PIPESTRESS 至ANSYS 管道模型轉(zhuǎn)換工具的開(kāi)發(fā)及應(yīng)用

蔡奕霖，紀(jì)騰飛

（上海核工程研究設(shè)計(jì)院，上海 200233）

0 引言

PIPESTRESS 是專(zhuān)業(yè)的管道分析評(píng)定軟件，由于集成了ASME、RCCM 等各類(lèi)管道評(píng)定規(guī)范便于應(yīng)力評(píng)定和載荷輸出，PIPESTRESS 被廣泛運(yùn)用于核電站的各類(lèi)核級(jí)和非核級(jí)管道的設(shè)計(jì)分析中。相比ANSYS 等通用有限元軟件，PIPESTRESS 在建立管道模型時(shí)更為直觀便捷，提高了管道建模分析的效率。

然而由于PIPESTRESS 僅支持線(xiàn)彈性分析，在實(shí)際運(yùn)用中也存在諸多局限性。在處理管道與設(shè)備或廠(chǎng)房三維模型的耦合分析、管道的動(dòng)態(tài)響應(yīng)輸出，以及其他各類(lèi)非線(xiàn)性問(wèn)題時(shí)，都需要采用ANSYS 軟件進(jìn)行建模分析。例如：某核電站管道承受閥門(mén)沖擊載荷，針對(duì)每個(gè)閥門(mén)分別設(shè)置了兩個(gè)法蘭盤(pán)上部支撐和一個(gè)閥體底部托架，如圖1 所示。這三個(gè)支撐均為僅承受向上或向下載荷的單方向接觸支撐，PIPESTRESS 無(wú)法對(duì)這類(lèi)非線(xiàn)性約束方式進(jìn)行動(dòng)力分析，因而必須在ANSYS中重新建模。

ANSYS 建立管道模型時(shí)，需要對(duì)直管、彎管、支撐等逐一定義單元類(lèi)型、實(shí)參數(shù)及材料屬性，采用ANSYS的建模往往需要花費(fèi)數(shù)倍于PIPESTRESS 建立同樣模型的時(shí)間，并且由于缺少實(shí)時(shí)模型顯示、坐標(biāo)點(diǎn)校驗(yàn)等功能，ANSYS 建模時(shí)極易出現(xiàn)人為錯(cuò)誤，從而需要耗費(fèi)更長(zhǎng)的時(shí)間校核模型，因此如何提高ANSYS 建立管道模型的效率是一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。

圖1 閥門(mén)非線(xiàn)性支撐模型示意圖

本文通過(guò)比較PIPESTRESS 與ANSYS 的單元及建模方式差異，論證了建立模型轉(zhuǎn)換關(guān)系的可行性，基于MATLAB 編程開(kāi)發(fā)了PIPESTRESS 的FRE 管道模型至ANSYS 的APDL 命令流模型的自動(dòng)轉(zhuǎn)換工具，并通過(guò)模態(tài)分析對(duì)轉(zhuǎn)換結(jié)果的準(zhǔn)確性進(jìn)行了比對(duì)驗(yàn)證。最后應(yīng)用工具轉(zhuǎn)化的ANSYS 模型，對(duì)某核電管線(xiàn)在非線(xiàn)性支撐約束下，受閥門(mén)沖擊載荷作用的響應(yīng)進(jìn)行了分析。

1 轉(zhuǎn)換工具的開(kāi)發(fā)

1.1 PIPESTRESS與ANSYS建模的差異比較

首先從命令流輸入文本的結(jié)構(gòu)入手，分析PIPESTRESS 與ANSYS 在管道建模方法上的差異，兩者的建流程分別如圖2 和圖3 所示，其中PIPESTRESS 在標(biāo)題卡后定義了工況、響應(yīng)譜等，完成建模后可直接分析，ANSYS 在前處理模塊建模后需進(jìn)入分析模塊進(jìn)行加載求解，在此未列出加載求解流程，僅針對(duì)兩者建模方面的異同進(jìn)行比較。

