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    关 键 词:
    一种 核电厂 支撑 钢结构 CAD CAE 集成 方法 系统
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    摘要
    申请专利号:

    CN201611161205.3

    申请日:

    2016.12.15

    公开号:

    CN106777687A

    公开日:

    2017.05.31

    当前法律状态:

    实审

    有效性:

    审中

    法律详情: 专利申请权的转移IPC(主分类):G06F 17/50登记生效日:20190102变更事项:申请人变更前权利人:中广核工程有限公司变更后权利人:中广核工程有限公司变更事项:地址变更前权利人:518124 广东省深圳市大鹏新区鹏飞路大亚湾核电基地工程公司办公大楼变更后权利人:518124 广东省深圳市大鹏新区鹏飞路大亚湾核电基地工程公司办公大楼变更事项:申请人变更前权利人:中国广核集团有限公司变更后权利人:深圳中广核工程设计有限公司 中国广核集团有限公司|||实质审查的生效IPC(主分类):G06F 17/50申请日:20161215|||公开
    IPC分类号: G06F17/50 主分类号: G06F17/50
    申请人: 中广核工程有限公司; 中国广核集团有限公司
    发明人: 肖超平; 覃曼青; 秦承军; 倪正超; 沈乐; 杨振; 胡广鹤; 木云飞; 汤亮; 刘康; 钮钐铦
    地址: 518124 广东省深圳市大鹏新区鹏飞路大亚湾核电基地工程公司办公大楼
    优先权:
    专利代理机构: 深圳市顺天达专利商标代理有限公司 44217 代理人: 蔡晓红;柯夏荷
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    法律状态
    申请(专利)号:

    CN201611161205.3

    授权公告号:

    ||||||

    法律状态公告日:

    2019.01.18|||2017.06.23|||2017.05.31

    法律状态类型:

    专利申请权、专利权的转移|||实质审查的生效|||公开

    摘要

    本发明公开了一种核电厂支撑钢结构的CAD/CAE集成方法及系统,其包括CAD系统,用于生成支撑钢结构的CAD模型;CAD/CAE集成工具,用于搜索CAD模型数据,将CAD模型数据转换成能被CAE系统识别的命令流;CAE系统,用于接收命令流,并根据命令流重构支撑钢结构的CAE有限元模型并输出。本发明中的CAD/CAE集成方法和系统可通过提取CAD模型中的关键特征信息,对CAD模型进行拓扑变换,并自动生成CAE软件能识别的数据格式,最终在CAE软件中快速重构有限元模型。同时利用PML开发了支撑钢结构CAD/CAE集成工具,实现了真正意义上的CAD/CAE模型零失真转换。

