基于CAD的WGOTHIC几何建模方法研究和软件研发*

王国忠 张经瑜

(上海核工程研究设计院 上海 230033)



基于CAD的WGOTHIC几何建模方法研究和软件研发*

王国忠 张经瑜

(上海核工程研究设计院 上海 230033)

在使用WGOTHIC程序进行反应堆安全壳压力响应分析时,需要基于其输入格式建立几何模型。目前建立过程通常是依据工程设计的二维图纸,通过人为空间想象和人工数学计算,手动进行建模。这种建模方法一方面非常繁琐、耗时耗力,另一方面存在大量保守的近似与简化。研究提出了一种基于计算机辅助设计(CAD)的WGOTHIC几何建模方法。该方法利用现有用于工程设计的三维CAD几何模型,采用计算机图形学原理和实体几何造型技术,建立工程CAD几何模型到WGOTHIC几何模型的转换方法,自动构造WGOTHIC计算所需几何模型。然后在此基础上研发了辅助建模软件,并采用CAP1000模型对方法和软件进行了验证。结果表明,该方法能够有效提高WGOTHIC几何建模的效率。

计算机辅助设计; 热工水力; 几何建模

Class Number TP391.72

1 引言

在进行反应堆事故工况下安全壳压力和温度等热工响应分析时,需要建立数值模拟程序WGOTHIC[1]的输入模型。几何模型是其中主要组成部分,主要包括安全壳及其内部各主要部件的结构信息,如自由容积、流通面积、部件的体积和表面积等。目前,几何模型的建立过程通常是依据反应堆工程设计的二维图纸,通过人为空间想象和人工数学计算,手动进行建模[2]。这种建模方法一方面非常繁琐、耗时耗力,另一方面对于细节问题不能适当处理,为避免出错不得不采取大量保守的近似与简化。

近年来基于计算机辅助设计(CAD)的反应堆数值计算几何建模方法及工具软件在反应堆中子学领域研究较为活跃,已经成功应用于聚变堆的物理概念设计和辐射屏蔽分析[3～9]。在热工水力分析领域,美国西屋公司研究了从二维图纸解析长度、直径等数据并转换为核蒸汽供应系统部件及其子区域的热工水力分析几何参数的方法,并开发了相应的程序LUCIFER[10],用于生成LOCA事故分析程序的输入模型。该方法是从二维图纸的数据计算三维空间的几何参数,由于模型从二维到三维涉及几何重构的过程,因而在精确性上存在较大局限性。

为了提高WGOTHIC建模与分析的效率,本研究提出了一种基于三维CAD的WGOTHIC几何建模方法。该方法利用现有用于工程设计的三维CAD几何模型,采用计算机图形学原理和实体几何造型技术,建立模型转换算法,自动构造WGOTHIC计算所需几何模型。然后在此基础上研发了辅助建模软件,并采用CAP1000模型对方法和软件进行了验证。

2 方法研究

基于CAD的WGOTHIC几何建模方法,总体思路是充分利用CAD技术的优势和现有用于工程设计的三维CAD几何模型(简称工程CAD模型),通过计算机图形学原理和实体几何造型技术,建立模型转换算法,自动构造WGOTHIC计算所需几何模型(简称WGOTHIC几何模型)。首先要分析工程CAD模型与WGOTHIC几何模型之间的差异性,把工程CAD模型转换为适合热工水力分析的CAD模型(简称热工CAD模型),最后把热工CAD模型转换为WGOTHIC几何模型。

2.1 工程CAD模型与WGOTHIC几何模型及其差异性

2.1.1 工程CAD模型

CAD是使用计算机系统协助设计人员创建、修改、分析和优化产品设计的技术。借助计算机高效的图形处理能力和强大的计算功能,CAD设计人员能够直观、快速、精确地操作整个模型的创建过程,并将其转化为CAD几何模型。

CAP1000反应堆的三维CAD模型由设备、系统、土建等设计人员使用PDS、Inventor等商用CAD造型系统协作创建。其创建的主要目的是用于工程设计和建造,因此本文称之为工程CAD模型。

