PIPESTRESS 至ANSYS 管道模型轉換工具的開發及應用

蔡奕霖，紀騰飛

（上海核工程研究設計院，上海 200233）

0 引言

PIPESTRESS 是專業的管道分析評定軟件，由于集成了ASME、RCCM 等各類管道評定規范便于應力評定和載荷輸出，PIPESTRESS 被廣泛運用于核電站的各類核級和非核級管道的設計分析中。相比ANSYS 等通用有限元軟件，PIPESTRESS 在建立管道模型時更為直觀便捷，提高了管道建模分析的效率。

然而由于PIPESTRESS 僅支持線彈性分析，在實際運用中也存在諸多局限性。在處理管道與設備或廠房三維模型的耦合分析、管道的動態響應輸出，以及其他各類非線性問題時，都需要采用ANSYS 軟件進行建模分析。例如：某核電站管道承受閥門沖擊載荷，針對每個閥門分別設置了兩個法蘭盤上部支撐和一個閥體底部托架，如圖1 所示。這三個支撐均為僅承受向上或向下載荷的單方向接觸支撐，PIPESTRESS 無法對這類非線性約束方式進行動力分析，因而必須在ANSYS中重新建模。

ANSYS 建立管道模型時，需要對直管、彎管、支撐等逐一定義單元類型、實參數及材料屬性，采用ANSYS的建模往往需要花費數倍于PIPESTRESS 建立同樣模型的時間，并且由于缺少實時模型顯示、坐標點校驗等功能，ANSYS 建模時極易出現人為錯誤，從而需要耗費更長的時間校核模型，因此如何提高ANSYS 建立管道模型的效率是一個亟待解決的問題。

圖1 閥門非線性支撐模型示意圖

本文通過比較PIPESTRESS 與ANSYS 的單元及建模方式差異，論證了建立模型轉換關系的可行性，基于MATLAB 編程開發了PIPESTRESS 的FRE 管道模型至ANSYS 的APDL 命令流模型的自動轉換工具，并通過模態分析對轉換結果的準確性進行了比對驗證。最后應用工具轉化的ANSYS 模型，對某核電管線在非線性支撐約束下，受閥門沖擊載荷作用的響應進行了分析。

1 轉換工具的開發

1.1 PIPESTRESS與ANSYS建模的差異比較

首先從命令流輸入文本的結構入手，分析PIPESTRESS 與ANSYS 在管道建模方法上的差異，兩者的建流程分別如圖2 和圖3 所示，其中PIPESTRESS 在標題卡后定義了工況、響應譜等，完成建模后可直接分析，ANSYS 在前處理模塊建模后需進入分析模塊進行加載求解，在此未列出加載求解流程，僅針對兩者建模方面的異同進行比較。

圖2 PIPESTRESS的建模流程

圖3 ANSYS的建模流程

經比較PIPESTRESS 與ANSYS 在建模方面的差異主要包括以下方面：

（1）幾何模型

PIPESTRESS 僅需定義某一節點坐標（通常是起始點坐標），并通過輸入下一節點的相對偏移量逐一建立各節點和單元。在ANSYS 中也可以采用定義局部坐標的方式進行類似的逐點建模，但更常用的方法是，首先通過總體坐標建立所有節點，再將節點連接為單元。

（2）單元類型

由于PIPESTRESS 僅針對簡單的一維線彈性管道單元或梁單元進行分析，在建模中無需自定義單元類型，采用TANG（直管卡）、BRAD（彎管卡）、VALV（閥門卡）等結構卡定義部件類型，建模過程簡單直接。而ANSYS 分析首先定義單元類型和屬性，并在建立每個單元前均聲明所屬單元，不同于PIPESTRESS 的按順序建模方式，ANSYS 通常首先將各種單元類型、實參數等進行歸類，并按類別建立單元，以減少重復聲明的次數。

（3）材料屬性

PIPESTRESS 定義了不同溫度的彈性模型、熱膨脹系數、許用強度等，并在建立單元前聲明對應各工況的溫度。在計算管道模態時，可通過定義參考工況，賦予各單元在相應工況溫度下的彈性模量。在ANSYS 中可以定義類似的材料屬性表，但需要在計算分析模塊中對單元施加溫度。對于管段溫度較少的情況，更簡便的方法是直接將不同溫度管段定義為不同材料號，并賦予不同的彈性模量。

