CAD/CAE集成在支架分析中的研究及应用

2017-02-10肖超平陈耀辉

制造业自动化 2017年1期

关键词：桥架核电抗震

肖超平，陈耀辉，沈乐

（中广核工程有限公司核岛系统所力学室，上海 200030）

CAD/CAE集成在支架分析中的研究及应用

肖超平，陈耀辉，沈乐

（中广核工程有限公司核岛系统所力学室，上海 200030）

针对传统CAD/CAE集成方法的不足，在深入研究电缆桥架支架的PDMS三维模型的数据结构和RSTAB软件接口特点的基础上，利用PML和VBA开发出了集成工具，能快速将PDMS三维模型转化为RSTAB软件能自动识别的有限元模型，不仅实现了两种软件的无缝连接，为探索新的CAD/CAE集成方法作出了成功的尝试，而且首次应用于核电项目的工程设计中，提高了核级电缆桥架支架的有限元分析效率，取得了显著的经济效益。

CAD/CAE集成；核级电缆桥架支架；PDMS；RSTAB

0 引言

在核电产品设计的过程中，对重要的零部件需要进行有限元分析以验证其机械性能和安全性能。为了避免在CAE软件中重新建模，传统的做法通常是将CAD模型直接导入到CAE软件中。但由于CAD和CAE软件在拓扑标识和几何元素定义方面并不完全一致，在不同系统之间转换模型时会出现拓扑关系逼近和几何元素重构[1]。这样往往会产生模型信息的丢失和冗余，需要在具有强大有限元前处理功能的软件中修复模型。即便如此，CAD模型仍不能直接用于有限元分析，还必须事先进行几何特征的简化、网格的划分、材料和截面属性的定义、约束和载荷的施加等一系列的前处理。对于接口兼容性差的软件，则只能重新手动建模，CAD/CAE集成更是无从谈起。此外，一旦发生设计变更，CAD模型的一点微小变动都可能会导致有限元分析的前处理工作重新进行。因此，如何快速、准确、高质量地进行自动化有限元建模一直是CAD/CAE集成的研究热点[2]。

1 CAD/CAE集成新方法研究

传统的CAD/CAE集成方法不仅要求CAD/CAE软件的数据交换接口高度兼容，而且还需要耗费大量的精力进行模型修复和一系列的前处理工作。对于结构非常复杂的CAD模型，该方法仍具有较高的应用价值。但是对于结构相对简单的CAD模型，例如核级管道、支架等，这种集成方法则过于复杂，其前处理的工作量不亚于重新建模。

与CAD模型相比，在有限元分析中采用的是经过简化特征、删除细节、降维表达后的抽象化和离散化的有限元模型，它需要的只是网格数据，如节点和单元信息，即便是载荷和位移约束最终也必须都反映到节点和单元上来[3]。本文针对传统CAD/CAE集成方法的不足，提出了一种新的CAD/CAE集成方法，即对CAD和CAE软件进行二次开发，将CAD模型数字化，再将数字化模型直接转换为能用于有限元分析的网格数据，不仅解决了传统CAD/CAE集成方法中软件接口兼容性的问题，而且省去了有限元模型修复和前处理环节。

关于新的CAD/CAE集成方法，核电行业进行了相关研究，并且取得了一定的成果。法国核电巨头AREVA公司在PDMS和ANSYS软件的基础上二次开发了管道力学分析软件APA，已应用于EPR三代核电站的核级管道力学分析。ADEXFLOW INTERNATIONAL公司为PIPESTRESS和PDMS软件开发了集成软件DUAL-P，可以直接将PDMS三维管道模型导入到PIPESTRESS中，生成有限元模型，并能够对计算结果进行后处理，输出计算报告，已广泛应用于欧美发达国家的核电工程中。上述软件均是针对核级管道分析开发的CAD/CAE集成软件，但是目前市场上缺少与核级支架分析相关的集成软件。

2 CAD/CAE集成在核级支架分析中应用的必要性

在核电厂中，大量的核级支架分布于各个厂房中。在进行核电工程设计时必须对这些支架进行抗震分析，以确保其在运行基准地震（OBE）和安全停堆地震（SSE）的作用下仍有足够的强度、刚度和稳定性。

在某核电项目的工程设计中，PDMS和RSTAB软件分别被指定用于核级电缆桥架支架的设计和抗震分析。由于PDMS和RSTAB软件的接口兼容性差，所以在利用RSTAB软件对电缆桥架支架进行抗震分析时，需要从PDMS三维模型中查看相关信息，在软件中手动建立有限元模型。但是重新建模工作量大，耗时长，导致分析人员难以及时验证电缆桥架支架设计及其变更的合理性，严重影响了电缆桥架支架的设计进度。此外，电缆桥架支架的CAD模型和CAE模型分别由不同专业建立，无法确保在整个设计周期中模型信息传递的准确性。因此，开发一款集成工具用于PDMS和RSTAB软件模型数据的交换，实现从CAD软件到CAE软件的无缝连接，势在必行。