圖2 PIPESTRESS的建模流程

圖3 ANSYS的建模流程

經(jīng)比較PIPESTRESS 與ANSYS 在建模方面的差異主要包括以下方面：

（1）幾何模型

PIPESTRESS 僅需定義某一節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)（通常是起始點(diǎn)坐標(biāo)），并通過(guò)輸入下一節(jié)點(diǎn)的相對(duì)偏移量逐一建立各節(jié)點(diǎn)和單元。在ANSYS 中也可以采用定義局部坐標(biāo)的方式進(jìn)行類(lèi)似的逐點(diǎn)建模，但更常用的方法是，首先通過(guò)總體坐標(biāo)建立所有節(jié)點(diǎn)，再將節(jié)點(diǎn)連接為單元。

（2）單元類(lèi)型

由于PIPESTRESS 僅針對(duì)簡(jiǎn)單的一維線(xiàn)彈性管道單元或梁?jiǎn)卧M(jìn)行分析，在建模中無(wú)需自定義單元類(lèi)型，采用TANG（直管卡）、BRAD（彎管卡）、VALV（閥門(mén)卡）等結(jié)構(gòu)卡定義部件類(lèi)型，建模過(guò)程簡(jiǎn)單直接。而ANSYS 分析首先定義單元類(lèi)型和屬性，并在建立每個(gè)單元前均聲明所屬單元，不同于PIPESTRESS 的按順序建模方式，ANSYS 通常首先將各種單元類(lèi)型、實(shí)參數(shù)等進(jìn)行歸類(lèi)，并按類(lèi)別建立單元，以減少重復(fù)聲明的次數(shù)。

（3）材料屬性

PIPESTRESS 定義了不同溫度的彈性模型、熱膨脹系數(shù)、許用強(qiáng)度等，并在建立單元前聲明對(duì)應(yīng)各工況的溫度。在計(jì)算管道模態(tài)時(shí)，可通過(guò)定義參考工況，賦予各單元在相應(yīng)工況溫度下的彈性模量。在ANSYS 中可以定義類(lèi)似的材料屬性表，但需要在計(jì)算分析模塊中對(duì)單元施加溫度。對(duì)于管段溫度較少的情況，更簡(jiǎn)便的方法是直接將不同溫度管段定義為不同材料號(hào)，并賦予不同的彈性模量。

（4）單元實(shí)參

PIPESTRESS 中的CROS 截面屬性可對(duì)應(yīng)ANSYS中的外徑壁厚實(shí)參，但諸如彎管半徑、支撐剛度、集中質(zhì)量等參數(shù)PIPESTRESS 均在BRAD 等結(jié)構(gòu)卡后賦值。

（5）支撐約束

PIPESTRESS 采用RSTN（剛性支撐卡）等直接輸入約束方向及剛度，而在ANSYS 中需在約束方向上建立專(zhuān)門(mén)的彈簧單元并賦予剛度實(shí)參，最后位移施加約束。

通過(guò)以上比較，PIPESTRESS 與ANSYS 常用的有限元建模方法在邏輯上有很大的差異，PIPESTRESS 的建模思路的出發(fā)點(diǎn)是簡(jiǎn)明直觀，最大程度上方便用戶(hù)按照管道ISO 圖逐段建模，雖然理論上ANSYS 也可以參照與PIPESTRESS 相同的順序逐段定義單元并建模，以減少編程的難度，但通過(guò)這種方式轉(zhuǎn)化的ANSYS命令流將冗長(zhǎng)龐雜，從而大大降低命令流的可讀性和后續(xù)修改的可操作性，在需要與其他管道或設(shè)備模型組合分析時(shí)也會(huì)遇到困難。由于建立ANSYS 模型的目的是針對(duì)PIPESTRESS 無(wú)法計(jì)算的復(fù)雜載荷或工況，為便于對(duì)模型進(jìn)行特殊加載或修改，按照ANSYS常用的建模邏輯進(jìn)行轉(zhuǎn)換是必要的。

