余權舟 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)的支吊架力學分析采用手動計算方式，該方式過程繁瑣、費時耗力且容易出錯，難以滿足工程迭代設計要求及改造項目有限施工窗口期需求。文章在總結常規(guī)支吊架特點基礎之上，通過支吊架模板化、參數(shù)化設計，運用VB編程語言、Access數(shù)據(jù)庫，采用功能模塊化設計思想及函數(shù)調(diào)用機制，開發(fā)了支吊架力學分析自動化工具，實現(xiàn)了支吊架力學分析及報告輸出等工程任務的自動化。所開發(fā)的程序已運用到某核電站支吊架改造項目中。程序的開發(fā)及應用提升了工作效率，提高了計算準確度，減輕了工作強度，節(jié)約了人力成本，滿足了工程迭代設計要求及改造項目有限施工窗口期需求。

關鍵詞：支吊架;參數(shù)化;VB;自動化

中圖分類號：TH122? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：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

在目前國內(nèi)核電產(chǎn)業(yè)發(fā)展的大背景下，核電廠設計、采購、建造周期越來越短，對核電工程設計的快速迭代能力和面對工程變更的快速響應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)過力學分析的設計圖紙，這就對傳統(tǒng)基于手動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，是核電廠中各個管道系統(tǒng)的重要組成部分。同時，由于其數(shù)量龐大，種類繁多，支吊架力學分析的工作量通常很大。管道支吊架力學分析包括力學計算和分析評定兩部分工作內(nèi)容。其中，力學計算指通過手動或計算機輔助形式計算支吊架在所受載荷作用下的應力計算值，分析評定指根據(jù)規(guī)范或設計準則要求計算支吊架的應力許可值，應力計算值不能超過應力許可值。

管道支吊架力學分析傳統(tǒng)手動工作流程如圖1所示。其工作內(nèi)容主要分為五個部分，即：（1）模型建立：即手動建立管道支吊架力學模型。（2）載荷加載：根據(jù)管道力學分析輸出結果及支吊架設計準則要求，將解析的工況載荷手動加載到力學模型中，生成支吊架力學分析模型。（3）力學計算：借助有限元分析軟件等，完成管道支吊架力學計算。（4）分析評定：評定內(nèi)容主要包括標準件、鋼結構單元、焊縫、剛度及撓度等。（5）報告編制：匯總力學計算及分析評定結果，編制管道支吊架力學分析報告。

支吊架力學分析傳統(tǒng)手動工作方式，弊端明顯。具體表現(xiàn)為：（1）過程繁瑣，費時耗力：機械重復的手動建模、分析評定及報告編制，往往涉及較大的工作量，不能充分滿足核電站迭代設計及改造工程有限施工窗口期需求。（2）出錯率高：過多的人為操作不可避免的引入人為錯誤和累積誤差。（3）人力成本高：要滿足核電站迭代設計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)動的、可視化編程工具，它擁有圖形用戶界面（GUI）和快速應用程序開發(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應用程序。利用VB編程語言，可對數(shù)據(jù)進行復雜的處理和分析，實現(xiàn)問題解決方案或場景的自動化。Access開發(fā)軟件具有易學、易用、成本低等優(yōu)點，它是開發(fā)小型管理軟件的一個最佳選擇。GTStrudl是面向土建、機械工程師的有限元通用軟件。該軟件通過嚴格執(zhí)行ISO9000系列標準，經(jīng)過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始終通過美國原子能管理委員會（U.S. Nuclear Regulatory Commission）認證的土木結構分析設計軟件。該軟件具有一般靜力學分析、動力學分析和非線性分析等功能，包含了一系列國際設計規(guī)范，如N690、ASME NF等，能可靠地應用于管道支吊架的力學分析設計。VB編程語言、Access數(shù)據(jù)庫及GTStrudl有限元分析軟件的結合，使得管道支吊架力學分析及報告編制等工程任務自動化的實現(xiàn)成為了可能。

基于傳統(tǒng)手動工作方式的種種弊端，本文在總結常規(guī)支吊架特點基礎之上，通過支吊架模板化、參數(shù)化設計，運用VB編程語言、Access數(shù)據(jù)庫，采用功能模塊化設計思想及函數(shù)調(diào)用機制，開發(fā)了支吊架力學分析自動化工具，實現(xiàn)了支吊架力學分析及報告輸出等工程任務的自動化。所開發(fā)的程序已運用到某核電站支吊架改造項目工程實踐中。

1 程序簡介

1.1 開發(fā)思想

核電站支吊架力學分析自動化程序的開發(fā)思想，主要包含以下五個方面：（1）支吊架參數(shù)化模板設計。將核電站常見的支吊架類型總結為參數(shù)化模板，形成支吊架模板數(shù)據(jù)庫。（2）編程語言等。在Win7系統(tǒng)下，以工程上最常用的VB為編程語言，以Access及Excel為后臺數(shù)據(jù)庫。（3）功能模塊化設計思想。程序開發(fā)中，為了便于程序自身的管理及維護，確保各個功能模塊相對獨立，采用功能模塊化設計思想。（4）函數(shù)調(diào)用機制。在支吊架分析評定開發(fā)中，為了便于后續(xù)將其靈活運用于其他項目或場景中，將其包裝成函數(shù)形式，分析評定中采用函數(shù)調(diào)用機制。（5）一鍵式操作。一鍵式高效完成支吊架力學分析及報告編制，在少量人為干預下，即可一鍵式完成管道支吊架的力學分析及報告編制。