    权利要求书

    1.一种核电厂支撑钢结构的CAD/CAE集成方法,其特征在于,包括:
    S1、支撑钢结构CAD模型生成:通过CAD系统生成支撑钢结构的CAD模型;
    S2、CAD/CAE模型转换:通过CAD/CAE集成工具搜索所述支撑钢结构的CAD模型数据,将
    所述支撑钢结构的CAD模型数据转换成能被CAE系统识别的命令流,并将所述命令流输出至
    所述CAE系统预留的有限元模型转换接口;
    S3、CAE模型输出:所述CAE系统通过预留的有限元模型转换接口接收所述CAD/CAE集成
    工具自动生成的所述命令流,并根据所述命令流在所述CAE系统中重构所述支撑钢结构的
    CAE有限元模型并输出。
    2.如权利要求1所述的方法,其特征在于,步骤S2中,所述CAD/CAE集成工具的生成步骤
    包括:
    S201、建立能被所述CAE系统识别的国产型材材料数据库;
    S202、通过对所述支撑钢结构的属性进行识别和分析,并在所述CAD系统的数据库中对
    所述支撑钢结构部件的关键特征信息以及逻辑点的载荷信息进行提??;
    S203、确定所述支撑钢结构的CAD模型到CAE有限元模型的拓扑转换关系,确定空间异
    面直线相交与其公垂线交点坐标求解的算法、各种部件加载点的判断识别方法及其坐标点
    求解的算法;
    S204、对所述支撑钢结构进行载荷信息分析,自动生成所述支撑钢结构的载荷数据,并
    施加到相应的单元以及节点上,同时对所述载荷数据进行组合,用于对所述支撑钢结构进
    行评定;
    S205、基于S201-S204中获得的数据资料,利用所述CAD系统的内置语言开发所述CAD/
    CAE集成工具。
    3.如权利要求1所述的方法,其特征在于,步骤S1中,所述能被CAE系统识别的命令流为
    网格数据;所述网格数据包括:节点信息、约束信息、单元信息、加载信息以及载荷组合信
    息。
    4.如权利要求3所述的方法,其特征在于,所述CAD系统为PDMS软件,利用所述PDMS软件
    内置的PML语言在所述PDMS软件的/STRUCTURE数据库中对所述支撑钢结构的关键特征信息
    以及逻辑点的载荷信息进行提??;利用所述PDMS软件内置的PML语言开发所述CAD/CAE集成
    工具。
    5.如权利要求1所述的方法,其特征在于,步骤S2中,所述CAD/CAE集成工具包括:
    添加???,用于将所述CAD模型添加到显示界面并进行显示;
    清除???,用于将所述CAD模型从所述显示界面中清除;
    长度显示???,用于显示所选中的CAD模型中的结构部件的长度;
    规格显示???,用于显示所选中的CAD模型中的结构部件的规格;
    误差测量???,用于测量所述CAD模型中两相邻结构部件的几何模型误差;
    命令流导出???,用于将选中的支架名导入到列表框进行显示,且当列表框中显示至
    少一个支架名时导出所述列表框中所有支架的命令流至命令流显示??楹蛅xt文件;
    命令流显示???,用于显示上述命令流导出??榈汲龅闹Ъ艿拿盍?;
    校核???,用于将所述CAE有限元模型的节点号和/或加载点和/或载荷信息显示在所
    述CAD模型中,便于对其进行校核或将其从所述CAD模型中清除。
    6.一种核电厂支撑钢结构的CAD/CAE集成系统,其特征在于,包括:
    CAD系统,用于生成支撑钢结构的CAD模型;
    CAD/CAE集成工具,其集成在所述CAD系统中,用于搜索所述支撑钢结构的CAD模型数
    据,将所述工程设计结构的CAD模型数据转换成能被CAE系统识别的命令流,并将所述命令
    流输出;
    CAE系统,其预留有有限元模型转换接口,用于接收所述CAD/CAE集成工具输出的所述
    命令流,并根据所述命令流重构所述支撑钢结构的CAE有限元模型并输出。
    7.如权利要求6所述的系统,其特征在于,所述CAD/CAE集成工具的生成步骤包括:
    S201、建立能被所述CAE系统识别的国产型材材料数据库;
    S202、通过对所述支撑钢结构的属性进行识别和分析,并在所述CAD系统的数据库中对
    所述支撑钢结构部件的关键特征信息以及逻辑点的载荷信息进行提??;
    S203、确定所述支撑钢结构的CAD模型到CAE有限元模型的拓扑转换关系,确定空间异
    面直线相交与其公垂线交点坐标求解的算法、各种部件加载点的判断识别方法及其坐标点
    求解的算法;
    S204、对所述支撑钢结构进行载荷信息分析,自动生成所述支撑钢结构的载荷数据,并
    施加到相应的单元以及节点上,同时对所述载荷数据进行组合,用于对所述支撑钢结构进
    行评定;
    S205、基于S201-S204中获得的数据资料,利用所述CAD系统的内置语言开发所述CAD/
    CAE集成工具。
    8.如权利要求6所述的系统,其特征在于,所述能被CAE系统识别的命令流为网格数据;
    所述网格数据包括:节点信息、约束信息、单元信息、加载信息以及载荷组合信息。
    9.如权利要求8所述的方法,其特征在于,所述CAD系统为PDMS软件,利用所述PDMS软件
    内置的PML语言在所述PDMS软件的/STRUCTURE数据库中对所述支撑钢结构的关键特征信息
    以及逻辑点的载荷信息进行提??;利用所述PDMS软件内置的PML语言开发所述CAD/CAE集成
    工具。
    10.如权利要求6所述的系统,其特征在于,所述CAD/CAE集成工具包括:
    添加???,用于将所述CAD模型添加到显示界面并进行显示;
    清除???,用于将所述CAD模型从所述显示界面中清除;
    长度显示???,用于显示所选中的CAD模型中的结构部件的长度;
    规格显示???,用于显示所选中的CAD模型中的结构部件的规格;
    误差测量???,用于测量所述CAD模型中两相邻结构部件的几何模型误差;
    命令流导出???,用于将选中的支架名导入到列表框进行显示,且当列表框中显示至
    少一个支架名时导出所述列表框中所有支架的命令流至命令流显示??楹蛅xt文件;
    命令流显示???,用于显示上述命令流导出??榈汲龅闹Ъ艿拿盍?;
    校核???,用于将所述CAE有限元模型的节点号和/或加载点和/或载荷信息显示在所
    述CAD模型中,并对其进行校核或将其从所述CAD模型中清除。

    说明书

    一种核电厂支撑钢结构的CAD/CAE集成方法及系统

    技术领域

    本发明涉及核电工程设计领域,尤其涉及一种核电厂支撑钢结构的CAD/CAE集成
    方法及系统。

    背景技术

    CAD(即Computer Aided Design,计算机辅助设计)和CAE(即Computer Aided
    Engineering,计算机辅助工程)软件是以数字化技术为核心的核电项目工程中必不可少的
    辅助工具。CAD软件用于产品设计,CAE软件用于对产品的性能进行分析和仿真优化。在核电
    产品的设计过程中,需要对设计专业建立的CAD模型进行有限元分析以验证其机械性能。为
    了避免在CAE软件中重新建模,传统的CAD/CAE集成方法就是将CAD模型直接导入到CAE软件
    中。然而,使用这种传统的CAD/CAE集成方法进行有限元分析还必须有以下前提:CAD软件的
    输出接口和CAE软件的输入接口必须兼容,即有共同的几何模型数据交换标准,目前应用比
    较广泛的数据交换标准有STEP、IGES、DXF、STL等。

    而一旦CAD和CAE软件接口不兼容,则无法进行CAD/CAE的集成应用。例如,在
    AP1000核电项目的工程钢结构设计和分析过程中,PDMS(即Plant Design Management
    System,工厂设计管理系统)软件用于工程钢结构的设计,GT STRUDL(以下简称GTS)软件用
    于对工程钢结构的设计进行仿真分析。然而PDMS是一款对外输出接口很少的设计软件,仅
    支持输出RVM格式和批处理文件,无法输出GTS软件能识别的数据格式(例如DXF、CIS/2、
    STAAD-Pro等),只能根据设计图纸在GTS软件中手动建立有限元模型,不仅在建模质量上存
    在较大的隐患,而且分析效率低下,在进度上也难以满足项目的要求。