1.2 轉(zhuǎn)換關(guān)系的建立

要進(jìn)行建模邏輯的轉(zhuǎn)換，必須對(duì)PIPESTRESS 及ANSYS 的各類(lèi)參數(shù)進(jìn)行重新歸類(lèi)，并建立兩者之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。經(jīng)梳理，確定了模型轉(zhuǎn)換關(guān)系如圖4 所示。轉(zhuǎn)換關(guān)系包括了節(jié)點(diǎn)局部坐標(biāo)到總體坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換；對(duì)材料彈性模量的自動(dòng)插值及重新定義材料號(hào)；從結(jié)構(gòu)卡中解析各類(lèi)實(shí)參并重新歸類(lèi)；支撐節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)換和建立；以及單元的統(tǒng)計(jì)和定義等。

圖4 PIPESTRESS與ANSYS的模型轉(zhuǎn)換

針對(duì)PIPESTRESS 的各類(lèi)結(jié)構(gòu)分析卡，目前選擇了ANSYS 中的初等單元類(lèi)型進(jìn)行模擬，對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1 所示。雖然這些單元功能相對(duì)簡(jiǎn)單，但足以模擬PIPESTRESS 的各類(lèi)線(xiàn)彈性分析功能，后續(xù)僅需對(duì)轉(zhuǎn)換程序進(jìn)行簡(jiǎn)單的修改，即可根據(jù)分析需要使用高等單元。

表1 單元類(lèi)型

1.3 編程實(shí)現(xiàn)及程序操作

選擇PIPESTRESS 的PRD 報(bào)告文件作為輸入，對(duì)轉(zhuǎn)換工具進(jìn)行了開(kāi)發(fā)，PRD 文件包括的信息如下：

（1）完整的原始FRE 輸入文本

（2）經(jīng)轉(zhuǎn)換的標(biāo)準(zhǔn)化格式輸入文本

（3）單元和節(jié)點(diǎn)的對(duì)應(yīng)關(guān)系以及節(jié)點(diǎn)的總體坐標(biāo)

（4）警告及錯(cuò)誤信息

（5）集中質(zhì)量信息

（6）支撐及單元數(shù)量統(tǒng)計(jì)

（7）模態(tài)計(jì)算結(jié)果

其中，經(jīng)轉(zhuǎn)換的標(biāo)準(zhǔn)化格式輸入文本可以避免人為輸入格式差異引起的轉(zhuǎn)換工具讀取錯(cuò)誤，單元和節(jié)點(diǎn)的對(duì)應(yīng)關(guān)系以及節(jié)點(diǎn)的總體坐標(biāo)可以省去程序中坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的步驟，另外PIPESTRESS 在分析時(shí)對(duì)輸入模型進(jìn)行了自動(dòng)轉(zhuǎn)換，包括對(duì)于較長(zhǎng)的管段自動(dòng)內(nèi)插節(jié)點(diǎn)，以及將截面均布質(zhì)量轉(zhuǎn)化為了節(jié)點(diǎn)集中質(zhì)量，這些信息均包括在PRD 文件中，在ANSYS 中直接調(diào)用可確保分析的一致性。此外PRD 文件中包含的支撐及單元數(shù)量統(tǒng)計(jì)信息以及模態(tài)計(jì)算結(jié)果等信息可在后續(xù)驗(yàn)證及后處理程序的開(kāi)發(fā)中應(yīng)用。根據(jù)PRD 的文件結(jié)構(gòu)及PIPESTRESS 與ANSYS 的模型的對(duì)應(yīng)關(guān)系，確定了轉(zhuǎn)換程序的流程如圖5 所示。

