上，用于支撐托盤、梯架和電纜（如圖1所示）。它屬于抗震I類設(shè)備[4]，所以除了能承受托盤、梯架相應(yīng)規(guī)格、層數(shù)的額定均布荷載及其自重[5]外，還必須具有良好的抗震性能。因此，對電纜橋架支架進(jìn)行抗震分析是驗(yàn)證電纜橋架支架設(shè)計(jì)合理性必不可少的手段。

3.2 開發(fā)語言的選擇

RSTAB是一款三維框架結(jié)構(gòu)分析的軟件，用于計(jì)算結(jié)構(gòu)件的應(yīng)力、變形、穩(wěn)定性和支承反力。RSTAB軟件提供了多種數(shù)據(jù)格式的導(dǎo)入接口（如圖2所示），但是接口選擇取決于它與PDMS軟件的兼容性。

圖2 RSTAB軟件的導(dǎo)入接口

PDMS是一款對外輸出接口很少的三維設(shè)計(jì)軟件，目前僅支持輸出RVM格式和批處理文件，均與RSTAB軟件的導(dǎo)入接口不兼容。但是它擁有開放的開發(fā)環(huán)境，利用內(nèi)置的開發(fā)語言PML（Programmable Macro Language）可以方便地在PDMS中進(jìn)行二次開發(fā)（如圖3所示），將PDMS三維模型轉(zhuǎn)化為Excel數(shù)據(jù)格式的數(shù)字化模型（如圖4所示）。

圖3 電纜橋架支架的PDMS模型信息提取工具

綜上所述，本文選擇Excel作為接口進(jìn)行PDMS和RSTAB軟件集成工具的開發(fā)。另外，Excel VBA（Visual Basic for Applications）具有強(qiáng)大的運(yùn)算與分析能力[6]，也為兩種軟件的無縫集成提供了便利。

3.3 CAD/CAE集成工具的開發(fā)

首先，利用PML在PDMS中將電纜橋架支架的模型信息轉(zhuǎn)化為數(shù)字化模型，其中包含了電纜橋架支架的各種屬性如支架類型和尺寸、托盤和梯架信息、電纜及其防火材料信息、與支架相連的預(yù)埋板或錨固板信息等。

其次，利用VBA對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析后分別生成有限元模型的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)、材料和截面屬性、單元信息、約束、載荷等（如圖5所示）。

圖4 電纜橋架支架數(shù)字化模型的部分?jǐn)?shù)據(jù)

圖5 VBA生成的部分有限元模型信息

3.4 有限元模型的導(dǎo)入與驗(yàn)證

利用開發(fā)的集成工具快速生成電纜橋架支架有限元模型的各種信息，再用RSTAB軟件提供的Excel接口導(dǎo)入相關(guān)模型信息（如圖6所示），最后重構(gòu)電纜橋架支架的有限元模型。

圖6 有限元模型導(dǎo)入界面

通過對導(dǎo)入的有限元模型（如圖7所示）進(jìn)行詳細(xì)檢查，發(fā)現(xiàn)該模型的精度完全滿足電纜橋架支架的計(jì)算要求。

圖7 含Z向集中靜載的電纜橋架支架有限元模型

4 結(jié)束語

由于核電項(xiàng)目中的核級電纜橋架支架數(shù)量眾多，傳統(tǒng)的支架分析方法不僅在設(shè)計(jì)質(zhì)量上存在隱患，而且在工程進(jìn)度上也難以滿足項(xiàng)目的要求。在深入研究電纜橋架支架的PDMS三維模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和RSTAB軟件接口特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，利用PML和VBA開發(fā)出了將支架的PDMS三維模型快速轉(zhuǎn)化為數(shù)字化有限元模型，從而進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為RSTAB軟件能自動識別的有限元模型的集成工具,將每個(gè)支架的有限元模型前處理時(shí)間由平均50分鐘縮短至1秒以內(nèi)。

該集成工具不僅填補(bǔ)了PDMS和RSTAB集成軟件的空白，實(shí)現(xiàn)了二者的無縫連接，為探索新的CAD/CAE集成方法作出了成功的嘗試，而且首次應(yīng)用于核電項(xiàng)目的工程設(shè)計(jì)中，減少了模型信息在跨專業(yè)傳遞過程中的錯(cuò)誤，提高了支架的力學(xué)分析效率和設(shè)計(jì)質(zhì)量，加快了支架“設(shè)計(jì)-驗(yàn)證-再設(shè)計(jì)”的迭代過程。在保障該核電項(xiàng)目電纜橋架支架設(shè)計(jì)工作順利進(jìn)行的同時(shí)，節(jié)省了大量的人力，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

[1] 黨松,莫蓉,常智勇,等.CAD/CAE集成中的幾何模型轉(zhuǎn)換方法研究[J].現(xiàn)代制造工程,2007,(12):48.

[2] 張培培,陶華,顧小鋒.CAD/CAE集成中參數(shù)化有限元建模的研究[J].現(xiàn)代制造工程,2006,(9):62.

[3] 謝世坤,黃菊花,楊國泰.CAD/CAE集成中的有限元模型轉(zhuǎn)換之研究[J].中國機(jī)械工程,2005,16(5):429.

[4] 楊德生,孫柏濤,胡少卿.核電站用鋼制梯架式電纜橋架抗震性能研究[J].世界地震工程,2008,24(2):55.

[5] 中國工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會.鋼制電纜橋架工程設(shè)計(jì)規(guī)范CECS31:2006[M].北京:中國計(jì)劃出版社.

[6] 羅剛君,章蘭新,黃朝陽.Excel 2010 VBA編程與實(shí)踐[M].北京:電子工業(yè)出版社,2010.

Research and application of CAD/CAE integration in support analysis

XIAO Chao-ping, CHEN Yao-hui, SHEN Le

TH128；TP391

：A

1009-0134(2017)01-0044-03

2016-11-06

肖超平（1981 -），男，湖北人，工程師，碩士研究生，研究方向?yàn)榉磻?yīng)堆結(jié)構(gòu)力學(xué)。