一种管道系统有限单元法力学计算模型制作方法 【技术领域】
本发明涉及核电站核级管道的力学计算需要的管道有限元计算的前处理，具体涉及一种管道系统有限单元法力学计算模型制作方法。
背景技术
目前管道计算的有限单元法力学计算模型的建立一般都是需要根据计算程序的输入数据要求，对设计图纸反复地进行不同内容的描述，其数据输入过程如图1所示：先对计算节点，然后对管道单元，再对管道材料、边界条件等多次地重复输入描述说明数据。对于设计工况条件下的分析应力的评定，管道支撑载荷的输出也需要用户再一次地明确给出分析评定要求和载荷输出说明。而对于一些共性的输入条件程序不能自动识别，也需要计算者反复地输入，如小管道的承插焊条件。使用该方法建立管道计算有限元模型，不但输入计算模型的效率不高，而且经常会因为多次定义的不一致而出错。
并且由于有上述的输入要求，需要计算模型数据准备人员对管道评定规范有深入的了解，例如抗震计算时的地震强度等级与应力评定的关系，还有与阀门计算加速度输出结果的关系等，因此对计算程序使用人员的要求较高。上述因素降低了管道分析的效率，也使出错的可能性加大。采用此类方法会导致管道计算需要的时间很长，而核电站管道的计算量非常大，因此严重影响了核电站核级管道的力学计算效率。
【发明内容】
本发明的目的在于提供一种工作过程简单、效率高、易于操作的管道系统有限单元法力学计算模型制作方法。
实现本发明目的的技术方案：
一种管道系统有限单元法力学计算模型制作方法，包括以下步骤：
(1)定义数据参数格式，包括坐标参数、弯头参数、坐标偏移参数；
(2)制备前处理模型输入数据文件：根据管道题目设计图纸，制作前处理模型输入数据文件，该数据包括控制数据和模型描述数据，控制数据对于整个计算题目起作用，模型描述数据用于说明点坐标、管道截面、尺寸、支撑点等特性；
(3)经过处理程序，在计算机中生成有限单元法力学计算的模型数据：
a.读入前处理模型输入数据文件中数据，根据数据信息计算出管道截面的相关参数，包括管道线密度、最大动力计算允许长度；
b.确定所有点的坐标；
c.根据最大动力计算允许长度对管道进行细分，使管道单元长度不大于最大动力单元长度；
d.将输入点转换成有限单元计算需要的节点；
e.生成管道计算所需数据信息；
(4)根据得到的模型数据，按照计算程序要求制作管道系统有限单元法力学计算模型文件。
如上所述的一种管道系统有限单元法力学计算模型制作方法，步骤2中模型描述坐标的说明分直管和弯管两种情况，整个模型的描述分确定坐标和不确定坐标。
如上所述的一种管道系统有限单元法力学计算模型制作方法，步骤3中生成的管道计算所需信息包括评定规范、载荷条件、节点坐标、支撑约束方向、节点温度、截面数据、焊接条件、集中质量、输出要求。
如上所述的一种管道系统有限单元法力学计算模型制作方法，节点坐标可采用绝对坐标输出，或者相对坐标输出，或者流动坐标输出。
本发明的效果在于：用户不必多次的重复输入各类信息，只需一次性地进行描述，管道计算的效率得以大幅度的提高。并且对模型准备用户的要求也大大的降低了，只需知道管道的规范等级和抗震等级，而不用管计算中需要考虑的计算程序的要求，如最大单元长度要求，阀门计算最大加速度输出要求等。甚至用户不必关心节点与单元的存在。程序还允许用户输入计算公式，对于不同工程师在图纸中多点间的不同尺寸的标识习惯，以前的程序要求模型数据输入人员给出具体尺寸，人们在准备输入数据时手边都要准备一个计算器。在使用本方法输入计算模型时，完全可以不用计算器。
【附图说明】
图1为现有的制作有限单元法力学计算的输入模型数据文件的流程图；
图2为本发明所提供的一种管道系统有限单元法力学计算模型制作方法流程图；
图3为图2中生成有限单元法力学计算的模型数据的流程图；
图4为实施例中由带弯头的管道图计算弯头两端的端点的示意图；
图5为实施例中从已知的第1点和第2点坐标计算偏移D距离的坐标点的图形；
图6为实施例中从已知的第1点和第2点坐标计算偏移D距离的坐标点的图形。
【具体实施方式】
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。
如图2、图3所示，一种管道系统有限单元法力学计算模型制作方法，包括以下步骤：
(1)定义数据参数格式，包括坐标参数、弯头参数、坐标偏移参数；
