核電站支吊架力學(xué)分析自動(dòng)化程序開發(fā)及應(yīng)用

余權(quán)舟 周劭翀 祁濤 丁凱

摘? 要：核電站管道支吊架數(shù)量龐大，種類繁多，傳統(tǒng)的支吊架力學(xué)分析采用手動(dòng)計(jì)算方式，該方式過(guò)程繁瑣、費(fèi)時(shí)耗力且容易出錯(cuò)，難以滿足工程迭代設(shè)計(jì)要求及改造項(xiàng)目有限施工窗口期需求。文章在總結(jié)常規(guī)支吊架特點(diǎn)基礎(chǔ)之上，通過(guò)支吊架模板化、參數(shù)化設(shè)計(jì)，運(yùn)用VB編程語(yǔ)言、Access數(shù)據(jù)庫(kù)，采用功能模塊化設(shè)計(jì)思想及函數(shù)調(diào)用機(jī)制，開發(fā)了支吊架力學(xué)分析自動(dòng)化工具，實(shí)現(xiàn)了支吊架力學(xué)分析及報(bào)告輸出等工程任務(wù)的自動(dòng)化。所開發(fā)的程序已運(yùn)用到某核電站支吊架改造項(xiàng)目中。程序的開發(fā)及應(yīng)用提升了工作效率，提高了計(jì)算準(zhǔn)確度，減輕了工作強(qiáng)度，節(jié)約了人力成本，滿足了工程迭代設(shè)計(jì)要求及改造項(xiàng)目有限施工窗口期需求。

關(guān)鍵詞：支吊架;參數(shù)化;VB;自動(dòng)化

中圖分類號(hào)：TH122? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：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(guó)內(nèi)核電產(chǎn)業(yè)發(fā)展的大背景下，核電廠設(shè)計(jì)、采購(gòu)、建造周期越來(lái)越短，對(duì)核電工程設(shè)計(jì)的快速迭代能力和面對(duì)工程變更的快速響應(yīng)能力都提出了很高要求，施工方迫切希望能夠在工程施工前拿到完整的、經(jīng)過(guò)力學(xué)分析的設(shè)計(jì)圖紙，這就對(duì)傳統(tǒng)基于手動(dòng)的工作方式或流程提出了挑戰(zhàn)。

在核電站中，管道支吊架作為一種管道支承件，是核電廠中各個(gè)管道系統(tǒng)的重要組成部分。同時(shí)，由于其數(shù)量龐大，種類繁多，支吊架力學(xué)分析的工作量通常很大。管道支吊架力學(xué)分析包括力學(xué)計(jì)算和分析評(píng)定兩部分工作內(nèi)容。其中，力學(xué)計(jì)算指通過(guò)手動(dòng)或計(jì)算機(jī)輔助形式計(jì)算支吊架在所受載荷作用下的應(yīng)力計(jì)算值，分析評(píng)定指根據(jù)規(guī)范或設(shè)計(jì)準(zhǔn)則要求計(jì)算支吊架的應(yīng)力許可值，應(yīng)力計(jì)算值不能超過(guò)應(yīng)力許可值。

管道支吊架力學(xué)分析傳統(tǒng)手動(dòng)工作流程如圖1所示。其工作內(nèi)容主要分為五個(gè)部分，即：（1）模型建立：即手動(dòng)建立管道支吊架力學(xué)模型。（2）載荷加載：根據(jù)管道力學(xué)分析輸出結(jié)果及支吊架設(shè)計(jì)準(zhǔn)則要求，將解析的工況載荷手動(dòng)加載到力學(xué)模型中，生成支吊架力學(xué)分析模型。（3）力學(xué)計(jì)算：借助有限元分析軟件等，完成管道支吊架力學(xué)計(jì)算。（4）分析評(píng)定：評(píng)定內(nèi)容主要包括標(biāo)準(zhǔn)件、鋼結(jié)構(gòu)單元、焊縫、剛度及撓度等。（5）報(bào)告編制：匯總力學(xué)計(jì)算及分析評(píng)定結(jié)果，編制管道支吊架力學(xué)分析報(bào)告。