（4）單元實參

PIPESTRESS 中的CROS 截面屬性可對應ANSYS中的外徑壁厚實參，但諸如彎管半徑、支撐剛度、集中質量等參數PIPESTRESS 均在BRAD 等結構卡后賦值。

（5）支撐約束

PIPESTRESS 采用RSTN（剛性支撐卡）等直接輸入約束方向及剛度，而在ANSYS 中需在約束方向上建立專門的彈簧單元并賦予剛度實參，最后位移施加約束。

通過以上比較，PIPESTRESS 與ANSYS 常用的有限元建模方法在邏輯上有很大的差異，PIPESTRESS 的建模思路的出發點是簡明直觀，最大程度上方便用戶按照管道ISO 圖逐段建模，雖然理論上ANSYS 也可以參照與PIPESTRESS 相同的順序逐段定義單元并建模，以減少編程的難度，但通過這種方式轉化的ANSYS命令流將冗長龐雜，從而大大降低命令流的可讀性和后續修改的可操作性，在需要與其他管道或設備模型組合分析時也會遇到困難。由于建立ANSYS 模型的目的是針對PIPESTRESS 無法計算的復雜載荷或工況，為便于對模型進行特殊加載或修改，按照ANSYS常用的建模邏輯進行轉換是必要的。

1.2 轉換關系的建立

要進行建模邏輯的轉換，必須對PIPESTRESS 及ANSYS 的各類參數進行重新歸類，并建立兩者之間的轉換關系。經梳理，確定了模型轉換關系如圖4 所示。轉換關系包括了節點局部坐標到總體坐標的轉換；對材料彈性模量的自動插值及重新定義材料號；從結構卡中解析各類實參并重新歸類；支撐節點的轉換和建立；以及單元的統計和定義等。

圖4 PIPESTRESS與ANSYS的模型轉換

針對PIPESTRESS 的各類結構分析卡，目前選擇了ANSYS 中的初等單元類型進行模擬，對應關系如表1 所示。雖然這些單元功能相對簡單，但足以模擬PIPESTRESS 的各類線彈性分析功能，后續僅需對轉換程序進行簡單的修改，即可根據分析需要使用高等單元。

表1 單元類型

1.3 編程實現及程序操作

選擇PIPESTRESS 的PRD 報告文件作為輸入，對轉換工具進行了開發，PRD 文件包括的信息如下：

（1）完整的原始FRE 輸入文本

（2）經轉換的標準化格式輸入文本

（3）單元和節點的對應關系以及節點的總體坐標

（4）警告及錯誤信息

（5）集中質量信息

（6）支撐及單元數量統計

（7）模態計算結果

其中，經轉換的標準化格式輸入文本可以避免人為輸入格式差異引起的轉換工具讀取錯誤，單元和節點的對應關系以及節點的總體坐標可以省去程序中坐標轉換的步驟，另外PIPESTRESS 在分析時對輸入模型進行了自動轉換，包括對于較長的管段自動內插節點，以及將截面均布質量轉化為了節點集中質量，這些信息均包括在PRD 文件中，在ANSYS 中直接調用可確保分析的一致性。此外PRD 文件中包含的支撐及單元數量統計信息以及模態計算結果等信息可在后續驗證及后處理程序的開發中應用。根據PRD 的文件結構及PIPESTRESS 與ANSYS 的模型的對應關系，確定了轉換程序的流程如圖5 所示。

圖5 轉換程序流程圖

按上述流程，基于MATLAB 語言，進行了轉換工具編程，程序名稱為PEPS2ANSYS。要使用程序時，只需將管道計算得到的PRD 文件及主程序文件PEPS2ANSYS.m 放在同一目錄下，用MATLAB 打開PEPS2ANSYS.m，在程序上方f_in 變量處輸入PRD 文件名，并運行程序即可自動生成與PRD 文件名相一致的ANSYS 命令流INP 文件。生成的INP 文件按ANSYS 常用建模順序建模，并在每一步前加入了注釋，以便于理解命令流含意，在每個節點及單元后均標注了ANSYS 節點與PEPS 節點的對應關系，為后續的加載及模型修改提供便利。

