核電力學分析集成系統的應用研究

摘" 要：當前核電項目存在數量多、進度緊、要求高等特點，傳統的核電力學分析流程與工作模式，越來越難以滿足工程的進度需求。為了實現更高效、更高質、更協同的設計研發與制造模式，提高核電項目中力學分析的工作效率、降低人因失誤、強化協同設計能力以及加強數據管理應用，該文提出并研究建立一套核電力學分析集成系統，該系統以核電工程力學強度評估方法及分析過程為基礎，以自動化過程為核心，以智能數據應用為驅動，以數字集成平臺為依托，能夠對上下游的結構化數據進行解析和傳遞，可完成設備、管道的一體化自動分析流程，并實現數據管理和關聯統計等功能。該系統應用于核電項目的過程中，在保證設計安全和質量的同時，也將進一步推動核工程領域中力學分析環節的程序化、信息化、智能化發展。

關鍵詞：核電力學分析;集成系統;自動分析流程;智能數據;自動化

中圖分類號：TL353" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2024）09-0001-04

Abstract： At present， there are a large number of nuclear power projects， tight schedule， high requirements and other characteristics， the traditional nuclear power mechanics analysis process and work mode， it is more and more difficult to meet the schedule requirements of the project. In order to achieve a more efficient， high-quality and collaborative design， development and manufacturing mode， improve the work efficiency of mechanical analysis in nuclear power projects， reduce human errors， strengthen collaborative design capabilities and strengthen the application of data management. In this paper， a set of nuclear power mechanics analysis integrated system is proposed and established， which is based on the mechanical strength evaluation method and analysis process of nuclear power engineering， with the automation process as the core and the intelligent data application as the drive. Based on digital integration platform， it can parse and transmit the upstream and downstream structured data， complete the integrated automatic analysis process of equipment and pipeline， and realize the functions of data management and associated statistics. In the process of applying the system to nuclear power projects， it will not only ensure the safety and quality of the design， but also further promote the procedural， information and intelligent development of mechanical analysis in the field of nuclear engineering.

Keywords： nuclear mechanics analysis; integrated system; automatic analysis flow; intelligent data; automation

當前，隨著核能利用領域的逐步深化，大量核電項目經批復開始設計、建造、運行和維護。在核電機組的各生命周期階段，抗震設備與管道的安全性對于核電機組正常運行至關重要。這個過程需要力學專業的設計人員對眾多的設備與管道進行分析評定工作，以確保其設計方案能夠在自重、內壓、地震等載荷作用下滿足規范要求。

在一個完整的關鍵設備或管道力學強度評估的過程中，涉及到從圖紙獲取設計參數，根據參數建立有限元模型，再施加相應的載荷約束，并進行有限元計算，最后再針對特定部件提取應力等計算結果，與許用限值進行比較等階段。整個過程環節繁多、專業知識要求高、產生巨量數據。采用傳統的流程與工作模式，難以實現更高效、更高質、更協同的設計研發與制造要求，也越來越難以滿足工程項目的節點需求。主要的制約因素體現在以下方面：①分析過程繁雜，人員介入度高，流程長;②數據量龐大，載體類型多，信息管理困難，難以形成相互關聯的數據資產;③業務管理與質量保證模式通過圖紙或文件傳遞，人工處理成本高、易導致多源多版本間信息沖突。

在新時代階段，數據已逐步成為關鍵生產要素之一，信息技術已成為我國發展的重要戰略支柱。采用數字化技術建立核電力學分析集成系統，形成一套標準化、自動化、智能化的設備與管道力學分析流程，實現力學計算軟件集成管理與數據資產關聯統計應用的功能，從而能夠大幅提高核電項目中力學分析的工作效率、降低人因失誤、強化協同設計能力，成為了核電力學高水平發展的重要目標[1-2]。

本文提出并研究建立一個核電力學分析集成系統，該系統以核電工程力學強度評估方法及分析過程為基礎，以自動化過程為核心，以智能數據應用為驅動，以數字集成平臺為依托。能夠對上下游的結構化數據進行解析和傳遞，可完成設備、管道的一體化自動分析流程，并實現數據管理和關聯統計等功能，系統邏輯圖如圖1所示。該系統應用于核電項目的過程中，在保證設計安全和質量的同時，也將進一步推動核工程領域中力學分析環節的程序化、信息化、智能化發展。

1" 研究過程與實施

1.1" 集成自動化流程

設備與管道力學自動化分析流程集成是實現系統主要功能的核心。通過參數化手段集成分析流程，可實現從圖紙信息解析、建立有限元模型、加載載荷邊界、生成分析報告等環節的自動執行，可大幅減少人員介入程度、提升力學分析效率、為數據集積累提供支持[3]。主要的集成步驟如圖2所示。

1）幾何結構特征與數據信息分解及提煉。首先需要對力學分析過程中涉及的設備與管道典型部件進行模塊化分解與提煉細分，并整理流程中涉及到的主要信息。

2）自動化腳本與代碼封裝，實現參數化建模及計算。針對提煉出的典型部件，對其建立模型、劃分網格以及接觸、裝配編制命令腳本，同時編制自動化計算及后處理腳本，包括模態分析、抗震分析、工況組合及結果提取等，從而實現通過僅僅幾行指令便能完成單個設備或管道的計算任務[4-6]。

3）集成軟件調用與自主分析，圖紙數據流解析。在該流程模式下，設計人員將不再需要閱讀圖紙及其他計算資料，而是由程序解析上游傳遞信息，并轉換為可直接仿真計算的數據流。因此，對上游傳遞的設備json數據或管道pcf信息解析并轉換為mac或fre等格式。

