CN110838170B - 一种考虑空间干涉和力学性能的核级管道优化布置方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种考虑空间干涉和力学性能的核级管道优化布置方法：件建立管道布置三维模型的初步方案；对三维模型进行解耦，对当前分析的管道进行范围划分，该范围包括当前分析的管道、管道周边结构；得到描述管道周边结构几何轮廓的空间线段集；建立以管道轴线为基准、体现管道外径的管道走向空间线段集；将两组空间线段集进行相交判断；如果当前布置方案满足力学评定要求，并且满足预先设定的收敛条件，则输出当前的管道布置方案；如果不满足则继续进行迭代优化计算。本发明用以解决现有技术中无法直接获得同时满足布置需求和力学性能要求的布置方案的问题，实现能够综合考虑空间因素与力学因素，提高核级管道系统的安全性的目的。

Description

一种考虑空间干涉和力学性能的核级管道优化布置方法

技术领域

本发明涉及反应堆结构力学领域，具体涉及一种考虑空间干涉和力学性能的核级管道优化布置方法。

背景技术

在核动力系统中，为确保核级管道不发生破坏，在设计阶段需要根据相关设计准则或规范进行力学性能评价。同时，由于核级管道的布置阶段相对靠后，在布置时需要考虑土建结构、钢结构、已完成布置的设备或管道的干涉影响。因此在核级管道的优化布置过程中，力学性能和空间干涉是两需要同时考虑的关键因素。

在力学性能方面，需要确保核级管道在正常工况、扰动工况、紧急工况、事故工况和试验工况等条件下均能满足相应的力学性能要求。在不同工况下，需要综合考虑自重、热膨胀、地震、倾斜、摇摆等多种载荷，并根据相关准则或规范对载荷进行叠加。为减小相应载荷产生的应力，需要对管道进行优化布置。但是，不同载荷对布置的要求是不同的，有的甚至截然相反。例如为减小热膨胀载荷产生的应力，需要将管道系统设计的尽量柔性，一般通过减少管道系统中支架的数量，增加管道长度的方式实现。为减小地震产生的应力的需求则恰好相反，需要通过增加管道支架数量，减少管道长度的方式实现。因此，对管道优化布置以满足力学性能需求的过程十分困难。

在空间干涉方面，由于管道系统的可调整空间大，在核动力系统的布置过程中一般将管道的布置安排在设计过程的最后环节。同时，在管道布置过程中，一般遵循先布置大管径管道，再布置小管径管道的原则。此外，为尽量减小核岛体积，管道布置空间一般比较狭小。因此，在管道布置时，通常会遇到来自土建结构(如墙体)、钢结构(如楼梯)、设备(如蒸发器)、支吊架和大管径管道等的空间干涉影响。进一步增加了对管道优化布置的难度。

在传统的核级管道布置设计过程中，设计人员需要综合考虑力学性能和空间干涉因素,通过大量的人工试算进行管道走向或支吊架位置的调节与优化。在具有参考设计的核动力系统中，设计人员会根据成熟的布置方案进行调整，一般能够通过试算获得满足要求的布置方案，但这种方法效率较低、验证依赖工程师的设计经验，最重要的是很难得到最优的布置方案。为解决这一问题，基于智能优化算法的自动优化方法被提出。但是目前的自动优化方法在优化过程中不能考虑空间干涉的影响，优化结果容易出现与周边结构发生干涉而不满足布置要求的情况。现有的优化算法均无法同时空间干涉和力学性能进行优化，在优化过程中，一旦出现满足应力的布置方案，优化算法将不考虑空间干涉情况并继续迭代，导致管道布置的空间越铺越大的不合理现象。

发明内容

本发明的目的在于提供一种考虑空间干涉和力学性能的核级管道优化布置方法，以解决现有技术中对于核级管道而言，无法直接获得同时满足布置需求和力学性能要求的布置方案的问题，实现能够综合考虑空间因素与力学因素，提高核级管道系统的安全性的目的。