2.1.2 WGOTHIC几何模型

WGOTHIC几何模型是在使用WGOTHIC计算事故工况下反应堆安全壳压力和温度的瞬态响应时,安全壳及其内部各主要部件的结构参数数据集,包括虚拟划分的控制网格参数、控制网格内部的热阱参数和控制网格之间的流道参数等。

控制网格用于表示一个充满流体的局域。整个三维问题空间被划分为若干个控制网格。其几何参数包括自由容积、质心、底板面积和池面积、水力直径等。

热阱用于模拟固体结构热容、流体与固体结构之间的热传递、结构表面之间的辐射传热、固体结构不同体积之间热传递以及固体结构的内热源等。热阱有金属热阱和混凝土热阱两种,其几何参数包括体积和表面积。

流道是指控制网格之间、控制网格与边界条件之间的水力连接,如开口、管道、门、仪器穿透等。控制网格之间可能会有多个流道。其几何参数包括流通面积、湿周和水力直径等。

2.1.3 工程CAD模型与WGOTHIC几何模型差异性

工程CAD模型通常用于加工与制造,而WGOTHIC几何模型用于科学计算。由于两者使用目的不同,因此在模型表示方法、实体化程度要求、容错性要求和详细程度要求等方面存在差异性。

1) 模型表示方法不同

CAD几何模型通常使用边界表示法来精确、高效和无歧义地表示三维几何体。边界表示法用“点、边、环、面、壳、体”等来记录实体的几何形状和拓扑信息。而WGOTHIC几何模型则采用参数化的表示方法,以体积、面积、长度、形心等参数来表示几何体。

2) 模型类型要求不同

在几何造型的发展过程中,先后出现了线框模型、表面模型和实体模型三种方式。为了方便设计人员,目前的大多数CAD造型系统会同时支持这三种造型方式。但是,对于WGOTHIC几何模型来说,由于包含体积等三维结构参数,因此需要纯粹的实体模型。

3) 容错性要求不同

在机械加工与制造中,可以允许一定的容差和错误(如重叠),在加工制造时读图人员能够利用其经验或工具及时发现并修正。而热工水力分析时,WGOTHIC程序要求几何模型是正确无误的,否则会影响计算结果的精度。

4) 模型详细程度要求不同

工程CAD模型反映了真实的机械设计,包含了所有细节信息。而WGOTHIC几何模型仅需要考虑主要设备和部件,不需要考虑过多细节。例如螺钉、倒角等细节,若在WGOTHIC几何模型中进行考虑,对计算结果几乎没有影响,反而会增加建模的工作量和计算分析的时间。

由于工程CAD模型与WGOTHIC几何模型之间存在差异,因此需要通过特定的转换方法,把前者转换为后者,以实现基于CAD的WGOTHIC几何建模。这一转换过程分为两步,首先把工程CAD模型转换热工CAD模型,然后把热工CAD模型转换为WGOTHIC几何模型。

2.2 工程CAD模型转换为热工CAD模型

借鉴基于CAD的中子学建模领域的成功经验,把工程CAD模型转换为热工CAD模型的过程包括CAD模型的实体化、重叠消除和细节简化等步骤。

2.2.1 CAD模型实体化

CAD几何模型的实体化包括以下两个过程:

1) 去除CAD几何模型中用以辅助造型的非几何图元,如标注、文本、线串等;

2) 把线框几何模型和表面几何模型转换为实体几何模型。由于计算机图形学领域还没有一种普适性地把线框几何模型和表面几何模型转换为实体几何模型的算法,因此这一转换过程需要人工进行干预。

