虛擬仿真技術(shù)在核電站大件吊裝中的應(yīng)用研究

中廣核工程有限公司 謝永輝 中電建集團核電工程公司 賈廣明 馬海峰

核電站大型設(shè)備吊裝中，因需吊裝設(shè)備尺寸大且剛度低、周圍建筑物高聳密集、吊裝機械體型大且對地基要求高，需全面慎重考慮吊點及吊索具設(shè)計和吊裝運動規(guī)劃。目前吊裝方案編制主要依靠技術(shù)人員的經(jīng)驗，采用頭腦風(fēng)暴等方法識別風(fēng)險，采用傳統(tǒng)的文字描述吊裝過程，采用表格計算相關(guān)參數(shù)，存在風(fēng)險識別不完整、過程描述不直觀具體、方案優(yōu)化不方便、數(shù)值計算比較麻煩的不足。

1 虛擬仿真技術(shù)

1.1 計算機仿真方法

在解決工程技術(shù)難題時，需探索物質(zhì)世界運行規(guī)律和演變過程，在采用全比例模型進行試驗在經(jīng)濟和風(fēng)險上不可接受時，一般采用理論計算、縮比模型、計算機仿真三種方法來探索事物的內(nèi)在規(guī)律，研究過程的演化過程。其中隨著ICT 技術(shù)的快速發(fā)展，計算機仿真方法具有代價小、時間短、可重復(fù)、參數(shù)設(shè)置靈活的特點，在解決工程技術(shù)難題時應(yīng)用越來越廣泛。

1.2 大件吊裝涉及的計算機仿真技術(shù)

采用虛擬仿真的大件吊裝過程涉及的計算機仿真技術(shù)主要有運動學(xué)仿真、靜力學(xué)仿真、動力學(xué)仿真、材料結(jié)構(gòu)力學(xué)仿真等。運動學(xué)仿真主要研究物體在幾何空間的位置和速度（隨時間變化的空間位置），關(guān)注點在空間位置及干涉、速度及效率，不涉及對象受力。動力學(xué)仿真主要研究物體的受力與物體運動的關(guān)系，主要解決兩類問題，一是已知物體的運動，求物體的受力；二是已知物體受力，求物體的運動。在大件吊裝方案編制的工程應(yīng)用中，一般通過研究物體受力平衡的狀態(tài)，將動力學(xué)問題簡化為靜力學(xué)問題。靜力學(xué)仿真主要研究物體在受力平衡狀態(tài)的受力規(guī)律。核電站大件吊裝一般是靜止狀態(tài)或低速勻速運動狀態(tài)，可簡化為靜力學(xué)問題處理。

通過理論力學(xué)分析求出物體受力后，根據(jù)材料力學(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué)理論，采用有限元分析的方法求出大件吊裝的吊點、吊具的應(yīng)力、變形，評估其強度和穩(wěn)定性是否滿足要求。

1.3 吊裝虛擬仿真

吊裝虛擬仿真是大型吊裝技術(shù)和計算機仿真方法結(jié)合的產(chǎn)物，涉及力學(xué)和運動學(xué)、計算機圖形學(xué)、控制理論、項目管理理論、人機工程學(xué)等學(xué)科領(lǐng)域。中廣核工程有限公司建設(shè)了基于達索3D Experience 軟件的施工虛擬仿真平臺，可進行各種吊裝虛擬仿真工作。

圖1 主要步驟

吊裝虛擬仿真主要過程是在施工虛擬仿真平臺中建立和物理實體一致的三維模型，將其中具有機械運動功能的三維模型添加機械約束形成機械模型。按照擬定施工方案步驟對機械模型編程添加激勵使其執(zhí)行一些列操作，并建立虛擬攝像機、測量儀在各個設(shè)定視角觀察和測量整個吊裝過程，檢查各部分間的間隙和碰撞、工作空間等數(shù)據(jù)，分析評估其操作可行性及風(fēng)險。根據(jù)測量分析結(jié)果方便的通過參數(shù)化的修改模型和激勵調(diào)整方案，直至得出最優(yōu)施工方案。

