管道支吊架分析设计程序的开发

摘　要：在分析研究管道支吊架计算方法和各种支架型式的基础上，运用Visual Basic和Fortran语言，结合结构分析和数据库处理开发了“核工艺管道支吊架设计及分析计算程序”，通过分析、归纳解决了支吊架形式复杂和分析方法多样的难题，并解决了多种程序之间接口等难题。该程序可以应用于标准支吊架设计手册的分析评定工作，扩充标准支撑形式、适用范围、规格档次等；此外，该程序还可以用于工程中管道支撑的设计选型及非标支吊架的设计(特别是非标根部设计)等工作，在全面考虑支撑所承受的各向载荷的基础之上做到更合理、更经济地选择管道支撑；该程序的应用可以减轻工作强度、提高工作准确性及效率，同时保证支吊架设计中的经济性等优点。

关键词：分析法设计 核级管道支吊架 评定截面 板壳型支撑 线型支撑 截面线性化 承载能力

1 前言
　　核电站中通常有成千上万个管道支吊架，其中大部分为标准支吊架。传统设计中，标准支吊架的设计是根据预先评估过的标准支吊架设计手册进行的。该设计手册编制和扩充需要大量的预先计算和评定。此外，在工程实施中，经常会碰到标准支吊架形式可以满足，但尺寸不满足的情况，这就需要额外的评定。以上所有的计算和评定的流程是：手工建模—程序计算—手工评定。该过程十分繁琐，计算十分耗时耗力。
　　本文运用分析法设计，研究制定了支架有限元分析计算的分析评定方法和步骤，并在此基础上研究开发了管道支吊架设计及分析计算程序，不仅实现了对管道支吊架准确、合理、有效的分析评定，而且提高了复杂结构型式和复杂承载方式的支架的分析计算和设计能力，在短时间内完成了大量管道支吊架的分析计算与设计修改工作。管道支吊架设计及分析计算程序用Visual Basic语言和Fortran语言开发，实现了按照2001年版ASME规范NF的要求，对管道滑动、导向、固定、双向、刚性吊架、弹簧吊架等各种类型支架的进行设计选型和分析评定，应用该程序可以显著降低支吊架设计、分析和评定所需的时间和难度，并能适应各种核电工程设计分析的需要。
2 程序简介
　　管道支吊架设计及分析计算程序是分析法设计法，对原有支吊架分析及设计方法进行改进、提高和优化，同时针对不同支架形式开发了大量的建模和分析评定程序，并将上述分析方法的研究成果应用于本程序，从而提高了管道支撑设计效率、可靠性和经济性，丰富且优化管道支撑的设计方案，在全面考虑支撑所承受的各向载荷的基础之上做到更合理、更经济地选择管道支撑。
　　本程序应用的分析方法主要有：
　　1)  应用理论方法推导的部分板壳型支撑的分析计算公式。
　　2) 应用限元分析模型的分析计算方法。
　　3)  管夹与管道接触问题的处理。
　　4)  吊耳与吊环间接触范围及其承载能力的分析计算方法。
　　为了论证上述方法在支架分析设计中可应用性，采用了理论方法、三维实体模型分析以及结构的塑性极限分析的理论解与有限元方法以论证上述分析评定方法的正确性和有效性。
　　支吊架的评定依据ASME规范NF-2001的有关要求进行。
3程序的功能
     “核工艺管道支吊架设计及分析计算程序”包含了常用的管道支吊架型式，实现了与有限元分析计算软件的接口，通过自行开发的有限元结构分析软件的前后处理程序，该程序能够自动完成对结构形式复杂的支吊架的有限元建模、分析计算和评定。因此该程序完全能够满足各类核电站管道支吊架的设计分析要求。该程序主要有三个方面的功能：
      (一) 完成工程中管道支吊架的设计选型工作。主要是根据管道力学计算得到的支吊架承受的载荷，选择能满足支撑所要求的各个方向上的承载能力的相对较经济、合理的支架形式与尺寸规格。
      (二) 对现支吊架库进行分析验算与评定；并根据工程需要对现有支吊架库中支撑的系列和规格进行扩充。
      (三) 对标准型式、非标尺寸的支吊架进行分析计算与规范评定。
4 程序流程图
　　程序分三个步骤实施，即：支撑管部的分析计算与选型、支撑根部的分析计算与选型、支撑连接部件的分析计算与选型。“核工艺管道支吊架设计程序” 的完整流程见图4.1所示。
　　本程序采用VB和FORTRAN语言编写，并结合数据库应用软件、通用制图软件和有限元结构分析软件，可以实现设计、分析、计算和评定的高度自动化。图4.2和图4.3为本程序运行过程中的两个界面的示例。

5 程序的验证
　　对程序进行验证一般有三种方法：一是利用实验来与程序计算结果来比较；二是利用成熟的程序来进行考证；三是按照程序编制的理论和假设用手工计算来考证程序的可靠性。本程序采用第二种和第三种相结合的方法进行考验。即一方面使用本程序进行计算，另一方面利用程序计算理论和其它商用软件，用人工和程序计算相结合的办法得到评定结果。
     针对程序中支吊架的管部、连接部和根部分别进行了考题验证，验证了该程序的正确性。
6 结论
　　研究开发的“核工艺管道支吊架设计及分析计算程序”针对国产材料、型钢标准及支撑形式，集设计、分析、计算和评定于一体，并在分析方法、及设计方法上都有较大改进，同时显著提高工作效率，实现合理、有效、可靠地完成难度及复杂程度都较高的非标支吊架设计工作，具有较强的工程实用性。随着核电工程项目的不断开展，该程序将具有广泛的工程实用价值。
参考文献:
[1]ASME规范NF, 2001板.