一种核电站管道自动化分析前后处理平台的制作方法

本发明涉及一种核电站管道分析自动化前后处理平台，主要应用于cap系列三代核电站管道力学计算的前处理和后处理过程。

背景技术：

cap系列三代非能动压水核电站中大概有700多个核级及非核级管道包需要进行力学分析。管道力学分析计算需要编写fre有限元模型文件代码，采用pipestress软件进行计算。主要过程：首先根据布置管道轴测(iso)图建立初步几何模型。iso图中不但包含管道，还包含大量如法兰、穿墙件、阀门、三通等管部件及其标准信息，而这些管部件建模所需的具体物理参数需要手工到规范中查取，其过程中有多次重复劳动耗费大量人工时且极易出错；再有，管线运行工况(温度和压力)信息、截面保温层信息，管道材料信息需分别通过pipestress的oper卡、cros卡、matl卡等与几何模型中的管线逐个进行匹配，但是由于每个管道包的管线数量，运行工况，材料信息和截面信息众多，所以手工匹配易出错；再有，需要根据生成的几何模型的标高信息和抗震类别信息将地震载荷以及热胀、地震、地震二次项等单工况和组合工况手工添加在几何模型的最前面。通过以上步骤生成可提交pipestress计算的fre文本文件。完成计算后，需要手工填写包含各类管部件接管节点、工况等信息的ppi文件，用以提取最终各个管部件的载荷，并与上游专业提供的许用值进行比较评价，对于评价不通过的需要修改模型重新计算，评价完全通过后需要手工编制管道力学报，需要强调的是管道包力学分析所有的设计输入、计算输出的文件及大量的结果载荷表格都要手工编写在报告中，工作量大，且难免人因差错。另外，在管道力学分析中，由于阀门的设计和实际加工制造产品存在偏差，因此阀门的升版和变更较频繁，而某型号阀门可能会出现在不同系统的很多个管道包中，所以若某一型号阀门升版，对应的管道包均需要升版计算，工作量也很大。除了阀门外，其它各类上游专业输入信息也会在设计-改进-设计过程中不可避免的出现多次升版的现象，导致作为最下游的管道力学分析工作量显著增加。

综上所述，管道力学分析专业作为核电站管道设计的最下游专业，其上游有提供管道轴测图的布置专业，提供管道运行温度和压力的系统专业，提供地震载荷的结构专业，提供阀门信息的设备专业等，决定了力学专业的接口众多，而在数据传输过程中自动化程度低，最终导致在管道设计-改进-设计的过程中出现大量管道计算工作，编制和校审人员都要花费大量时间去重复简单的工作，效率极低。

技术实现要素：

本发明针对现有技术的不足，提出一种核电站管道自动化分析前后处理平台。

本发明提供一种核电站管道自动化分析前后处理平台，其通过局域网及专门的数据库服务器实现平台连接和数据交换，且通过管道力学分析生成算文件、自动提取结果并编制报告以及支撑前后处理过程所需的数据参数。

优选地，所述管道力学分析流程包括为前处理部分、后处理部分、数据库部分以及核心开发程序，所述前处理部分用于生成算文件，所述后处理部分用于自动提取结果并编制报告，所述数据库部分用于支撑前后处理过程所需的数据参数。

优选地，首先所述前处理平台依据数据更新几何模型中管部件信息，并通过调整模型尺寸，保证部件尺寸正确和模型整体尺寸不变；管部件信息可直接到数据库的规范中查取；非标准件尺寸信息来自于设备和贯穿件信息非标准件数据库，贯穿件需要计算并输入刚度，在调整尺寸的同时也需要根据相应的参数信息建立相应的贯穿件模型；与管部件信息更新类似，前处理平台将管线等级、材料、截面、运行温度和压力信息与初步几何模型中管线信息自动匹配，以上各项功能均可在前处理界面中仅需点击相应选项即可自动匹配；。

优选地，然后前处理平台会根据上述生成模型中连接设备、支撑等物项的生根位置，自动根据响应谱数据库匹配相应的响应谱文件，最终自动生成管道计算所需响应谱。

优选地，最后前处理平台通过工况生成功能，自动生成地震、重力、热胀、地震、管道破裂以及阀门开关冲击单工况载荷，然后基于cap系列管道设计准则，自动组合单工况载荷形成组合工况。