    同时,在传统的CAD/CAE集成方法(见图1)中,即便CAD和CAE软件拥有共同的几何
    模型数据交换标准,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。这样往往会产生模型信
    息的丢失和冗余,需要耗费大量精力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,还必须事先手动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。此外,如果发生设
    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,有必要提供一种新的支撑钢结构,尤其是核电工程支撑钢结构的CAD/CAE集
    成方法和系统,以此来解决传统CAD/CAE集成方法中软件接口兼容性的问题,使得即使在
    CAD/CAE软件的接口不兼容的情况下仍然可以实现CAD/CAE的集成,实现CAD/CAE模型的零
    失真转换,极大地提高工程分析验证环节的工作效率和质量水平。

    发明内容

    针对上述现有技术中存在的问题,本发明提供了一种支撑钢结构,尤其是核电厂
    支撑钢结构的CAD/CAE集成方法方法和系统,以此来解决传统CAD/CAE集成方法中软件接口
    兼容性的问题,实现CAD/CAE模型零失真转换,降低核电厂支撑钢结构有限元建模过程中的
    人因错误风险,保证了支撑钢结构力学分析的质量,提高支撑钢结构力学分析的效率。

    本发明就上述技术问题而提出的技术方案如下:

    一方面,提供一种核电厂支撑钢结构的CAD/CAE集成方法,包括:

    S1、支撑钢结构CAD模型生成:通过CAD系统生成支撑钢结构的CAD模型;

    S2、CAD/CAE模型转换:通过CAD/CAE集成工具搜索所述支撑钢结构的CAD模型数
    据,将所述支撑钢结构的CAD模型数据转换成能被CAE系统识别的命令流,并将所述命令流
    输出至所述CAE系统预留的有限元模型转换接口;

    S3、CAE模型输出:所述CAE系统通过预留的有限元模型转换接口接收所述CAD/CAE
    集成工具自动生成的所述命令流,并根据所述命令流在所述CAE系统中重构所述支撑钢结
    构的CAE有限元模型并输出。

    优选的,步骤S2中,所述CAD/CAE集成工具的生成步骤包括:

    S201、建立能被所述CAE系统识别的国产型材材料数据库;

    S202、通过对所述支撑钢结构的属性进行识别和分析,并在所述CAD系统的数据库
    中对所述支撑钢结构部件的关键特征信息以及逻辑点的载荷信息进行提??;

    S203、确定所述支撑钢结构的CAD模型到CAE有限元模型的拓扑转换关系,确定空
    间异面直线相交与其公垂线交点坐标求解的算法、各种部件加载点的判断识别方法及其坐
    标点求解的算法;

    S204、对所述支撑钢结构进行载荷信息分析,自动生成所述支撑钢结构的载荷数
    据,并施加到相应的单元以及节点上,同时对所述载荷数据进行组合,用于对所述支撑钢结
    构进行评定;

    S205、基于S201-S204中获得的数据资料,利用所述CAD系统的内置语言开发所述
    CAD/CAE集成工具。

    优选的,步骤S1中,所述能被CAE系统识别的命令流为网格数据;所述网格数据包
    括:节点信息、约束信息、单元信息、加载信息以及载荷组合信息。

    优选的,所述CAD系统为PDMS软件,利用所述PDMS软件内置的PML语言在所述PDMS
    软件的/STRUCTURE数据库中对所述支撑钢结构的关键特征信息以及逻辑点的载荷信息进
    行提??;利用所述PDMS软件内置的PML语言开发所述CAD/CAE集成工具。

    优选的,步骤S2中,所述CAD/CAE集成工具包括:

    添加???,用于将所述CAD模型添加到显示界面并进行显示;

    清除???,用于将所述CAD模型从所述显示界面中清除;

    长度显示???,用于显示所选中的CAD模型中的结构部件的长度;

    规格显示???,用于显示所选中的CAD模型中的结构部件的规格;

    误差测量???,用于测量所述CAD模型中两相邻结构部件的几何模型误差;

    命令流导出???,用于将选中的支架名导入到列表框进行显示,且当列表框中显
    示至少一个支架名时导出所述列表框中所有支架的命令流至命令流显示??楹蛅xt文件;

    命令流显示???显示上述命令流导出??榈汲龅拿盍?;

    校核???,用于将所述CAE有限元模型的节点号和/或加载点和/或载荷信息显示
    在所述CAD模型中,便于对其进行校核或将其从所述CAD模型中清除。

    另一方面,还提供一种核电厂支撑钢结构的CAD/CAE集成系统,包括:

    CAD系统,用于生成支撑钢结构的CAD模型;

    CAD/CAE集成工具,其集成在所述CAD系统中,用于搜索所述支撑钢结构的CAD模型
    数据,将所述支撑钢结构的CAD模型数据转换成能被CAE系统识别的命令流,并将所述命令
    流输出;

    CAE系统,其预留有有限元模型转换接口,用于接收所述CAD/CAE集成工具输出的
    所述命令流,并根据所述命令流重构所述支撑钢结构的CAE有限元模型并输出。

    优选的,所述CAD/CAE集成工具的生成步骤包括:

    S201、建立能被所述CAE系统识别的国产型材材料数据库;

    S202、通过对所述支撑钢结构的属性进行识别和分析,并在所述CAD系统的数据库
    中对所述支撑钢结构部件的关键特征信息以及逻辑点的载荷信息进行提??;

    S203、确定所述支撑钢结构的CAD模型到CAE有限元模型的拓扑转换关系,确定空
    间异面直线相交与其公垂线交点坐标求解的算法、各种部件加载点的判断识别方法及其坐
    标点求解的算法;