2.2.2 CAD模型重叠消除

CAD几何模型中的重叠(即干涉)的检查和消除采用实体间两两求布尔交运算的方法。若布尔交运算的结果为空,则两者不重叠;否则存在重叠,从其中一个实体中布尔减去相交部分几何体,则可以消除重叠。实际操作过程中,两两比较是一个组合爆炸问题,其问题规模将达到O(N2)。而几何实体间的布尔运算需要使用大量的图形学算法进行严格的数值运算和矩阵运算,非常耗时。尽可能减少最终进行精确布尔求交的几何体数量是提高重叠检查效率的关键。因此本研究中将重叠检查步骤分为两个步骤,粗略检查和精细检查。粗略检查阶段用来快速剔除掉那些明显不相交的几何体(如标高不在同一范围),对于可能相交的模型实体然后再进行更为细致的检查。精细检查分别用轴向包围盒和布尔交运算来判断是否干涉,因为包围盒运算的效率要远快于布尔交运算,因此精细检查过程中先用包围盒运算来剔除一部分不相交的几何体。

2.2.3 CAD模型细节简化

CAD几何模型细节的简化,主要通过设置一定的规则,从模型中按规则去除不必要的细节。用于细节简化的规则比如体积小于一定值、几何体属于某一类型(如螺钉、开孔等)和几何体位于某一特定位置(如埋于混凝土中)等。

2.3 热工CAD模型转换为WGOTHIC几何模型

热工CAD模型转换为WGOTHIC几何模型,核心内容是几何表示方法的转换,即边界表示几何模型转换为参数化表示几何模型。这一转换过程为

1) 创建控制网格三维几何体。根据设计人员确定的控制网格形状(柱体、棱柱或不规则体),创建出其对应的三维几何体,即控制网格的CAD几何模型。

2) 求出热阱三维几何体。通过控制网格几何体与部件几何体进行布尔运算,并考虑CAD模型中的材料属性,分别求出该控制网格内的金属和混凝土的三维几何体,即热阱的CAD几何模型。

3)计算控制网格参数和热阱参数。依据实体模型的边界表示法原理和图形学算法,分别计算控制网格和热阱的各类几何参数。其中:

控制网格的自由容积:

(1)

式中,Vfree为控制网格的自由容积;Vgrid为控制网格几何体的体积;Vsink,i为热阱i的体积。

控制网格的底板面积:

(2)

式中,Sgrid_bottom为控制网格几何体的底面积;Ssink_lower,i为热阱i与控制网格几何体底面布尔相交部分的面积。若热阱i与控制网格几何体的底面不想交,则Ssink_lower,i为0。

热阱的总表面积:

(3)

式中,Ssink,i为热阱i的表面积;Ssink,i∩j为热阱i与热阱j布尔相交部分的面积,若热阱i与热阱j不相交,则Ssink,i∩j为0;Ssink,i∩grid为热阱i与控制网格几何体布尔相交部分的面积,若热阱i与控制网格几何体不相交,则Ssink,i∩grid为0。

4) 求出流道几何体。流道存在于组成该流道的两个控制网格的边界上。因此,对于相切的两个控制网格,流道几何体可以认为是一个“截面”,对于彼此分离的两个控制网格,流道几何体是两个“截面”。流道几何体的求取方法是,从该截面几何上布尔差运算去除部件所占的部分几何体。

计算流道参数。流道参数的计算也是依据边界表示法原理和图形学算法,其中流道湿周:

(4)

式中,Lgrid_bound为流道所在控制网格几何体边界面(简称边界面)的周长;Lsink_bound,i为热阱i在边界面上的周长,若热阱i与边界面没有交集,则Lsink_bound,i为0;Lsink_bound,i∩j为热阱i和热阱j在边界面上相交部分几何体的周长,若热阱i与热阱j在边界面上没有交集,则Lsink_bound,i∩j为0;Lsink_bound,i∩bound为热阱i与边界面的边界边相交部分几何体的周长,若热阱i与边界面的边界边不相交,则Lsink_bound,i∩bound为0。

3 软件实现

在方法研究的基础上,研发了基于CAD的WGOTHIC几何建模软件,命名为GAM。软件开发过程中使用美国Bentley System公司的MicroStation开发语言MDL,使用MicroStation的开放接口访问和操作三维几何模型,并实现几何模型的转换和建模算法。