本发明通过下述技术方案实现：

一种考虑空间干涉和力学性能的核级管道优化布置方法，包括以下步骤：

(1)利用三维设计软件建立管道布置三维模型的初步方案；

(2)根据管道分析力学解耦准则对三维模型进行解耦，对当前分析的管道进行范围划分，该范围包括当前分析的管道、管道周边结构；

(3)针对管道周边结构：得到描述管道周边结构几何轮廓的空间线段集；

(4)针对当前分析的管道：建立以管道轴线为基准、体现管道外径的管道走向空间线段集；

(5)将步骤(3)与步骤(4)中各自得到的空间线段集进行相交判断：

如果两个空间线段集中有任意两条线段相交，不进行力学评价，当前方案为不可接受方案；

如果两个空间线段集中无任何线段相交，调用管道力学分析软件对当前布置方案进行力学分析、收敛条件判断；

(6)如果当前布置方案满足力学评定要求，并且满足预先设定的收敛条件，则输出当前的管道布置方案；如果不满足则继续进行迭代优化计算。

针对现有技术中对于核级管道而言，无法直接获得同时满足布置需求和力学性能要求的布置方案的问题，本发明提出一种考虑空间干涉和力学性能的核级管道优化布置方法，首先建立管道布置三维模型的初步方案，该模型的建立可以使用现有三维设计软件进行，本领域技术人员均可实现；之后根据管道分析力学解耦准则对该模型进行解耦、范围划分，划分的范围包括当前分析的管道、管道周边结构两部分，再对这两部分分别处理：针对管道周边结构，描述管道周边结构几何轮廓，得到一个空间线段集；针对当前分析的管道，建立以管道轴线为基准、体现管道外径的管道走向的另一个空间线段集。再对得到的两个空间线段集进行相交判断，判断方式如下：如果两个空间线段集中有任意两条线段相交，则判定当前方案为不可接受方案，无需进行力学评价；如果两个空间线段集中无任何线段相交，则判定当前方案在空间干涉上无碍、可接受，之后在进行力学分析，并结合预先设定的收敛条件进行收敛条件判断，如果当前布置方案满足力学评定要求，并且满足预先设定的收敛条件，则表明该方案不仅在空间因素上可行，同时在力学性能上也可满足需求，则可输出当前的管道布置方案；如果不满足则继续进行迭代优化计算。本方法中，步骤(3)、步骤(4)顺序可调，其序号3、4之间不代表必然的前后关系，只需在步骤(5)开始之前完成步骤(3)、步骤(4)即可。与传统的核级管道布置设计方法相比，本方法能够有效地考虑管道布置过程中周边结构的干涉问题，快速进行干涉检查。本方法能够高效地进行优化计算，充分克服核级管道中不同载荷对布置的要求不同的技术难题，忽略因发生干涉不满足布置要求的方案，快速获得具有最优力学性能且不发生干涉的布置方案，显著提高核级管道系统的安全性。此外，本方法中所有过程均可由计算机编程实现，计算结果可靠，能够有效地提高核级管道的布置效率，同时增大管道力学性能的安全裕量。

进一步的，步骤(1)中所述初步方案包括核级管道的规范等级、几何信息、材料信息和管道的大致走向信息。其中，管道的大致走向，是指人为根据经验、以及目测的空间分布状况所提前构思的管道走向。

进一步的，步骤(3)包括：利用管道周边结构的空间信息，采用计算机程序进行简化处理，得到描述管道周边结构几何轮廓的空间线段集。

进一步的，步骤(4)包括：(a)基于三维模型建立力学分析模型，并以管道的力学性能为优化目标，采用群智能优化算法或通用优化软件对管道布置参数进行优化；(b)优化过程中每产生一个新的个体，将其对应的布置方案进行简化处理，建立以管道轴线为基准，能够体现管道外径的管道走向空间线段集。

进一步的，步骤(5)中力学分析的关键结果作为适应度值返回群智能优化算法。

进一步的，所述群智能优化算法为遗传算法、粒子群算法或蜂群算法。当然，除此之外的其余现有群智能优化算法均可适用于本申请。

进一步的，所述通用优化软件为OPTIMUS、ISIGHT、HYPERWORKS或MODEFRONTIER。当然，除此之外的其余现有优化软件均可适用于本申请。

进一步的，所述管道布置参数包括支撑位置、支撑类型、阀门位置、管道走向。

进一步的，所述力学分析的关键结果包括不同工况下的应力比、阀门重心加速度、支架载荷、法兰载荷。

进一步的，所述管道周边结构包括主设备、土建结构、钢结构、其它管道、支架。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1、本发明一种考虑空间干涉和力学性能的核级管道优化布置方法，能够有效地考虑管道布置过程中周边结构的干涉问题，快速进行干涉检查。