支吊架力學(xué)分析傳統(tǒng)手動(dòng)工作方式，弊端明顯。具體表現(xiàn)為：（1）過(guò)程繁瑣，費(fèi)時(shí)耗力：機(jī)械重復(fù)的手動(dòng)建模、分析評(píng)定及報(bào)告編制，往往涉及較大的工作量，不能充分滿足核電站迭代設(shè)計(jì)及改造工程有限施工窗口期需求。（2）出錯(cuò)率高：過(guò)多的人為操作不可避免的引入人為錯(cuò)誤和累積誤差。（3）人力成本高：要滿足核電站迭代設(shè)計(jì)及改造工程有限施工窗口期需求，意為著大量的人力投入。

Visual Basic 6.0是一款由微軟公司開發(fā)的基于Windows環(huán)境的、事件驅(qū)動(dòng)的、可視化編程工具，它擁有圖形用戶界面（GUI）和快速應(yīng)用程序開發(fā)（RAD）系統(tǒng)，用戶可以輕松地使用其提供的控件快速建立一個(gè)應(yīng)用程序。利用VB編程語(yǔ)言，可對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)雜的處理和分析，實(shí)現(xiàn)問(wèn)題解決方案或場(chǎng)景的自動(dòng)化。Access開發(fā)軟件具有易學(xué)、易用、成本低等優(yōu)點(diǎn)，它是開發(fā)小型管理軟件的一個(gè)最佳選擇。GTStrudl是面向土建、機(jī)械工程師的有限元通用軟件。該軟件通過(guò)嚴(yán)格執(zhí)行ISO9000系列標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)過(guò)2000多道例題考證的質(zhì)量控制（QC）和質(zhì)量保證（QA），使其成為了全球唯一歷年來(lái)始終通過(guò)美國(guó)原子能管理委員會(huì)（U.S. Nuclear Regulatory Commission）認(rèn)證的土木結(jié)構(gòu)分析設(shè)計(jì)軟件。該軟件具有一般靜力學(xué)分析、動(dòng)力學(xué)分析和非線性分析等功能，包含了一系列國(guó)際設(shè)計(jì)規(guī)范，如N690、ASME NF等，能可靠地應(yīng)用于管道支吊架的力學(xué)分析設(shè)計(jì)。VB編程語(yǔ)言、Access數(shù)據(jù)庫(kù)及GTStrudl有限元分析軟件的結(jié)合，使得管道支吊架力學(xué)分析及報(bào)告編制等工程任務(wù)自動(dòng)化的實(shí)現(xiàn)成為了可能。

基于傳統(tǒng)手動(dòng)工作方式的種種弊端，本文在總結(jié)常規(guī)支吊架特點(diǎn)基礎(chǔ)之上，通過(guò)支吊架模板化、參數(shù)化設(shè)計(jì)，運(yùn)用VB編程語(yǔ)言、Access數(shù)據(jù)庫(kù)，采用功能模塊化設(shè)計(jì)思想及函數(shù)調(diào)用機(jī)制，開發(fā)了支吊架力學(xué)分析自動(dòng)化工具，實(shí)現(xiàn)了支吊架力學(xué)分析及報(bào)告輸出等工程任務(wù)的自動(dòng)化。所開發(fā)的程序已運(yùn)用到某核電站支吊架改造項(xiàng)目工程實(shí)踐中。