3 CAD/CAE集成新方法应用实例

本文以核级电缆桥架支架为研究对象，利用新集成方法开发出了支架的CAD/CAE集成工具，并成功应用于某核电项目的工程设计中。

3.1 研究对象介绍

核级电缆桥架支架固定在核电厂建筑物的预埋板、锚固板或钢结构上，用于支撑托盘、梯架和电缆（如图1所示）。它属于抗震I类设备[4]，所以除了能承受托盘、梯架相应规格、层数的额定均布荷载及其自重[5]外，还必须具有良好的抗震性能。因此，对电缆桥架支架进行抗震分析是验证电缆桥架支架设计合理性必不可少的手段。

3.2 开发语言的选择

RSTAB是一款三维框架结构分析的软件，用于计算结构件的应力、变形、稳定性和支承反力。RSTAB软件提供了多种数据格式的导入接口（如图2所示），但是接口选择取决于它与PDMS软件的兼容性。

图2 RSTAB软件的导入接口

PDMS是一款对外输出接口很少的三维设计软件，目前仅支持输出RVM格式和批处理文件，均与RSTAB软件的导入接口不兼容。但是它拥有开放的开发环境，利用内置的开发语言PML（Programmable Macro Language）可以方便地在PDMS中进行二次开发（如图3所示），将PDMS三维模型转化为Excel数据格式的数字化模型（如图4所示）。

图3 电缆桥架支架的PDMS模型信息提取工具

综上所述，本文选择Excel作为接口进行PDMS和RSTAB软件集成工具的开发。另外，Excel VBA（Visual Basic for Applications）具有强大的运算与分析能力[6]，也为两种软件的无缝集成提供了便利。

3.3 CAD/CAE集成工具的开发

首先，利用PML在PDMS中将电缆桥架支架的模型信息转化为数字化模型，其中包含了电缆桥架支架的各种属性如支架类型和尺寸、托盘和梯架信息、电缆及其防火材料信息、与支架相连的预埋板或锚固板信息等。

其次，利用VBA对这些数据进行综合分析后分别生成有限元模型的节点坐标、材料和截面属性、单元信息、约束、载荷等（如图5所示）。

图4 电缆桥架支架数字化模型的部分数据

图5 VBA生成的部分有限元模型信息

3.4 有限元模型的导入与验证

利用开发的集成工具快速生成电缆桥架支架有限元模型的各种信息，再用RSTAB软件提供的Excel接口导入相关模型信息（如图6所示），最后重构电缆桥架支架的有限元模型。

图6 有限元模型导入界面

通过对导入的有限元模型（如图7所示）进行详细检查，发现该模型的精度完全满足电缆桥架支架的计算要求。

图7 含Z向集中静载的电缆桥架支架有限元模型

4 结束语

由于核电项目中的核级电缆桥架支架数量众多，传统的支架分析方法不仅在设计质量上存在隐患，而且在工程进度上也难以满足项目的要求。在深入研究电缆桥架支架的PDMS三维模型的数据结构和RSTAB软件接口特点的基础上，利用PML和VBA开发出了将支架的PDMS三维模型快速转化为数字化有限元模型，从而进一步转化为RSTAB软件能自动识别的有限元模型的集成工具,将每个支架的有限元模型前处理时间由平均50分钟缩短至1秒以内。

该集成工具不仅填补了PDMS和RSTAB集成软件的空白，实现了二者的无缝连接，为探索新的CAD/CAE集成方法作出了成功的尝试，而且首次应用于核电项目的工程设计中，减少了模型信息在跨专业传递过程中的错误，提高了支架的力学分析效率和设计质量，加快了支架“设计-验证-再设计”的迭代过程。在保障该核电项目电缆桥架支架设计工作顺利进行的同时，节省了大量的人力，取得了显著的经济效益。

[1] 党松,莫蓉,常智勇,等.CAD/CAE集成中的几何模型转换方法研究[J].现代制造工程,2007,(12):48.

[2] 张培培,陶华,顾小锋.CAD/CAE集成中参数化有限元建模的研究[J].现代制造工程,2006,(9):62.

[3] 谢世坤,黄菊花,杨国泰.CAD/CAE集成中的有限元模型转换之研究[J].中国机械工程,2005,16(5):429.

[4] 杨德生,孙柏涛,胡少卿.核电站用钢制梯架式电缆桥架抗震性能研究[J].世界地震工程,2008,24(2):55.

[5] 中国工程建设标准化协会.钢制电缆桥架工程设计规范CECS31:2006[M].北京:中国计划出版社.

[6] 罗刚君,章兰新,黄朝阳.Excel 2010 VBA编程与实践[M].北京:电子工业出版社,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