    S204、对所述支撑钢结构进行载荷信息分析,自动生成所述支撑钢结构的载荷数
    据,并施加到相应的单元以及节点上,同时对所述载荷数据进行组合,用于对所述支撑钢结
    构进行评定;

    S205、基于S201-S204中获得的数据资料,利用所述CAD系统的内置语言开发所述
    CAD/CAE集成工具。

    优选的,所述能被CAE系统识别的命令流为网格数据;所述网格数据包括:节点信
    息、约束信息、单元信息、加载信息以及载荷组合信息。

    优选的,所述CAD系统为PDMS软件,利用所述PDMS软件内置的PML语言在所述PDMS
    软件的/STRUCTURE数据库中对所述支撑钢结构的关键特征信息以及逻辑点的载荷信息进
    行提??;利用所述PDMS软件内置的PML语言开发所述CAD/CAE集成工具。

    优选的,所述CAD/CAE集成工具包括:

    添加???,用于将所述CAD模型添加到显示界面并进行显示;

    清除???,用于将所述CAD模型从所述显示界面中清除;

    长度显示???,用于显示所选中的CAD模型中的结构部件的长度;

    规格显示???,用于显示所选中的CAD模型中的结构部件的规格;

    误差测量???,用于测量所述CAD模型中两相邻结构部件的几何模型误差;

    命令流导出???,用于将选中的支架名导入到列表框进行显示,且当列表框中显
    示至少一个支架名时导出所述列表框中所有支架的命令流至命令流显示??楹蛅xt文件;

    命令流显示???显示上述命令流导出??榈汲龅拿盍?。

    校核???,用于将所述CAE有限元模型的节点号和/或加载点和/或载荷信息显示
    在所述CAD模型中,并对其进行校核或将其从所述CAD模型中清除。

    本发明的技术方案具有如下技术效果:

    1)省去了传统CAD/CAE集成方法中有限元模型修复和一系列前处理环节;

    2)解决了传统CAD/CAE集成方法中软件接口兼容性的问题;

    3)实现了PDMS和GTS两款软件的无缝集成,填补了目前市场上PDMS和GTS集成工具
    的空白;

    4)与传统CAD/CAE集成方法相比,实现了真正意义上的CAD/CAE模型零失真转换,
    转换前后不存在任何信息的丢失和错误,降低了支撑钢结构有限元建模过程中的人因错误
    风险,保证了支撑钢结构力学分析的质量;

    5)提高了支撑钢结构分析的效率:将支撑钢结构的有限元模型由传统的手动建模
    变为自动建模,并且大幅降低了后续校核、审批等环节的工作量和工作强度;

    6)在保障核电工程项目的支撑钢结构分析工作顺利进行的同时,减少了支撑钢结
    构力学分析的人力投入,取得了良好的经济效益。

    附图说明

    为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案,下面将对实施例描述中所需要使
    用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于
    本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他
    的附图。

    图1是现有技术的CAD/CAE集成的流程图;

    图2是实施例一中CAD/CAE集成方法的流程图;

    图3是实施例一中CAD/CAE集成工具的开发步骤流程图;

    图4是实施例一中对CAD模型的关键特征信息进行提取的界面示意图;

    图5是实施例一中提取支架载荷的界面示意图;

    图6是实施例一中示出了对加载点进行识别的界面示意图;

    图7是实施例一中CAD/CAE集成工具的结构示意图;

    图8是实施例一中GTS Creator的界面图;

    图9是实施例一中GTS Creator的“Add”和“Remove”按钮功能示意图;

    图10是实施例一中GTS Creator的“Len”和“Spref”按钮功能示意图;

    图11是实施例一中的空间异面直线相交示意图;

    图12是实施例一中GTS Creator的“Intersection”界面功能示意图;

    图13是实施例一中GTS Creator的“Support List”界面功能示意图;

    图14是实施例一中的GTS命令流界面示意图;

    图15是实施例一中GTS图形界面示意图;

    图16是实施例一中GTS Creator的“Load Check”界面功能示意图;

    图17是实施例一中的GTS软件中的钢结构粱单元模型示意图;

    图18是实施例一中GTS Creator的“Joints”按钮功能示意图;

    图19是实施例一中GTS Creator的校核载荷功能示意图;

    图20是实施例二中CAD/CAE集成系统的结构示意图。

    具体实施方式

    本发明针对现有技术中存在的CAD/CAE集成系统以及方法中的缺陷,提供了一种
    支撑钢结构,尤其是核电厂支撑钢结构的CAD/CAE集成方法和系统,以此来解决传统CAD/
    CAE集成方法中软件接口兼容性的问题,实现CAD/CAE模型零失真转换,降低核电厂支撑钢
    结构有限元建模过程中的人因错误风险,保证了支撑钢结构力学分析的质量,提高支撑钢
    结构力学分析的效率。其核心思想是:通过提取CAD模型中的关键特征信息,对CAD模型进行
    拓扑变换,并自动生成CAE软件能识别的数据格式,最终在CAE软件中快速重构有限元模型。
    在掌握这种新的CAD/CAE集成方法的基础上,利用PML开发了支撑钢结构CAD/CAE集成工具,
    实现CAD/CAE模型零失真转换。

    实施例一:

    如图2所示,本发明中的核电厂支撑钢结构的CAD/CAE集成方法包括如下步骤:

    S1、支撑钢结构CAD模型生成:通过CAD系统生成支撑钢结构的CAD模型;