圖5 轉(zhuǎn)換程序流程圖

按上述流程，基于MATLAB 語(yǔ)言，進(jìn)行了轉(zhuǎn)換工具編程，程序名稱(chēng)為PEPS2ANSYS。要使用程序時(shí)，只需將管道計(jì)算得到的PRD 文件及主程序文件PEPS2ANSYS.m 放在同一目錄下，用MATLAB 打開(kāi)PEPS2ANSYS.m，在程序上方f_in 變量處輸入PRD 文件名，并運(yùn)行程序即可自動(dòng)生成與PRD 文件名相一致的ANSYS 命令流INP 文件。生成的INP 文件按ANSYS 常用建模順序建模，并在每一步前加入了注釋?zhuān)员阌诶斫饷盍骱?，在每個(gè)節(jié)點(diǎn)及單元后均標(biāo)注了ANSYS 節(jié)點(diǎn)與PEPS 節(jié)點(diǎn)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，為后續(xù)的加載及模型修改提供便利。

1.4 模態(tài)分析驗(yàn)證

為驗(yàn)證轉(zhuǎn)換結(jié)果的準(zhǔn)確性，采用FRE 管道模型進(jìn)行了轉(zhuǎn)換，并分別在PIPESTRESS 和ANSYS 中對(duì)轉(zhuǎn)換前后的模型進(jìn)行了模態(tài)分析。

取模核電站管段，轉(zhuǎn)換前后的模型分別如圖6 和圖7 所示，兩者幾何模型是相一致的。

圖6 算例1的PIPESTRESS模型圖

圖7 算例1的ANSYS模型圖

取前30 階模態(tài)的頻率及累積有效參與質(zhì)量進(jìn)行對(duì)比，如表2 所示，兩者各階模態(tài)的頻率誤差平均誤差僅0.11%，最大僅相差1.7%，各方向有效參與質(zhì)量平均誤差小于0.13%，最大僅相差2%。兩者的模態(tài)高度吻合，證明了轉(zhuǎn)換工具的準(zhǔn)確性相當(dāng)高，ANSYS 各類(lèi)單元的選擇及是恰當(dāng)?shù)模D(zhuǎn)換流程是合理。

2 管道受非線(xiàn)性約束的時(shí)程分析

針對(duì)概述中提到的受沖擊閥門(mén)管段非線(xiàn)性約束問(wèn)題（圖1），在PIPESTRESS 中無(wú)法分析。由于法蘭和閥體可認(rèn)為是剛性的，此外三個(gè)非線(xiàn)性支撐的間距非常接近，因此以往的做法是在PIPESTRESS 中將三個(gè)非線(xiàn)性單向支撐組等效為作用于法蘭盤(pán)的兩個(gè)線(xiàn)性雙向支撐，如圖8 所示，以?xún)蓚€(gè)支撐合力作為閥門(mén)底部托架的載荷輸入。這種等效方法對(duì)于熱脹及響應(yīng)譜分析中是可接受的，然而由于閥門(mén)沖擊載荷頻率極高且峰值很大，其對(duì)管道及支撐結(jié)構(gòu)的剛度非常敏感，因此有必要采用ANSYS 軟件對(duì)其進(jìn)一步的詳細(xì)分析。

表2 算例1 的模態(tài)比較

圖8 等效線(xiàn)性支撐模型示意圖

圖9 支撐位置示意圖

在ANSYS 中基于上文工具轉(zhuǎn)換并經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的ANSYS 模型（圖7），采用模態(tài)疊加法分析管道分別在兩個(gè)閥門(mén)的沖擊時(shí)程載荷作用下的響應(yīng)，支撐的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖9 所示。為滿(mǎn)足設(shè)計(jì)準(zhǔn)則要求，并采用2500Hz 的截?cái)囝l率，以保證積分時(shí)間步（0.0000038秒）不大于截?cái)囝l率周期（0.00004 秒）的10%。采用間隙條件（Gap Condition）施加非線(xiàn)性約束，分析間隙值設(shè)置為可忽略不計(jì)的0.001mm。分析中支撐剛度按照支撐的實(shí)際剛度輸入，采用2%的系統(tǒng)阻尼和4%的支撐阻尼，并按下式計(jì)算間隙處的沖擊阻尼系數(shù)：