4）集成規范與評定準則，實現報告自動生成功能。梳理并集成評定分析中所需要的規范準則信息[7]，并用宏命令方式整合為評定腳本，進行自動評定。另外根據要出版報告的格式開發報告生成模塊，可根據計算輸入信息和結果信息直接生成報告，并將涉及的關鍵信息保存在數據庫當中。

5）融合質保過程，提升質量管控能力。將質保過程涉及的內容與流程進行提煉與整理，并整理流程圖，減少偏差發生概率。

1.2" 數據標準建立與數據資產智能管理應用

根據力學分析涉及的參數需求建立仿真數據標準和結構化數據模式，明確數據的范圍和形式，從而在整個環節使得不同設計人員或不同設計階段均采用統一的數據結構和形式。

1）設計并搭建數據庫系統。基于數據的一致性、安全性、可擴展性的原則，設計并建立數據庫系統，涵蓋力學分析涉及的輸入、輸出、中間過程、項目管理、題目管理和人員管理等關鍵層面的所有信息，并通過外鍵形式建立相關數據之間的關系。

2）實現數據統計及關聯。基于數據庫基礎，實現數據信息的查詢統計及關聯統計，如圖3所示，例如可以通過某個設備號查詢到所有連接其上的管道，以及查找某個系統內所有的管道和出現的最大應力值。同時可以實現仿真計算及隨時存儲能力，并在開發及測試過程中，積累全過程數據，為智能化分析增加了訓練數據集基礎。

3）機器學習與智能化分析。開發機器學習算法與預測模型，對已記錄在數據庫中的設備或管道數據進行學習和訓練，并對智能模型進行代碼化處理，能實現對結果的快速反饋和智能優化建議，無需調用有限元分析軟件進行計算即可獲得計算結果，能夠極大地減少調試和優化修改工作。

1.3nbsp; 集成系統搭建與數據接口構建

通過數字化手段搭建力學集成系統，可將核心功能與數據資產通過界面化形式與設計人員進行交互操作，并能采用可視化方式展現數據的統計信息與關聯信息。利用平臺與接口功能，進一步實現與其他專業系統的數據傳遞，增強項目協同設計能力。

1）B/S架構平臺開發。設計人員可以通過瀏覽器訪問系統并與之交互完成仿真計算或統計查詢等工作。平臺系統采用前后端分離，依照松耦合、可擴展、易維護的設計原則搭建，并按照功能劃分為不同的功能模塊和數據庫。系統整體架構如圖4所示。

2）計算軟件與資源集成。系統集成了有限元計算軟件，如ANSYS，PIPESTRESS等，用戶可以通過平臺調用對應的軟件（可選擇特定版本）對提交的計算數據進行自動化仿真。同時，平臺能夠協調計算的資源，能夠選擇自己的電腦或服務器或超算服務資源進行計算。

3）校審流程集成。采用數據流轉引擎集成校審流程，在平臺中首先梳理原有方案涉及的校審過程和關鍵節點，然后把流程通過代碼化處理整合在系統中，可在線查看計算的全部文件，并給出校審的意見以流轉。系統平臺功能模塊界面如圖5所示。

4）接口系統構建。基于RESTful API，按照結構化數據規則設計并建立接口，主要采用json的數據格式與設備、布置、結構、超算等平臺系統進行數據傳遞。并編制接口信息文檔，提供其他系統使用。

通過以上部分的實施，能夠將3個層面的主要內容整合在一起，協同構建該一體化系統，從而充分提升工作效率，并利用數據驅動的能力為設計進行賦能。協同設計實施過程如圖6所示。

2" 成果與應用

該系統圍繞核電力學主要業務流程的自動化、數字化、智能化分析中的CAE核心技術，融合了16個模塊，10余個數據庫，提高了力學分析效率，減少了重復工作，實現了精細化力學設計，保證質量的同時提高效率。當前該系統已經應用在某工程項目中，在研究過程中建立的核工程管道三維數據格式（NPCF）和設備三維數據格式與力學計算軟件轉換接口對于人力成本節約起到了很大作用。例如，對于一個容器類典型設備，從接收到上游專業提交的規則化圖紙數據開始，經過數據解析、建模、加載、計算、后處理到最后生成報告，均由系統自動完成，減少人為干預和手動操作導致的失誤，確保計算輸入和輸出的一致性，全過程平均耗時可減少75%。

平臺在計算過程中存儲大量的輸入、輸出數據，形成了有效的數字資產，為智能預測和設計優化提供高質量的數據樣本，已部分實現核工程設備及管道智能預測及設計優化快速反饋能力，為后續實現設計與制造或施工的數字孿生打下基礎。

3" 結束語

核電工程涉及復雜性，高標準、嚴要求等特性，本文提出并研究的核電力學分析集成系統旨在通過數字化、智能化的手段提升工業仿真效率及能力，依托新領域、新科技方法，加強核電項目設計制造能力。該系統基于核電力學主要業務過程，能夠實現仿真流程、工具、數據和知識等管理，并能夠實現各類信息系統的集成等。同時具備強擴展性，可根據其他項目或結構進行定制化修改調整。

參考文獻：

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[6] 姚謙峰，常鵬.工程結構抗震分析[M].北京：清華大學出版社，北京交通大學出版社，2012.

[7] 壓力容器封頭：GB/T 25198—2010[S].2010.

第一作者簡介：高齊樂（1992-），男，碩士，工程師。研究方向為結構力學分析。