1.4 模態分析驗證

為驗證轉換結果的準確性，采用FRE 管道模型進行了轉換，并分別在PIPESTRESS 和ANSYS 中對轉換前后的模型進行了模態分析。

取模核電站管段，轉換前后的模型分別如圖6 和圖7 所示，兩者幾何模型是相一致的。

圖6 算例1的PIPESTRESS模型圖

圖7 算例1的ANSYS模型圖

取前30 階模態的頻率及累積有效參與質量進行對比，如表2 所示，兩者各階模態的頻率誤差平均誤差僅0.11%，最大僅相差1.7%，各方向有效參與質量平均誤差小于0.13%，最大僅相差2%。兩者的模態高度吻合，證明了轉換工具的準確性相當高，ANSYS 各類單元的選擇及是恰當的，轉換流程是合理。

2 管道受非線性約束的時程分析

針對概述中提到的受沖擊閥門管段非線性約束問題（圖1），在PIPESTRESS 中無法分析。由于法蘭和閥體可認為是剛性的，此外三個非線性支撐的間距非常接近，因此以往的做法是在PIPESTRESS 中將三個非線性單向支撐組等效為作用于法蘭盤的兩個線性雙向支撐，如圖8 所示，以兩個支撐合力作為閥門底部托架的載荷輸入。這種等效方法對于熱脹及響應譜分析中是可接受的，然而由于閥門沖擊載荷頻率極高且峰值很大，其對管道及支撐結構的剛度非常敏感，因此有必要采用ANSYS 軟件對其進一步的詳細分析。

表2 算例1 的模態比較

圖8 等效線性支撐模型示意圖

圖9 支撐位置示意圖

在ANSYS 中基于上文工具轉換并經過驗證的ANSYS 模型（圖7），采用模態疊加法分析管道分別在兩個閥門的沖擊時程載荷作用下的響應，支撐的對應關系如圖9 所示。為滿足設計準則要求，并采用2500Hz 的截斷頻率，以保證積分時間步（0.0000038秒）不大于截斷頻率周期（0.00004 秒）的10%。采用間隙條件（Gap Condition）施加非線性約束，分析間隙值設置為可忽略不計的0.001mm。分析中支撐剛度按照支撐的實際剛度輸入，采用2%的系統阻尼和4%的支撐阻尼，并按下式計算間隙處的沖擊阻尼系數：

其中?表示閥門的固有頻率，m 表示閥門的有效質量，ζ表示阻尼比（0.04）。

分析結果如表3 所示，可見兩種分析方法下得到的閥門支撐支反力有所差異，尤其是底部托架反力比等效計算方法中兩側支反力之和要大得多，因此有必要按照ANSYS 中的非線性分析結果對支撐進行重新分析評估。

表3 閥門支撐支反力比較

3 結語

本文首先對比了PIPESTRESS 與ANSYS 的單元及建模方式差異，通過對管道有限元分析各類元素的梳理和歸類，建立了模型轉換關系。這項工作不僅適用于PIPESTRESS 與ANSYS 軟件之間的模型轉換，也為今后建立管道分析數據庫提供了基礎，對于實現數字化電站的目標具有重要的意義。

在建立轉換關系后，基于MATLAB 編程開發了PIPESTRESS 的FRE 管道模型至ANSYS 的APDL 命令流模型的自動轉換工具。經模態分析，無論對于簡單模型還是復雜模型，轉換前后的頻率及有效參與質量均高度吻合，證明了單元選擇和轉換流程是適當的。該轉換工具的運用將大大提高ANSYS 管道分析建模的效率，為復雜管道力學問題的計算和研究提供有力的支持，具有很高的實用價值。

最后，運用工具轉化并經驗證的ANSYS 模型，本文對某核電站管段在非線性支撐約束下，受閥門沖擊載荷作用的響應進行了分析。根據分析結果，在非線性約束的情況下，閥門支撐支反力大幅提高，可見對于閥門沖擊載荷工況，原本采用的PIPESTRESS 等效線性支撐分析方法并不準確，必須基于ANSYS 的計算結果，對管道及支撐進行重新評估。

目前轉換工具已實現了基本的轉換功能，但后續還有許多方面值得進一步開展研究和開發，包括：

（1）實現界面化操作以及對PIPESTESS 和ANSYS的調用功能，提高程序的自動化程度和易用性；

（2）基于該轉換程序，可以開發更多的后處理及評定工具；

（3）研究將管道自動轉化為三維實體管道模型的可行性，進一步拓展轉換工具的應用范圍。