优选地，前处理过程中用到的数据信息传递一少部分来自于界面输入，另一部分来自于数据库，通过前处理平台处理后初步几何文件转换为可直接提交pipestress计算的fre有限元模型文件。

优选地，计算后的结果文件包括：单工况结果文件(.prl)和组合工况结果文件(.prc)、command文件以及restart文件，结合这些文件后处理平台可进行结果后处理；依次点击“提取信息”及“生成ppi”选项，后处理平台自动识别并提取部件单元节点信息，然后再对各工况结果进行组合，自动生成对应管部件节点和工况信息的控制文件(.ppi)，点击后处理界面中的“运行postr”即可输出对应管部件的ppo文件；后处理平台可自动解析ppo文件；后处理平台会将解读出的各个管部件的结果与数据库中许用载荷对比，供后续的载荷评价和报告编制；同样，后处理平台也可解读出prl、prc文件中的：节点位移、单元应力以及最大应力，供后续评价和报告编制；鉴于prl，prc文件因op、eq、坐标系等选项不同使得格式多变，后处理平台采用枚举的方法来解析；通过文字替换word模板中某些固定的标识符，文字和标识符以xml格式保存，tag属性为标识，节点内容为替换文字，考虑管道等级的选项，结合后处理平台解读的prl/prc、ppo文件结果信息，实现报告自动编制。

优选地，后处理过程中生成的阀门以及设备接管载荷统计报表均可保存在数据库中，方便项目统计。

优选地，还包括数据库模块，用于支撑前后处理过程中数据存储和传输；所述数据库模块分为结构化数据库和非结构化数据库，所述结构化数据库用于管理规范相关的标准件的信息储存，所述非结构化用于会基于项目的变化而变化的非标准件的存储，数据库中设置了权限和操作日记录志功能，使得数据库中数据的准确性和可追溯性得到保证。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明提供的核电站管道自动化分析前后处理平台，基于c++语言开发的用于管道力学计算的自动化前后处理平台，设计了人性化的操作界面和完备的数据库。其中数据库作为前后处理平台的数据支撑，涵盖了所有的标准件如法兰，螺帽，管道和非标准件参数信息，也包含了管道工艺参数、材料、地震载荷等非标准件信息。前处理平台可以识别出初步几何模型中的法兰、阀门、贯穿件、螺帽等管部件信息，并根据数据库模块获取相应参数，再将物理参数信息更新；也可以识别出几何模型中管线信息，并结合数据库中信息，自动匹配管线的截面信息、管线运行工况及材料参数，并自动添加载荷工况、匹配地震载荷输入等，自动生成可提交求解计算的管道分析有限元模型fre文件，后处理平台可依据fre文件自动后处理、评价结果并可自动编制完整的管道力学分析报告，实现分析报告一键式完成功能。本发明实现了整个核电站管道力学计算前后处理的自动化，显著提高了管道分析的效率和质量。

2、本发明提供的核电站管道自动化分析前后处理平台，实现cap系列三代核电厂管道应力分析前后处理过程的自动化，使得人工干预最小化，产品质量最优化，计算效率最高化。

附图说明

图1符合本发明优选实施例的平台c/s架构图

图2符合本发明优选实施例的管道力学分析流程图

图3符合本发明优选实施例的结合数据库的管部件模型更新

图4符合本发明优选实施例的热工况数据格式

图5符合本发明优选实施例的前处理界面的基本设置

图6符合本发明优选实施例的响应谱匹配流程图

图7符合本发明优选实施例的载荷工况生成流程图

图8符合本发明优选实施例的后处理流程

图9符合本发明优选实施例的后处理界面

图10符合本发明优选实施例的ppo文件后处理

图11符合本发明优选实施例的prl/prc文件解析

图12符合本发明优选实施例的报告编制模板

图13符合本发明优选实施例的阀门批量升版设计流程

图14符合本发明优选实施例的阀门批量升版操作界面

图15符合本发明优选实施例的结构化数据库

图16符合本发明优选实施例的非结构化数据库

图17符合本发明优选实施例的导入前预设置界面

图18符合本发明优选实施例的导入后预设置界面

图19符合本发明优选实施例的工况生成设置

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明采用c++语言编制，适用于windows系列操作系统，采用c/s工作架构，参照图1，通过局域网及专门的数据库服务器实现平台连接和数据交换。管道力学分析流程如图2所示，其中虚线框内为前处理部分，用于生成算文件，点划线框内为后处理部分，用于自动提取结果并编制报告，其中椭圆框内为数据库部分，用于支撑前后处理过程所需的数据参数，方形框内为本发明的核心开发程序。