(2)制备前处理模型输入数据文件：根据管道题目设计图纸，制作前处理模型输入数据文件，该数据包括控制数据和模型描述数据，控制数据对于整个计算题目起作用，模型描述数据用于说明输入点坐标、管道截面、尺寸、支撑点等特性。该数据文件先是控制数据，接下来是按照设计图纸中的管道路径走向进行一次性地对管道几何和物理以及工程运行条件的描述。建立了计算题目，有了规划好的计算模型输入路径的设计图纸后，就可以制备前处理模型输入数据文件了。只要按顺序输入管线数据即可：先给出定义整个计算模型的控制数据，然后定义管道的截面参数包括管道的外径和壁厚，定义管道弯曲半径；接下来灵活的使用坐标参数、弯头参数、坐标偏移参数等数据参数的不同格式开始一段管线的输入。当遇到截面变化时，用截面参数说明，当遇到弯管半径变化时，用管道弯曲半径参数说明。当管道温度变化时，用温度参数说明。当遇到支撑时，用支撑参数说明。当输入到达管道端部，需要从一个已经定义过的点开始新的分支定义时，用分支参数指出重新开始的起始点号。用户只需这样完整地对整个模型进行描述即可。由这个过程可以看出，使用此方法的人根本无需知道有限元计算和管道计算程序对输入数据的要求。
(3)经过处理程序，在计算机中生成有限单元法力学计算的模型数据：
a.由数据读入模块读取前处理模型输入数据文件中数据，根据数据信息计算出管道截面的相关参数，包括管道线密度、最大动力计算允许长度；
b.确定所有点的坐标。对于每个不确定的点，找出前后确定的点，再求出该点的具体位置。坐标点的计算方法下面举例说明：对于弯管单元，通常图纸上只标记出参考点的坐标值，而管道有限元计算程序需要输入弯管单元的起末点坐标，即图4中的a、b两点坐标，只用简单几何方法就可以求出任意方位的坐标值。对于直管的描述比较简单，如图5、图6所示，首先需要给出一个起始点，然后再给出的点可以是相对于已定义的点的偏移D，此时中间点坐标就可计算得到。
c.根据最大动力计算允许长度对管道进行细分，使管道单元长度不大于最大动力单元长度，根据动力计算要求最大单元长度插值求出所有节点坐标，最大单元长度为其中是截面惯性矩，W是管道单元的线重量，节点信息中包括焊缝说明信息。
d.将输入点转换成有限单元计算需要的节点。删除模型中不必要点，这些点是坐标临时计算所需要的；如果用户要求全部自动生成节点，程序自动重新编排节点号。否则保留用户输入的点号，只重排程序生成的节点号；
e.按照管道计算要求生成管道计算所需信息，包括输出节点坐标、单元信息、单元材料、约束点边界条件；根据管道等级和抗震等级输出计算工况条件；输出计算用反应谱和各个工况的计算节点温度；输出计算求解要求和应力评定要求；输出穿墙点位移、设备接管嘴载荷、以及支撑载荷输出要求。节点输出时可以有三种选择：绝对坐标输出、或者相对坐标输出或者流动坐标输出。程序计算得到的是绝对坐标，如用绝对坐标输出最简单，直接输出即可，如：
N/X Y Z
其中N是节点号，X、Y和Z是N节点的坐标值。
如用相对坐标输出也较简单，如：
N/DX DY DZ
其中N是节点号，DX、DY和DZ是本节点相对于前一个节点的偏移。
流动坐标是指每个节点的坐标都是相对于前一个点的偏移，但偏移的方向总是活动的，它总是由前一个点指向当前点的。这时指定的坐标由两个方向角和一个偏移量确定。输入节点时只是指定一个偏移量，但要给出方向角。如：
RELA PSI＝ψTHETA＝θ
N/D
其中N节点号，D是本节点相对于前一个节点的偏移量，ψ、θ是两个方向角。使用此方法对坐标进行描述的好处在于：核电站中有很多管道布置在环形空间内，图纸上标注的经常是不确定方向的长度，此时该方法给定的尺寸更有利于输入数据的检查。
(4)根据得到的模型数据，按照计算程序要求制作管道系统有限单元法力学计算模型文件。
管道系统有限单元法力学计算模型作为管道有限单元法计算程序如法国SYSPIPE程序的输入，经程序运行后得到计算结果。
对于管道的模型描述可以按照设计图纸路径逐点的进行说明，此说明工作只需一次性描述完成即可。而且此说明方法非常灵活方便，例如根据图纸指出此点是由上一个点偏移多少确定的，如图6所示；也可以是相对下一个点的偏移距离，如图5所示。模型描述中输入的点可以是绝对坐标，也可以是相对坐标，有的点是确定位置的点，有的点是不确定位置的点，例如只给出偏移距离的点，甚至可以给出距离还没有出现的下一个点的距离，如图5中的N点。对于支撑可以完全按照工程项目标识给出，程序可以自动转换成有限单元法计算的约束自由度。最后程序将根据计算程序的要求，自动生成所有的数据，如节点、单元、单元材料、约束节点等。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。倘若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，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。