    S2、CAD/CAE模型转换:通过CAD/CAE集成工具搜索所述支撑钢结构的CAD模型数
    据,将所述支撑钢结构的CAD模型数据转换成能被CAE系统识别的命令流,并将所述命令流
    输出至所述CAE系统预留的有限元模型转换接口;优选的,所述支撑钢结构的CAD模型数据
    为网格数据;所述网格数据包括:节点信息、约束信息、单元信息、加载信息以及载荷组合信
    息,其中,所述单元信息包括材料及其机械性能信息;

    S3、CAE模型输出:所述CAE系统通过预留的有限元模型转换接口接收所述CAD/CAE
    集成工具自动生成的所述命令流,并根据所述命令流在所述CAE系统中重构所述支撑钢结
    构的CAE有限元模型并输出。

    本实施例中,所述CAD/CAE集成工具命名为GTS Creator;所述CAD系统为PDMS软
    件,所述CAE系统为GT STRUDL软件。

    进一步的,图3示出了所述GTS Creator的具体开发步骤,其包括:

    S201、建立能被所述CAE系统识别的国产型材材料数据库;其建立方式主要有以下
    步骤:

    (1)梳理常用的各种国产型材。

    钢结构分析软件GTS中自带材料数据库为美国和欧洲标准,为了保证分析结果的
    准确性与可靠性以及国产化的需要,必须建立国产型钢材料数据库。根据陆丰核电项目工
    程文件《AFG-GX-P1-507管道支撑准则指导文件(分包要求)》中的技术要求,国产型钢类型
    主要包括的H型钢、矩形钢管、角钢、槽钢等。

    (2)利用逆向反求方法,开发常用国产型材的材料数据库。

    为了保证开发的国产型钢材料数据库能被GT STRUDL识别,采用逆向反求方法开
    发材料数据库,即在软件中建立自定义的型钢材料数据库并导出,再根据国标文件《GBT
    11263-2005热轧H型钢和剖分T型钢》、《GBT 7062008热轧型钢》、《GB-T 3094-2000冷拔异型
    钢管》中规定的具体参数修正导出材料数据库中的数据,而对于国标中未作规定但是GTS软
    件又需要定义的参数,则需要根据力学公式计算后手动校正对应的参数。

    S202、通过对所述支撑钢结构的属性进行识别和分析,并在所述CAD系统的数据库
    中对所述支撑钢结构(SCTN)的关键特征信息以及逻辑点的载荷信息进行提??;为后续自动
    生成有限元模型的节点、单元、约束、载荷等信息作准备;其中,所述CAD系统的数据库为
    PDMS软件的/STRUCTURE数据库,该数据库中具备所述各种属性(即/STRUCTURE数据库中的
    “Attributes”),其包括:Type,Name,Spref,Bangle,Gtype,Cutlength,Posstart和Posend
    等,该数据库功能强大、具有简单但具有逻辑性的数据库结构,其对应着大量的固有属性,
    若固有属性不够用或者不适用时,还可添加自定义属性。

    以下以风管支架4063-SH-VAS163为例来说明利用PDMS软件内置的PML对CAD模型
    的关键特征信息进行提取的步骤:

    如图4所示,根据列表框中的支架名,通过循环程序对该支架名下所有钢结构的关
    键特征信息进行遍历提取,并存储在数组中,便于后续调用和进行解析几何计算,关键特征
    信息提取部分代码(该代码集成在所述CAD/CAE集成工具的命令流导出??橹?,该命令流导
    出??椴渭?)如下:

    do!i from 1to!count by 1(!count变量用于统计列表框中的支架数)

    !stru='/'+!supname[$!i](依次读取每个支架名)

    var!allsctn coll all sctn for$!stru(将每个支架的所有钢结构存储在变量!
    allsctn中,并挨个遍历,读取关键特征信息。)

    Var!col11Eval Type for all from!allsctn

    Var!col12Eval Name for all from!allsctn

    Var!col13Eval Spref for all from!allsctn

    Var!col14Eval Bangle for all from!allsctn

    Var!col15Eval Gtype for all from!allsctn

    Var!col16Eval Cutlength for all from!allsctn

    Var!col17Eval Posstart in world for all from!allsctn

    Var!col18Eval Posend wrt world for all from!allsctn

    。。。

    (将读取的信息存入数组,便于后续调用或计算)

    do!nt indices!col11

    !col1.append(!col11[$!nt])

    !col2.append(!col12[$!nt])

    !col3.append(!col13[$!nt])

    !col4.append(!col14[$!nt])

    !col5.append(!col15[$!nt])

    !col6.append(!col16[$!nt])

    !col7.append(!col17[$!nt])

    !col8.append(!col18[$!nt])

    。。。

    enddo

    Enddo

    以下仍然以风管支架4063-SH-VAS163为例来说明对支架加载点进行识别的步骤:

    如图5所示,根据列表框中的支架名查找对应逻辑点(见图5中的小球,其坐标位移
    风管的正中,即围绕风管的4根相邻角钢所围成的长方形的中心,支架所承担的风管载荷便
    存储在逻辑点4063-SH-VAS163/DATUM的:MDSLoad属性中),并在逻辑点中提取载荷信息。

    逻辑点的命名规则如下:

    1.当风管支架中只有1个逻辑点时,该逻辑点的命名为“支架名”+“/DATUM”;