首先前处理平台依据数据更新几何模型中管部件信息，并通过调整模型尺寸，保证部件尺寸正确和模型整体尺寸不变，其设计流程如图3所示。管部件信息如法兰、螺帽等标准件，可直接到数据库的规范中查取；阀门、贯穿件等非标准件尺寸信息来自于设备和贯穿件信息非标准件数据库，特别的是贯穿件需要计算并输入刚度，所以在调整尺寸的同时也需要根据相应的参数信息建立相应的贯穿件模型。与管部件信息更新类似，前处理平台会将管线等级、材料、截面、运行温度和压力信息(如图4)与初步几何模型中管线信息自动匹配，以上各项功能均可在前处理界面中仅需点击相应选项即可自动匹配，界面设置参照5。然后，前处理平台会根据上述生成模型中连接设备、支撑等物项的生根位置，自动根据响应谱数据库匹配相应的响应谱文件，最终自动生成管道计算所需响应谱。响应谱匹配生成的流程如图6所示。最后，前处理平台通过工况生成功能，自动生成地震、重力、热胀、地震、管道破裂、阀门开关冲击等单工况载荷，然后基于cap系列管道设计准则，自动组合单工况载荷形成组合工况，设计流程如图7。

以上前处理过程中用到的数据信息传递一少部分来自于界面输入，大部分来自于数据库，通过前处理平台处理后初步几何文件转换为可直接提交pipestress计算的fre有限元模型文件。计算后的结果文件包括：单工况结果文件(.prl)和组合工况结果文件(.prc)、command文件，restart文件等，结合这些文件后处理平台可进行结果后处理，后处理的流程参照图8，后处理平台界面参照图9。依次点击“提取信息”及“生成ppi”选项，后处理平台自动识别并提取部件(包括：阀门、设备接管、法兰、穿墙件)单元节点信息，然后再对各工况结果进行组合，自动生成对应管部件节点和工况信息的控制文件(.ppi)，点击后处理界面中的“运行postr”即可输出对应管部件的ppo文件。后处理平台可自动解析ppo文件，解析过程设计参照图10。后处理平台会将解读出的各个管部件的结果与数据库中许用载荷对比，供后续的载荷评价和报告编制。同样，后处理平台也可解读出prl、prc文件中的：节点位移、单元应力、最大应力等，供后续评价和报告编制。鉴于prl，prc文件因op、eq、坐标系等选项不同使得格式多变，后处理平台采用枚举的方法来解析，具体处理流程参照图11。通过文字替换word模板中某些固定的标识符，参照图12，文字和标识符以xml格式保存，tag属性为标识，节点内容为替换文字，另外还考虑了管道等级的选项，结合后处理平台解读的prl/prc、ppo文件结果信息，实现报告自动编制。此外，后处理过程中生成的阀门、设备接管载荷等统计报表均可保存在数据库中，方便项目统计。

本发明开发了阀门批量升版技术以解决阀门升版带来的工作，其主要设计思路是根据当前阀门数据版本和目标数据版本，阀门结构关键点的位置坐标，通过坐标变换，实现阀门的升版。具体的设计流程参照图16，平台操作界面参照图17。

本发明中的数据库模块用于支撑前后处理过程中数据存储和传输。数据库模块分为结构化数据库和非结构化数据库，结构化数据库主要用于管理规范相关的标准件的信息储存，非结构化的主要用于会基于项目的变化而变化的非标准件的存储，数据库中设置了权限和操作日记录志功能，使得数据库中数据的准确性和可追溯性得到保证，数据存储和设计流程可参照图15和图16。

综上所述，本发明的主要研究内容包括：

1)本发明提供了自动添加单工况和组合工况载荷，如自重、热胀、动力载荷和地震载荷等的方法；自动匹配管线等级、管线运行温度压力、管线材料和截面的功能；自动添加和调整包含管部件法兰、阀门、贯穿件、螺帽等管部件信息的几何模型；