1 程序簡(jiǎn)介

1.1 開發(fā)思想

核電站支吊架力學(xué)分析自動(dòng)化程序的開發(fā)思想，主要包含以下五個(gè)方面：（1）支吊架參數(shù)化模板設(shè)計(jì)。將核電站常見的支吊架類型總結(jié)為參數(shù)化模板，形成支吊架模板數(shù)據(jù)庫(kù)。（2）編程語(yǔ)言等。在Win7系統(tǒng)下，以工程上最常用的VB為編程語(yǔ)言，以Access及Excel為后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)。（3）功能模塊化設(shè)計(jì)思想。程序開發(fā)中，為了便于程序自身的管理及維護(hù)，確保各個(gè)功能模塊相對(duì)獨(dú)立，采用功能模塊化設(shè)計(jì)思想。（4）函數(shù)調(diào)用機(jī)制。在支吊架分析評(píng)定開發(fā)中，為了便于后續(xù)將其靈活運(yùn)用于其他項(xiàng)目或場(chǎng)景中，將其包裝成函數(shù)形式，分析評(píng)定中采用函數(shù)調(diào)用機(jī)制。（5）一鍵式操作。一鍵式高效完成支吊架力學(xué)分析及報(bào)告編制，在少量人為干預(yù)下，即可一鍵式完成管道支吊架的力學(xué)分析及報(bào)告編制。

1.2 支吊架參數(shù)化模板設(shè)計(jì)

作為本自動(dòng)化程序的核心組成部分，支吊架參數(shù)化模板是支吊架建模及分析評(píng)定的重要設(shè)計(jì)輸入，模板包含了支吊架建模所需基本信息，也明確了位置所在處是否需要進(jìn)行局部應(yīng)力、焊縫、鋼板、標(biāo)準(zhǔn)件評(píng)定等。

在模板設(shè)計(jì)及相關(guān)代碼編寫時(shí)，本程序已充分考慮了其通用性和適用性，通過(guò)局部微調(diào)，即可靈活滿足復(fù)雜多樣的支吊架結(jié)構(gòu)形式需求，數(shù)據(jù)庫(kù)新增支吊架模板類型時(shí)，設(shè)計(jì)人員只需關(guān)注模板本身，將少量的設(shè)計(jì)輸入相關(guān)數(shù)據(jù)信息寫入指定區(qū)域即可。

模板代碼解析時(shí)，通過(guò)如“約束”、“載荷點(diǎn)”、“焊縫”、“局部應(yīng)力”、“鋼板”、“標(biāo)準(zhǔn)件”等關(guān)鍵詞搜索，自動(dòng)完成支吊架的力學(xué)建模及相應(yīng)的分析評(píng)定。

1.3 程序功能

根據(jù)支吊架力學(xué)分析評(píng)定準(zhǔn)則要求，結(jié)合工程項(xiàng)目需求，支吊架力學(xué)分析自動(dòng)化程序的主要功能包括以下幾個(gè)方面：（1）管道PPO載荷解析。根據(jù)相關(guān)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則要求，將管道載荷解析成對(duì)應(yīng)的組合工況形式。（2）支吊架力學(xué)分析模型生成。根據(jù)支吊架設(shè)計(jì)詳圖、支吊架模板及解析的載荷組合工況等，生成支吊架力學(xué)分析模型。（3）支吊架力學(xué)計(jì)算。通過(guò)程序GTStrudl調(diào)用，完成支吊架力學(xué)計(jì)算。（4）支吊架分析評(píng)定。根據(jù)力學(xué)計(jì)算結(jié)果，通過(guò)函數(shù)調(diào)用，完成支吊架分析評(píng)定，包括：a.剛度/撓度;b.標(biāo)準(zhǔn)件;c.型鋼結(jié)構(gòu);d.連接處焊縫;e.連接處鋼板;f.局部應(yīng)力。（5）結(jié)果匯總及報(bào)告編制。根據(jù)支吊架力學(xué)計(jì)算及分析評(píng)定結(jié)果，自動(dòng)完成相關(guān)報(bào)告的編制。

1.4 程序流程圖

根據(jù)功能模塊化設(shè)計(jì)思想、函數(shù)調(diào)用機(jī)制及功能需求，核電站支吊架力學(xué)分析自動(dòng)化程序主要分為4大功能模塊，即前處理功能模塊、排隊(duì)批處理功能模塊、后處理功能模塊及數(shù)據(jù)庫(kù)功能模塊。其中：（1）前處理功能模塊：用于完成設(shè)計(jì)輸入到支吊架力學(xué)分析模型的轉(zhuǎn)換。（2）排隊(duì)批處理功能模塊：通過(guò)GTStrudl程序調(diào)用完成支吊架的力學(xué)計(jì)算。（3）后處理功能模塊：用于支吊架力學(xué)分析評(píng)估及報(bào)告編制。（4）數(shù)據(jù)庫(kù)功能模塊：用于為其他各功能模塊提供后臺(tái)數(shù)據(jù)支持。