    2.当风管支架中超过1个逻辑点时,第2个及其以后的逻辑点命名为支架名”+“.序
    号”。

    S203、梳理CAD模型和CAE模型的差异性,确定所述支撑钢结构的CAD模型到CAE有
    限元模型的拓扑转换关系,例如,支撑钢结构中的各个型钢(SCTN)之间的连接方式主要有
    两种:一种是T字型端接;另一种是十字型搭接,要对两者的结构模型进行拓扑分析,确定其
    拓扑转换关系,此外,对于某些特殊的模型结构,如POSS和POSE属性的特征点位于角钢截面
    直角处的角钢结构,从有限元模型的角度来看,两角钢的交叉点之间无需建刚体单元,因此
    需要单独考虑。其次,无论哪种类型的连接,都需要解决一个共同的难题:空间异面直线交
    叉点的坐标求解,因为即使对于T字型端接,考虑到CAD模型有时会出现误差,两条型钢的形
    心线并不一定会共面,因此,需要确定空间异面直线相交与其公垂线交点坐标求解的算法;

    例如,若要计算如图11所示的空间异面直线与其公垂线交点坐标,其求解算法如
    下:

    已知空间4点,点A、B构成直线L1,点C、D构成直线L2,求L2上点P,使P到L1的距离最
    短,相应点的坐标分别为:

    A(Xa,Ya,Za),B(Xb,Yb,Zb),,C(Xc,Yc,Zc),D(Xd,Yd,Zd)

    1)求出直线L1,L2的方程

    L1的方程:


    L2的方程:


    2)求出公垂线方向向量


    记为(E,F,G)

    3)令直线L1和公垂线确定的平面记为β,求解如下:


    令:

    H=Xb-Xa I=Yb-Ya J=Zb-Za

    K=Xd-Xc L=Yd-Yc M=Zd-Zc

    N=H*I*L-I2*K-J2*K+H*J*M

    O=H2*L-H*I*K-I*J*M+J2*L

    P=H*J*K-H2*M-I2*M+I*J*L

    Q=-Xa*N+Ya*O-Za*P

    则方程为:

    N*x-O*y+P*z+Q=0

    4)求平面与直线L2的公共解,即点P的坐标


    令:


    则点P的坐标值为:

    x=K*k+Xc

    y=L*k+Yc

    z=M*k+Zc

    点Q的坐标值同理可求。

    同时,还需要确定各种部件(如各种支架)加载点的判断识别方法及其坐标点求解
    的算法,例如,各种支架加载点的识别需要结合支架的具体类型来判断,其坐标点求解的算
    法参考点到直线的投影点坐标求解方法。图6示出了对加载点,即图5中的逻辑点到风管周
    围4根型钢的投影点进行识别的过程:

    1.求出逻辑点到该支架所有钢结构的投影点坐标;

    2.排除投影点没有落在钢结构上的钢结构(即投影点落在该钢结构的延长线上);

    3.求出逻辑点到所有满足条件2的钢结构的投影距离并按升序排序;

    4.如果排序在前4的投影距离小于50mm(因为风管支架钢结构的最小规格为
    50x50x7),则前4根型钢的投影点为加载点;

    5.如果排序在前4的投影距离大于50mm,则前2根型钢的投影点为加载点,从第3根
    型钢开始判断。第3根型钢的方向向量如果与第1根型钢的向量垂直(为了防止几何模型出
    现误差导致误判,两向量的夹角大于85小于95度即认为满足条件),则第3根型钢的投影点
    为加载点;如果不垂直,则判断第4根型钢,依次类推,直到找到满足条件的4根型钢为止。

    根据上面的加载点识别规则,逻辑点到该支架所有钢结构的投影距离最小的型钢
    如图6所示,其中L1=L2<L3<L4=L5(后续省略)。根据上述第5条判定规则,第3条型钢由于
    与第一条型钢的方向向量不垂直,被程序自动排除,因此程序最后产生的4个加载点为逻辑
    点到型钢1、2、4、5的投影点(如果已经识别4个加载点,则程序自动跳出循环,不再识别下一
    个加载点)。

    其中,所述风管支架的加载点识别部分代码如下:

    --处理风管载荷节点数据

    if(!at GT 0)then

    do!ai to!at

    !loadrd1[$!ai]=!loadrd[$!ai]

    !loadrd1[$!ai].Sort()

    --统计风管加载点数量,超过4,则停止寻找加载点。

    !lnum=0

    --!loadrd1[$!ai]=!loadrd[$!ai].SortedIndices()

    !k=!loadrd1[$!ai].size()

    --对于简单的风管支架(4根或3根型钢)


    --复杂的风管支架(超过4根型钢)

    --搜索符合条件的加载点

    else

    --如果投影距离最小的4根型钢相差小于50,则输出前4。


    --如果投影距离最小的4根型钢相差大于50,则输出前2。



    --如果投影距离最小的第3/4根型钢与前两根型钢垂直,则输出3/4或4/5。


    --如果前4有2根符合条件(即3/4不符合判断条件),则输出5/6。



    --搜索符合条件的加载点

    enddo

    endif

    --处理风管载荷节点数据

    S204、对所述支撑钢结构进行载荷信息分析,自动生成所述支撑钢结构的载荷数
    据,并施加到相应的单元以及节点上,同时对所述载荷数据进行组合,用于对所述支撑钢结
    构进行评定。

    在用等效静力法对支撑钢结构进行力学分析时,主要考虑三种载荷:静载(即自
    重)、活载和地震载荷。在这三种载荷中,活载为定值,地震载荷为支撑钢结构自身的质量及
    其附加集中质量乘以地震加速度计算而来(工艺管道支架的地震载荷来自管道力学分析报
    告),因此只要计算出支撑钢结构的静载荷即可。

    以下列举几种支撑结构的载荷计算方法:

    (1)分析风管支架载荷的计算方法。

    根据风管支架两端风管的长度、截面尺寸、保温信息以及其它支撑物项的信息计
    算出风管的静载荷,存入与风管支架关联的支架逻辑点的属性中。在进行风管支架的有限
    元分析时,需要读入相应逻辑点的载荷信息,平均施加到风管支架有限元模型相应的节点
    上。

    (2)分析电缆桥架支架载荷的计算方法。

    电缆桥架支架所承担的静载荷根据桥架内电缆的线密度(由电缆的电压等级和托
    盘宽度决定)、到相邻支架的等效长度、防火材料的重量等计算出来,再根据桥架在支架上
    的位置施加在有限元模型相应的单元和节点上。

    (3)分析工艺管道支架载荷的计算方法。

    工艺管道支架所承担的载荷来自管道反力,因此需要根据支架编码在管道力学分
    析结果中搜索对应支架的载荷,经过计算分析后,施加在相应的节点上。

    S205、基于S201-S204中获得的数据资料,利用所述CAD系统的内置语言开发所述
    CAD/CAE集成工具。

    通过前期步骤S201-204一系列的准备工作,包括国产型钢材料数据库的开发,支
    撑钢结构的特征信息分析、模型拓扑关系分析以及载荷信息分析即可获得相应的数据资
    料,然后便可进行CAD/CAE集成软件的开发。因为PML语言是PDMS内置的开发语言,可很方便
    地利用PML对PDMS进行二次开发,实现与PDMS的无缝连接,其具有丰富而且功能强大的函
    数、对象及其方法,并且很容易创建与PDMS风格一致的用户界面,因此本实施例中利用所述
    CAD系统的内置的PML语言开发所述GTS Creator软件,自行定制扩展功能,弥补PDMS软件输
    出接口少的不足。

    进一步的,还包括S206、对所述CAD/CAE集成工具进行测试。为了验证自主开发的
    GTS Creator的正确性与可靠性,本实施例中还要对生成的所述CAD/CAE集成工具进行测
    试。具体的,分别采用白盒测试法和黑盒测试法对软件进行验证。

    白盒法测试通过逐行检查代码,对程序内部逻辑结构进行严密验证,并在程序源
    代码中多处设立检查点,以确定程序的实际运行状态与预期状态是否一致。同时,根据软件
    设计说明书中定义的功能设计不同的测试用例,对代码的逻辑路径进行了全覆盖测试。经
    过白盒法测试验证,PML源代码逻辑结构合理,实际运行状态与预期状态一致。

    黑盒法测试通过选取不同类型的工艺管道支架、风管支架、电缆桥架支架和联合
    支架对GTS Creator进行了大量的实例测试。经过黑盒法测试验证,软件完全实现了预期功
    能。

    测试结果表明,GTS Creator的正确性与可靠性不仅完全满足核电项目支撑钢结
    构力学分析的要求,而且GTS Creator的分析效率远高于手动分析。

    图7进一步示出了所述CAD/CAE集成工具,即GTS Creator的结构示意图,图8示出
    了GTS Creator的用户界面,其包括:

    1)“Add”按钮,即添加???,用于将所述CAD模型添加到显示界面并进行显示;例如
    选中图9左边树形窗口中的支架名,点击“Add”,变可将该支架添加到右边窗口中并居中显
    示。

    2)“Remove”按钮,如图9所示,即清除???,用于将所述CAD模型从所述显示界面中
    清除;例如,点击“Remove”,将图9右边窗口中显示的所有支架从窗口中清除。

    3)“Len”按钮,即长度显示???,用于显示所选中的CAD模型中的结构部件的长度;
    例如,选中图10左边树形窗口中支架的钢结构,点击“Len”,将在Command Window中显示选
    中钢结构的长度(见图10),用于填写GTS命令流中的LY和LZ值:

    LY2.180MEM 64

    LZ 2.180MEM 64

    4)“Spref”按钮,即规格显示???,用于显示所选中的CAD模型中的结构部件的规
    格;例如,选中图10左边树形窗口中支架的钢结构,Command Window中显示选中钢结构的规
    格(见图10),用于编制分析报告时填写钢结构规格和校核、批准报告时检查模型。

    5)“Intersection”界面,即误差测量???,用于测量所述CAD模型中两相邻结构部
    件的几何模型误差;例如选中左边树形窗口中的的钢结构,点击“L1”按钮,选中另外一根钢
    结构,点击“L2”按钮,然后点击“Cal”按钮,将输出这两根角钢的公垂线(见图11中的线段
    PQ)的长度和其交叉点(见图11中P点和Q点)的坐标值。该功能平时不用,只是在CAD模型误
    差比较大的时候采用,主要用于测量两相邻钢结构的几何模型误差,用于填写Max
    Tolerance(见图12),防止在点击“Export”按钮输出GTS命令流时,产生钢结构的误连接
    (Max Tolerance过大)或漏连接(Max Tolerance过小)。如果CAD模型没有几何误差或者误
    差小于5mm,Max Tolerance采用默认值5mm就可以输出正确的CAE模型。

    6)“Support List”界面,即支架名列表???,其具体包括:

    6.1)“Name”按钮,即支架名导入???,用于将选中的支架名导入到列表框进行显
    示,例如,选中图13中左边树形窗口中的的支架名,点击“Name”按钮,将支架名直接导入到
    按钮右边的列表框中进行显示,主要用于导出单个支架时候用,可以省去手动输入支架名
    的麻烦。