2、本发明一种考虑空间干涉和力学性能的核级管道优化布置方法，能够高效地进行优化计算，充分克服核级管道中不同载荷对布置的要求不同的技术难题，忽略因发生干涉不满足布置要求的方案，快速获得具有最优力学性能且不发生干涉的布置方案，显著提高核级管道系统的安全性。

3、本发明一种考虑空间干涉和力学性能的核级管道优化布置方法，所有过程均可由计算机编程实现，计算结果可靠，能够有效地提高核级管道的布置效率，同时增大管道力学性能的安全裕量；本发明弥补了传统优化方法无法兼顾空间和性能的缺点，从而实现了核级管道布置分析的自动化和智能化。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明具体实施例的流程示意图；

图2为本发明具体实施例中管道及周边结构示意图；

图3为本发明具体实施例中管道及周边结构简化后的线段集；

图4为本发明具体实施例中管道与周边结构发生干涉的布置示意图；

图5为本发明具体实施例中管道与周边结构不发生干涉的布置示意图。

其中：1-土建结构墙体A，2-土建结构墙体B，3-钢结构支架，4-主管道，5-解耦后管道。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1：

一种考虑空间干涉和力学性能的核级管道优化布置方法，步骤如下：

1.利用三维设计软件建立管道布置三维模型的初步方案，初步方案中包括核级管道的规范等级、几何信息、材料信息和管道的大致走向信息等；

2.根据管道分析力学解耦准则对三维模型进行解耦，对当前分析的管道进行范围划分，该范围内包括当前分析的管道和管道周边结构；

3.针对管道周边结构的空间信息，采用计算机程序进行简化处理，以得到一个能够描述其几何轮廓的空间线段集；

4.基于三维模型建立力学分析模型，并以管道的力学性能为优化目标，采用群智能优化算法或通用优化软件对管道布置参数进行优化；

5.在群智能优化算法中，每产生一个新的个体，将其对应的布置方案进行简化处理，建立以管道轴线为基准，能够体现管道外径的管道走向空间线段集；

6.将步骤3中获得的干涉信息空间线段集与步骤5中的管道走向空间线段集进行相交判断。如果两个线段集中有任意两条线段相交，代表该布置方案中存在后管道与管道周边结构发生干涉的现象。此时不进行力学评价，直接在群智能优化算法中将该个体的适应度值设为无穷大，即表示当前方案为不可接受方案；如果两个线段集中无任何线段相交，调用管道力学分析软件对当前布置方案进行力学分析，并将力学评价关键结果比作为适应度值返回群智能优化算法；

7.在群智能优化算法的每次迭代后进行收敛条件判断，如果当前布置方案满足力学评定要求，并且满足预先设定的收敛条件，则输出当前的管道布置方案；如果不满足则继续进行迭代优化计算。

优选的，所述管道周边结构包括但不限于主设备、土建结构、钢结构、其它管道、支架；所述群智能优化算法包括但不限于遗传算法、粒子群算法、蜂群算法；所述通用优化软件包括但不限于OPTIMUS、ISIGHT、HYPERWORKS、MODEFRONTIER；所述布置参数包括但不限于支撑位置、支撑类型、阀门位置和管道走向；所述管道力学分析软件包括但不限于PEPS、SYSPIPE、ANSYS、ABAQUS；所述力学评价关键结果包括但不限于不同工况下的应力比、阀门重心加速度、支架载荷、法兰载荷。

实施例2：

本实施例的方法流程图见附图1。本实例中的核级管道布置环境见附图2，可见在本实例中管道布置受到周边土建结构和钢结构的影响。此外，所布置管道需要满足不同工况下的力学性能的要求。按本发明所述的方法对本实例中的管道按以下步骤进行优化：