根据本文所述的几何建模方法,GAM软件实现了用于工程CAD模型转换为热工CAD模型的CAD模型重叠消除和CAD模型细节简化等功能,用于热工CAD模型转换为WGOTHIC几何模型的控制网格几何体创建、控制网格建模、热阱建模和流道建模等功能,以及几何信息计算等其他辅助功能。软件运行界面如图1所示。

图1 几何建模软件原型

4 测试验证

为了初步测试所研发的WGOTHIC几何建模软件GAM的正确性和性能,研究中采用CAP1000的三维CAD模型进行了测试。测试过程在微机上进行,操作系统为Windows XP,硬件配置为英特尔奔腾2.9GHz双核CPU,4GB内存。

测试使用的CAP1000的三维CAD模型是CAP1000施工设计阶段的一个中间版本,包含了安全壳厂房内的几乎所有设备、风管、管道、桥架、支撑、钢结构、混凝土结构和支吊架。模型组装在一个dgn格式的文件中,包含约40万个几何体。

测试过程中,通过实体化、消除重叠,细节简化等过程,把工程CAD模型转换为适用于热工分析的CAD模型。转换后的CAD模型约有12万个几何体,如图2所示。

图2 适用于热工分析的 CAD几何模型

利用软件建立了用于WGOTHIC计算输入的几何数据集(称之为软件建模模型)。将该模型与CAP1000标准设计过程中手工建立WGOTHIC计算几何数据集(称之为手工建模模型)进行对比,结果见表1。

1) 建模结果对比

由于手工建模过程中所用的模型来源是二维图纸,且对模型存在保守的简化和等效,因此手工建模和软件建模的源模型存在一定的不一致性。因此研究中并未一一对比每个控制网格的建模结果,而是对比了整个安全壳内的总自由容积,软件建模模型与手工建模模型的相对偏差为-0.5%,小于1%,初步判断满足精度要求。

2) 建模效率对比

测试过程中,建立的CAP1000模型的几何数据集包含了125个网格及网格之间的300多个流道。软件建模过程约花费了2人周的工作量,而手工建模过程通常要花费2人月的工作量。可见,使用软件辅助建模能够较大程度提高建模的效率。

表1 CAP1000模型软件建模与手工建模对比

5 结语

本研究提出了一种基于CAD的WGOTHIC几何建模方法,并研发了相应的辅助建模软件,采用计算机图形学原理和实体几何造型技术,建立了三维工程CAD模型到WGOTHIC几何模型的转换方法,能够自动构造WGOTHIC计算所需几何模型。初步测试表明,相对于手工方法,该方法和软件能够有效提高WGOTHIC几何建模的效率,从而缩短反应堆安全壳热工水力分析的周期。

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Research and Software Development of WGOTHIC Geometry Modeling Method Based on CAD

WANG Guozhong ZHANG Jingyu

(Shanghai Nuclear Engineering Research & Design Institute, Shanghai 230033)

It is necessary to model the geometry of WGOTHIC when using it to analyze the pressure response of the reactor containment. The present manually modeling method is based on the two-dimensional engineering design drawings, through the human space imagination and manual mathematical operations. This method is tedious, time-consuming and adopts some conservative approximation and simplification. A new modeling method for the WGOTHIC geometry based on Computer Aided Design (CAD) technology is proposed in this paper. The present three-dimensional CAD geometry model for engineering construction is utilized and a conversion method between engineering CAD geometry and WGOTHIC geometry is developed. This method is implemented as auxiliary modeling software. The verification results with CAP1000 model show that the method could improve the efficiency of WGOTHIC geometry modeling.

CAD, WGOTHIC, geometry modeling

2016年7月8日,

2016年8月26日

王国忠,男,博士,工程师,研究方向:核反应堆工程软件研发。张经瑜,男,硕士,高级工程师,研究方向:反应堆工程软件研究。

TP391.72

10.3969/j.issn.1672-9722.2017.01.039