    6.2)“Export”按钮,即命令流导出???,用于当所述列表框中显示至少一个支架
    名时导出所有支架的命令流至命令流显示??楹蛅xt文件,例如,如图13所示,当按钮右边
    的文本框不为空(即至少有1个支架名)时,导出支架的GTS命令流输出至按钮下方的GTS
    Codes,即命令流显示??榈奈谋究蛑薪邢允?,同时自动弹出GTS命令流文件(txt格式),
    需要说明的是,Export按钮既可以输出一个支架的GTS命令流,也可以同时输出多个支架
    (例如联合支架)的GTS命令流,GTS命令流文件始终以第1个支架名命名(见图13)。将GTS命
    令流复制并粘贴到GTS软件的Command栏或用GTS软件中的FILE->OPEN菜单打开生成的txt
    文件(见图14a,14b),即可快速重构CAE模型(见图15)。

    所述GTS重构CAE模型的原理如下:点击Export按钮后,程序通过循环依次读取右
    边列表框中所添加的支架名,并且遍历每个支架下所有钢结构的关键特征信息并存储在相
    应的数组中,并对存储的数据进行分析计算,例如节点和单元信息的生成:读取钢结构首尾
    两个形心的坐标,通过这两个坐标建立钢结构的直线方程,并对每两根钢结构进行解析几
    何计算,来判断两根钢结构是否进行相交,如果相交就要判断其连接类型并求出交叉点的
    坐标,并对这些交叉点到对应钢结构的POSS点(POSITION START的缩写,即起始点)的距离
    进行排序并依次连接排序后的节点生成单元;如果不排序,则生成的单元有可能重叠,在进
    行有限元分析时其输出的计算结果将是错误的,以此来生成CAE模型所需要的网格数据。

    7)“Load Check”界面,即校核???,其具体包括:

    7.1)“Joints”按钮,用于将所述CAE有限元模型的节点号显示在所述CAD模型中,
    例如,在“Support List”界面完成数据输出后,切换到“Load Check”界面(见图16)。当按钮
    上方的文本框空白时,点击“Joints”按钮,则会将生成的GTS模型的节点号显示在PDMS模型
    中,方便查找对应支架的节点号。

    GTS软件的优点是具有十分强大的计算分析功能,虽然它也提供了查找节点号的
    的功能,但是大部分CAE软件(特别是GTS)的三维显示功能远远没有CAD软件强大,特别是
    CAE模型,如钢结构粱单元模型比较复杂时(见图17),很难查找某些节点。

    当按钮上方的文本框输入想要查找的节点号时,点击“Joints”按钮,则会将GTS模
    型对应的节点号显示在PDMS模型中(见图18)。

    7.2)校核载荷功能???,用于将所述CAE有限元模型的加载点或载荷信息显示在
    所述CAD模型中,例如,点击列表框中的某个支架名时,会在PDMS模型中显示该支架的加载
    点和载荷信息,并同时在下方的文本框中显示详细的载荷信息(见图19),在不打开GTS模型
    的情况下就能很方便校核载荷信息。

    7.3)“Clear”按钮,如图19所示,用于将所述CAE有限元模型的节点号、加载点或载
    荷信息显从所述CAD模型中清除,例如,点击“Clear”按钮,则会CAD模型中显示节点号和载
    荷信息清除。

    实施例二:

    图20示出了本发明核电厂支撑钢结构的CAD/CAE集成系统的结构示意图,其包括:

    CAD系统,用于生成支撑钢结构的CAD模型;

    CAD/CAE集成工具,其集成在所述CAD系统中,用于搜索所述支撑钢结构的CAD模型
    数据,将所述工程设计结构的CAD模型数据转换成能被CAE系统识别的命令流,并将所述命
    令流输出;

    CAE系统,其预留有有限元模型转换接口,用于接收所述CAD/CAE集成工具输出的
    所述命令流,并根据所述命令流重构所述支撑钢结构的CAE有限元模型并输出。

    优选的,所述CAE系统中包括知识库,所述知识库是所述CAE系统中集成的计算分
    析方面的专业知识,其包括有限元理论和算法、相关规范标准等?;谒鲋犊獾哪谌?,
    所述CAE系统可以对CAE模型进行求解和评定。例如GTS中集成了大量的钢结构设计规范,在
    执行下面的评定命令流时所述CAE系统会自动找到相应规范中对应的公式来对钢结构进行
    评定。

    GTS评定命令流包括:

    PARAMETERS

    CODE AISI89ALL MEMBERS

    LOAD LIST 100TO 110

    CHECK CODE ALL MEMBERS

    此外,CAD系统、CAE系统、CAD/CAE集成工具的开发步骤、CAD/CAE集成工具的结构
    组成以及作用均与实施例一相同,在此不再赘述。

    综上所述,本发明中的核电厂支撑钢结构的CAD/CAE集成方法和系统可通过提取
    CAD模型中的关键特征信息,对CAD模型进行拓扑变换,并自动生成CAE软件能识别的数据格
    式,最终在CAE软件中快速重构有限元模型。在掌握这种新的CAD/CAE集成方法的基础上,利
    用PML开发了支撑钢结构CAD/CAE集成工具,实现了真正意义上的CAD/CAE模型零失真转换。

    本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分步骤可以通过硬件
    来完成,也可以通过程序来指令相关的硬件完成,所述的程序可以存储于一种计算机可读
    存储介质中,上述提到的存储介质可以是只读存储器,磁盘或光盘等。

    以上所述仅为本发明的较佳实施例,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和
    原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的?;し段е?。

    关于本文
    本文标题:一种核电厂支撑钢结构的CAD/CAE集成方法及系统.pdf
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