2 采用虛擬仿真技術(shù)的大件吊裝方案編制

下文以某華龍一號核電站環(huán)吊的環(huán)軌梁整體吊裝為例，闡述采用虛擬仿真技術(shù)規(guī)劃和編制核電站大型設(shè)備的整體吊裝方案的方法。該仿真采用的是達索3D Experience 軟件，主要使用其中的CATIA、DELMIA、SIMULIA 相關(guān)功能。

2.1 主要步驟

采用虛擬仿真技術(shù)編制大件吊裝方案一般分為建模和裝配、布置規(guī)劃、運動規(guī)劃、碰撞和空間分析、力學(xué)分析等幾個步驟，需經(jīng)過幾輪迭代優(yōu)化可得到滿意的方案。

2.2 建模和裝配

采用CATIA 等三位建模軟件，建立環(huán)軌梁整體吊裝涉及的構(gòu)筑物、地形、吊車等機械設(shè)備、環(huán)軌梁等設(shè)備部件。

三維建模的精度要遵循焦點對象高精度、非焦點對象低精度的原則。如作為被吊裝物體的環(huán)軌梁及與之進行機械適配的吊具、履帶吊吊鉤，以及和環(huán)軌梁進行機械配合的牛腿，需按實際尺寸進行體現(xiàn)到毫米級尺寸特征的高精度建模。在吊裝路徑范圍內(nèi)的塔吊、反應(yīng)堆廠房的鋼襯里可進行相對低精度的建模，對于其他構(gòu)筑物和地形模型可進行低精度建模；對于大型履帶吊等吊裝機械，應(yīng)先查其性能表選定合適工況，如帶600t 超起配重的78m+60m 的塔式工況，按照其工況建立模型。對于需新設(shè)計的吊具可先設(shè)計一個尺寸合適的模型，在后續(xù)進行力學(xué)計算和優(yōu)化。

圖2 碰撞空間分析

在環(huán)軌梁吊裝過程中需運動的機械，在建模后需在DELMIA 的Equipment Design 模塊中將各運動部件之間，如履帶吊的下車和上車、上車和主臂、主臂和副臂、吊鉤和副臂之間建立機械連接，約束其某些方向上的自由度，建立機械和被吊裝物品的機械接口，將獨立的三維實體構(gòu)建成為具備真實運動功能的機械，為運動規(guī)劃提供條件；對于空間位置確定的地形、構(gòu)筑物、塔吊、環(huán)軌梁等被吊裝物項，可按實際位置進行模型裝配。大型履帶吊等吊裝機械和工裝裝配位置在布置規(guī)劃環(huán)節(jié)確定。

2.3 布置規(guī)劃

主要確定履帶吊等吊裝機械的站位，以及吊裝工裝擺放、輔助汽車吊和運輸板車的行走通道等。首先在CATAI 的Assembly Design 模塊將大型履帶吊、路基板、超起配重等擺放到一個大致合適的位置，采用測量工具測量其與周邊構(gòu)筑物、邊坡距離，通過參數(shù)化調(diào)節(jié)使其保留一個安全距離。將吊裝工裝、運輸板車、輔助汽車吊擺放到合適的工作位置，通過參數(shù)化調(diào)節(jié)其三維坐標，使其周邊運輸通道和工作空間足夠。

2.4 運動規(guī)劃

完成初步的布置規(guī)劃后，進入DELMIA 的Equipment Simulation 模塊對吊裝機械的運動副進行編程添加激勵，模擬整個吊裝過程。以某華龍一號核電站環(huán)吊的環(huán)軌梁吊裝為例，吊裝主要步驟有起吊、回轉(zhuǎn)、變幅、落鉤等幾個步驟：