1.2 支吊架參數(shù)化模板設計

作為本自動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定的重要設計輸入，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行局部應力、焊縫、鋼板、標準件評定等。

在模板設計及相關代碼編寫時，本程序已充分考慮了其通用性和適用性，通過局部微調(diào)，即可靈活滿足復雜多樣的支吊架結構形式需求，數(shù)據(jù)庫新增支吊架模板類型時，設計人員只需關注模板本身，將少量的設計輸入相關數(shù)據(jù)信息寫入指定區(qū)域即可。

模板代碼解析時，通過如“約束”、“載荷點”、“焊縫”、“局部應力”、“鋼板”、“標準件”等關鍵詞搜索，自動完成支吊架的力學建模及相應的分析評定。

1.3 程序功能

根據(jù)支吊架力學分析評定準則要求，結合工程項目需求，支吊架力學分析自動化程序的主要功能包括以下幾個方面：（1）管道PPO載荷解析。根據(jù)相關設計準則要求，將管道載荷解析成對應的組合工況形式。（2）支吊架力學分析模型生成。根據(jù)支吊架設計詳圖、支吊架模板及解析的載荷組合工況等，生成支吊架力學分析模型。（3）支吊架力學計算。通過程序GTStrudl調(diào)用，完成支吊架力學計算。（4）支吊架分析評定。根據(jù)力學計算結果，通過函數(shù)調(diào)用，完成支吊架分析評定，包括：a.剛度/撓度;b.標準件;c.型鋼結構;d.連接處焊縫;e.連接處鋼板;f.局部應力。（5）結果匯總及報告編制。根據(jù)支吊架力學計算及分析評定結果，自動完成相關報告的編制。

1.4 程序流程圖

根據(jù)功能模塊化設計思想、函數(shù)調(diào)用機制及功能需求，核電站支吊架力學分析自動化程序主要分為4大功能模塊，即前處理功能模塊、排隊批處理功能模塊、后處理功能模塊及數(shù)據(jù)庫功能模塊。其中：（1）前處理功能模塊：用于完成設計輸入到支吊架力學分析模型的轉(zhuǎn)換。（2）排隊批處理功能模塊：通過GTStrudl程序調(diào)用完成支吊架的力學計算。（3）后處理功能模塊：用于支吊架力學分析評估及報告編制。（4）數(shù)據(jù)庫功能模塊：用于為其他各功能模塊提供后臺數(shù)據(jù)支持。

各功能模塊之間的銜接關系如圖2所示。

2 程序驗證

程序的常規(guī)驗證方法，概括起來，主要有三種，即：（1）實驗驗證，即通過實驗數(shù)據(jù)與程序計算結果對比進行驗證。（2）程序輔助驗證，即通過其他已被證明成熟可用的程序來間接輔助驗證。（3）手動計算輔助驗證，即通過程序編制的理論與純手動評定方式來進行驗證。

本文采用了程序輔助驗證與手動計算輔助驗證相結合的方式。通過設定考題，分別對型鋼單元評定、標準件評定、焊縫評定、局部應力評定及鋼板評定進行了驗證。驗證結果表明本自動化程序與程序輔助驗證及手動計算輔助驗證的結果一致，從而驗證了程序的正確性。

3 結束語

本文在充分研究核電站管道支吊架傳統(tǒng)手動力學分析流程、計算方法、數(shù)據(jù)庫處理、規(guī)范ASME NF及AISC等基礎上，借助Excel平臺、Access數(shù)據(jù)庫、VB編程語言，采用功能模塊化設計思想及函數(shù)調(diào)用機制，開發(fā)了支吊架力學分析自動化工具，實現(xiàn)了支吊架力學分析及報告編制等工程任務的自動化，所開發(fā)的程序已成功運用到某核電站支吊架改造項目工程實踐中，有效滿足了改造項目有限施工窗口期需求。

本自動化程序的開發(fā)與運用減輕了工程設計人員工作強度，提高了管道支架力學分析的準確度，使得效率得到了顯著的提升，節(jié)約了人力成本。程序的運用使得單個支吊架的力學分析，從原傳統(tǒng)手動的1天縮短為5分鐘，提高效率約100倍，若考慮設計優(yōu)化，本程序可為一個標準的第三代核電站帶來幾百萬的經(jīng)濟效益。

程序開發(fā)中，功能模塊化設計思想及函數(shù)調(diào)用機制等的考慮，通過適當調(diào)整，使其可靈活運用于其他核電項目、場景或科研中，擴展了程序的適用范圍。

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