1)利用三维设计软件建立包含大致走向信息的管道布置初步方案，见附图1；

2)根据管道分析力学解耦准则对本实例中的管道进行解耦，即获当前分析的管道和管道周边结构(包括土建结构和钢结构)；

3)针对管道周边结构的空间信息，采用计算机程序进行简化处理，以得到一个能够描述其几何轮廓的空间线段集，见附图3；

4)以管道的力学性能为优化目标，以管道不同位置的长度作为优化参数，采用群智能优化算法对管道进行优化；

5)在群智能优化算法中，每产生一个新的个体，将其对应的布置方案进行简化处理，以管道轴线为基准建立线段集，见附图3；

6)对上述步骤3)与步骤5)中的两个线段集进行相交判断。如果两个线段集中有任意两条线段相交，代表该布置方案中存在后管道与管道周边结构发生干涉的现象，见附图4。此时直接在群智能优化算法中将该个体的适应度值设为无穷大，不进行力学评价；如果两个线段集中无任何线段相交，见附图5，调用管道力学分析软件对当前布置方案进行力学分析，并将力学评价关键结果比作为适应度值返回群智能优化算法；

7)在群智能优化算法的每次迭代后进行收敛条件判断，如果当前布置方案满足力学评定要求，并且满足预先设定的收敛条件，则输出当前的管道布置方案；如果不满足则继续进行迭代优化计算。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种考虑空间干涉和力学性能的核级管道优化布置方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）利用三维设计软件建立管道布置三维模型的初步方案；

（2）根据管道分析力学解耦准则对三维模型进行解耦，对当前分析的管道进行范围划分，该范围包括当前分析的管道、管道周边结构；

（3）针对管道周边结构：得到描述管道周边结构几何轮廓的空间线段集；

（4）针对当前分析的管道：建立以管道轴线为基准、体现管道外径的管道走向空间线段集，包括：

（a）基于三维模型建立力学分析模型，并以管道的力学性能为优化目标，采用群智能优化算法或通用优化软件对管道布置参数进行优化；

（b）优化后每产生一个新的个体，将其对应的布置方案进行简化处理，建立以管道轴线为基准，能够体现管道外径的管道走向空间线段集；

（5）将步骤（3）与步骤（4）中各自得到的空间线段集进行相交判断：

如果两个空间线段集中有任意两条线段相交，不进行力学评价，当前方案为不可接受方案；

如果两个空间线段集中无任何线段相交，调用管道力学分析软件对当前布置方案进行力学分析、收敛条件判断；

（6）如果当前布置方案满足力学评定要求，并且满足预先设定的收敛条件，则输出当前的管道布置方案；如果不满足则继续进行迭代优化计算。

2.根据权利要求1所述的一种考虑空间干涉和力学性能的核级管道优化布置方法，其特征在于，步骤（1）中所述初步方案包括核级管道的规范等级、几何信息、材料信息和管道的大致走向信息。

3.根据权利要求1所述的一种考虑空间干涉和力学性能的核级管道优化布置方法，其特征在于，步骤（3）包括：利用管道周边结构的空间信息，采用计算机程序进行简化处理，得到描述管道周边结构几何轮廓的空间线段集。

4.根据权利要求1所述的一种考虑空间干涉和力学性能的核级管道优化布置方法，其特征在于，步骤（5）中力学分析的关键结果作为适应度值返回群智能优化算法。

5.根据权利要求1所述的一种考虑空间干涉和力学性能的核级管道优化布置方法，其特征在于，所述群智能优化算法为遗传算法、粒子群算法或蜂群算法。

6.根据权利要求1所述的一种考虑空间干涉和力学性能的核级管道优化布置方法，其特征在于，所述通用优化软件为OPTIMUS、ISIGHT、HYPERWORKS或MODEFRONTIER。

7.根据权利要求1所述的一种考虑空间干涉和力学性能的核级管道优化布置方法，其特征在于，所述管道布置参数包括支撑位置、支撑类型、阀门位置、管道走向。

8.根据权利要求4所述的一种考虑空间干涉和力学性能的核级管道优化布置方法，其特征在于，所述力学分析的关键结果包括不同工况下的应力比、阀门重心加速度、支架载荷、法兰载荷。

9.根据权利要求1所述的一种考虑空间干涉和力学性能的核级管道优化布置方法，其特征在于，所述管道周边结构包括主设备、土建结构、钢结构、其它管道、支架。

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