在吊鉤-副臂運動副添加平移運動激勵，方向向上、速度5m/min、總行程100m，也可采用示教方式將吊鉤拖動到一個合適的高度作為運動終點；在履帶吊上車-下車運動副添加旋轉(zhuǎn)運動激勵，方向逆時針、速度5°/min。建立經(jīng)過反應(yīng)堆廠房中心線-履帶吊回轉(zhuǎn)中心線的輔助面，采用示教方式將上車拖動到輔助面上作為運動終點，也可測量主臂和輔助面之間的角度，直接設(shè)定回轉(zhuǎn)角度；在主臂-上車運動副添加旋轉(zhuǎn)運動激勵，方向順時針、速度1°/min，因主臂趴桿的角度有限，故直接設(shè)定總回轉(zhuǎn)角度5°；在副臂-主臂運動副添加旋轉(zhuǎn)運動激勵，方向順時針、速度1°/min。在反應(yīng)堆廠房中心建立輔助線，采用示教方式將副臂拖動到輔助線運動終點，也可進過測量設(shè)定回轉(zhuǎn)角度。

2.5 碰撞和空間分析

進行碰撞分析前需定義碰撞檢測參數(shù)，選擇檢測對象為履帶吊、構(gòu)筑物、塔吊，設(shè)定碰撞閾值，為安全起見一般設(shè)500mm，即兩個物體間的距離小于500mm 即視為碰撞；進行空間分析前需對需監(jiān)測的空間距離建立動態(tài)測量，如主臂和龍門架廠房之間、環(huán)軌梁和塔吊之間、副臂和反應(yīng)堆廠房鋼襯里之間等，可在運動過程中動態(tài)查看各處間距。需注意的是，在仿真時動態(tài)測量非常占用計算資源，造成運行卡頓，每次仿真時宜激活不超過3個動態(tài)測量。

設(shè)置好碰撞檢測和動態(tài)測量后即可在Equipment Simulation 模塊執(zhí)行動態(tài)吊裝仿真，查看運動過程。仿真過程中動態(tài)顯示定義的間隙測量值、碰撞位置提示，可隨時暫停查看。仿真結(jié)束后彈出碰撞檢測報告，列出碰撞位置，根據(jù)上述數(shù)值和位置進行碰撞分析和空間分析判斷是否碰撞，吊裝安全距離是否足夠。如仿真中發(fā)現(xiàn)碰撞和安全距離不夠，需針對具體情況來修改吊車站位、運動路徑，甚至重建模型修改吊裝工況、再重新進行仿真，直到滿足條件為止。

2.6 力學(xué)分析

如吊裝需要新設(shè)計吊具，在第一步可先設(shè)計一個尺寸合適的模型，經(jīng)碰撞和空間分析通過后，再對新設(shè)計吊具進行力學(xué)分析。力學(xué)分析可采用3D Experience 的SIMULIA 模塊進行，也可采用ANSYS 等軟件進行。由于環(huán)軌梁吊裝時的速度很慢，履帶吊的吊臂有較大彈性、履帶吊的鋼絲繩較長且有彈性、吊索也有彈性，整個吊裝過程中加速度很小，因此僅進行靜力學(xué)計算即可滿足工程需要。

吊具的靜力學(xué)分析采用有限元法，對吊具模型進行約束和加載并劃分網(wǎng)格，設(shè)定加載曲線后計算出應(yīng)力和變形。分別以額定載荷、1.5倍額定載荷加載，一般1.5倍額定載荷時最大von-Mises 應(yīng)力小于許用應(yīng)力，額定載荷時變形小于限值即認為通過。如不通過需修改吊具模型，通過修改結(jié)構(gòu)形式、局部補強、處理，修改后需重新進行力學(xué)計算，如外形尺寸有較大修改，需重新進行碰撞和空間分析。

綜上，采用虛擬仿真技術(shù)編制大型設(shè)備吊裝方案后，其產(chǎn)出包括一份帶有詳細三維插圖的施工方案、一套完整吊裝三維模型、一套吊裝仿真視頻。和傳統(tǒng)的純文字描述施工方案、二維圖紙插圖施工方案相比，能傳遞更豐富、更直觀、更準確的信息，更有利于作業(yè)人員理解作業(yè)過程。同時，可方便的通過修改參數(shù)調(diào)整吊車布置、動作規(guī)劃，提高方案優(yōu)化迭代效率，是一種高效的施工方案編制方法。其不足主要是三維虛擬仿真軟件學(xué)習(xí)曲線較陡，掌握難度稍大，且軟件價格昂貴，但未來三維CAE 軟件全面普及后應(yīng)能有效解決。