其中?表示閥門(mén)的固有頻率，m 表示閥門(mén)的有效質(zhì)量，ζ表示阻尼比（0.04）。

分析結(jié)果如表3 所示，可見(jiàn)兩種分析方法下得到的閥門(mén)支撐支反力有所差異，尤其是底部托架反力比等效計(jì)算方法中兩側(cè)支反力之和要大得多，因此有必要按照ANSYS 中的非線(xiàn)性分析結(jié)果對(duì)支撐進(jìn)行重新分析評(píng)估。

表3 閥門(mén)支撐支反力比較

3 結(jié)語(yǔ)

本文首先對(duì)比了PIPESTRESS 與ANSYS 的單元及建模方式差異，通過(guò)對(duì)管道有限元分析各類(lèi)元素的梳理和歸類(lèi)，建立了模型轉(zhuǎn)換關(guān)系。這項(xiàng)工作不僅適用于PIPESTRESS 與ANSYS 軟件之間的模型轉(zhuǎn)換，也為今后建立管道分析數(shù)據(jù)庫(kù)提供了基礎(chǔ)，對(duì)于實(shí)現(xiàn)數(shù)字化電站的目標(biāo)具有重要的意義。

在建立轉(zhuǎn)換關(guān)系后，基于MATLAB 編程開(kāi)發(fā)了PIPESTRESS 的FRE 管道模型至ANSYS 的APDL 命令流模型的自動(dòng)轉(zhuǎn)換工具。經(jīng)模態(tài)分析，無(wú)論對(duì)于簡(jiǎn)單模型還是復(fù)雜模型，轉(zhuǎn)換前后的頻率及有效參與質(zhì)量均高度吻合，證明了單元選擇和轉(zhuǎn)換流程是適當(dāng)?shù)?。該轉(zhuǎn)換工具的運(yùn)用將大大提高ANSYS 管道分析建模的效率，為復(fù)雜管道力學(xué)問(wèn)題的計(jì)算和研究提供有力的支持，具有很高的實(shí)用價(jià)值。

最后，運(yùn)用工具轉(zhuǎn)化并經(jīng)驗(yàn)證的ANSYS 模型，本文對(duì)某核電站管段在非線(xiàn)性支撐約束下，受閥門(mén)沖擊載荷作用的響應(yīng)進(jìn)行了分析。根據(jù)分析結(jié)果，在非線(xiàn)性約束的情況下，閥門(mén)支撐支反力大幅提高，可見(jiàn)對(duì)于閥門(mén)沖擊載荷工況，原本采用的PIPESTRESS 等效線(xiàn)性支撐分析方法并不準(zhǔn)確，必須基于ANSYS 的計(jì)算結(jié)果，對(duì)管道及支撐進(jìn)行重新評(píng)估。

目前轉(zhuǎn)換工具已實(shí)現(xiàn)了基本的轉(zhuǎn)換功能，但后續(xù)還有許多方面值得進(jìn)一步開(kāi)展研究和開(kāi)發(fā)，包括：

（1）實(shí)現(xiàn)界面化操作以及對(duì)PIPESTESS 和ANSYS的調(diào)用功能，提高程序的自動(dòng)化程度和易用性；

（2）基于該轉(zhuǎn)換程序，可以開(kāi)發(fā)更多的后處理及評(píng)定工具；

（3）研究將管道自動(dòng)轉(zhuǎn)化為三維實(shí)體管道模型的可行性，進(jìn)一步拓展轉(zhuǎn)換工具的應(yīng)用范圍。