各功能模塊之間的銜接關(guān)系如圖2所示。

2 程序驗(yàn)證

程序的常規(guī)驗(yàn)證方法，概括起來(lái)，主要有三種，即：（1）實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，即通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與程序計(jì)算結(jié)果對(duì)比進(jìn)行驗(yàn)證。（2）程序輔助驗(yàn)證，即通過(guò)其他已被證明成熟可用的程序來(lái)間接輔助驗(yàn)證。（3）手動(dòng)計(jì)算輔助驗(yàn)證，即通過(guò)程序編制的理論與純手動(dòng)評(píng)定方式來(lái)進(jìn)行驗(yàn)證。

本文采用了程序輔助驗(yàn)證與手動(dòng)計(jì)算輔助驗(yàn)證相結(jié)合的方式。通過(guò)設(shè)定考題，分別對(duì)型鋼單元評(píng)定、標(biāo)準(zhǔn)件評(píng)定、焊縫評(píng)定、局部應(yīng)力評(píng)定及鋼板評(píng)定進(jìn)行了驗(yàn)證。驗(yàn)證結(jié)果表明本自動(dòng)化程序與程序輔助驗(yàn)證及手動(dòng)計(jì)算輔助驗(yàn)證的結(jié)果一致，從而驗(yàn)證了程序的正確性。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文在充分研究核電站管道支吊架傳統(tǒng)手動(dòng)力學(xué)分析流程、計(jì)算方法、數(shù)據(jù)庫(kù)處理、規(guī)范ASME NF及AISC等基礎(chǔ)上，借助Excel平臺(tái)、Access數(shù)據(jù)庫(kù)、VB編程語(yǔ)言，采用功能模塊化設(shè)計(jì)思想及函數(shù)調(diào)用機(jī)制，開發(fā)了支吊架力學(xué)分析自動(dòng)化工具，實(shí)現(xiàn)了支吊架力學(xué)分析及報(bào)告編制等工程任務(wù)的自動(dòng)化，所開發(fā)的程序已成功運(yùn)用到某核電站支吊架改造項(xiàng)目工程實(shí)踐中，有效滿足了改造項(xiàng)目有限施工窗口期需求。

本自動(dòng)化程序的開發(fā)與運(yùn)用減輕了工程設(shè)計(jì)人員工作強(qiáng)度，提高了管道支架力學(xué)分析的準(zhǔn)確度，使得效率得到了顯著的提升，節(jié)約了人力成本。程序的運(yùn)用使得單個(gè)支吊架的力學(xué)分析，從原傳統(tǒng)手動(dòng)的1天縮短為5分鐘，提高效率約100倍，若考慮設(shè)計(jì)優(yōu)化，本程序可為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的第三代核電站帶來(lái)幾百萬(wàn)的經(jīng)濟(jì)效益。

程序開發(fā)中，功能模塊化設(shè)計(jì)思想及函數(shù)調(diào)用機(jī)制等的考慮，通過(guò)適當(dāng)調(diào)整，使其可靈活運(yùn)用于其他核電項(xiàng)目、場(chǎng)景或科研中，擴(kuò)展了程序的適用范圍。

參考文獻(xiàn)：

[1]高春燕，等.學(xué)通Visual Basic的24堂課[M].清華大學(xué)出版社，2011.

[2]明日科技.Visual Basic從入門到精通[M].北京：清華大學(xué)出版社，2012.

[3]何先軍.Access VBA活用范例大辭典：全新版[M].中國(guó)鐵道出版社，2014.

[4]美國(guó)機(jī)械工程師協(xié)會(huì).ASME鍋爐及壓力容器規(guī)范[S].第III卷， 第1冊(cè)NF分卷及附錄F，2007版，2008年補(bǔ)遺.

[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.