2)本发明提供了自动读取各个管部件的载荷，并进行自动评价的算法，也提供了分析报告自动编制的功能；

3)本发明提供了阀门批量升版的功能；

4)本发明提供了实现前处理平台各项功能的界面设计；

5)本发明提供的数据库模块建立了完备的数据库，并具备数据的维护以及权限管理功能，是前后自动化处理平台强大的数据支撑。

步骤一、参照图5，在前处理界面点击“导入前预设置”，参照图17选择相应的项目名称、各种管部件的数据库版本以及转换方式等，然后将初步几何模型导入，再进行“导入后预设置”，参照图18对生成计算文件的编号、精度等进行设置，再一次点击“截面管理”、“材料管理”、“热胀工况管理”，“响应谱生成”等，并点击“工况生成”参照图6，填入管道包的基本载荷信息后保存，通过以上操作后的计算文件中信息已经自动更新：包含完备的几何信息代码即管道标准件、支撑、贯穿件、法兰、阀门模型的建立，以及管道截面的定义、管道等级的定义、管道材料的定义；包含完备的载荷信息代码即各管线运行温度和压力定义、自重、热胀、地震和特殊载荷工况水力、风雪及沉降载荷工况的单工况和组合工况的定义。通过以上操作后已经完成计算流程图2中虚框内全部的前处理内容，通过点击前处理界面中“提交计算”提交pipestress进行计算。

步骤二、结合计算结果，参照图9后处理界面，依次选择单元类型、选择fre文件，点击“提取信息”，“运行postr”、“读取结果”、“导出结果”，后处理平台自动解析管部件在各工况下的应力和位移、自动提取并结合数据许用值自动评价，通过选择导入“prl/prc”，后处理平台会完成管道应力的提取和评价，若评价通过，基于后处理界面导入管道应力再选择“生成报告”即可一键将计算结果和计算过程中相关的设计输入填入报告模板，并生成最终的word版本分析报告，另外后处理平台也可汇总结果，分类统计各个部件的结果信息，生成统计报表。对于评价不通过的管道需要修改管道布置重新计算。通过以上操作后就完成了计算流程图2中点划线内的全部的后处理内容。

步骤三、本发明设计了批量阀门数据升版功能，参照图17选择当前阀门数据版本和目标阀门数据版本，导入需要升版的fre，点击“阀门统计”、点击“批量升版”，批量升版模块可自动识别阀门的方向、阀杆朝向等信息，并完成阀门数据的升版工作，更新fre文件中的代码。

本发明在三代核电站管道力学分析中实施后，首先节约了人力成本：按照一个管道包平均10张管道立(iso)图计算，原来手工完成fre文件、手工后处理结果文件、手工编制报告需要花费2个工作日，应用本发明后整个过程共需2个小时，至少将工作效率提高了8倍；另外，本发明的数据库模块能够为分析模型提供标准化的数据信息支持，实现了建立标准化形式的计算模型，显著提高文件质量，降低成本人力成本，带来客观的经济效益。

与现有技术相比，本实施例具有以下有益效果：

1、本发明提供的核电站管道自动化分析前后处理平台，基于c++语言开发的用于管道力学计算的自动化前后处理平台，设计了人性化的操作界面和完备的数据库。其中数据库作为前后处理平台的数据支撑，涵盖了所有的标准件如法兰，螺帽，管道和非标准件参数信息，也包含了管道工艺参数、材料、地震载荷等非标准件信息。前处理平台可以识别出初步几何模型中的法兰、阀门、贯穿件、螺帽等管部件信息，并根据数据库模块获取相应参数，再将物理参数信息更新；也可以识别出几何模型中管线信息，并结合数据库中信息，自动匹配管线的截面信息、管线运行工况及材料参数，并自动添加载荷工况、匹配地震载荷输入等，自动生成可提交求解计算的管道分析有限元模型fre文件，后处理平台可依据fre文件自动后处理、评价结果并可自动编制完整的管道力学分析报告，实现分析报告一键式完成功能。本发明实现了整个核电站管道力学计算前后处理的自动化，显著提高了管道分析的效率和质量。

2、本发明提供的核电站管道自动化分析前后处理平台，实现cap系列三代核电厂管道应力分析前后处理过程的自动化，使得人工干预最小化，产品质量最优化，计算效率最高化。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本领域技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

显然，本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。