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            核电设备支撑架设计与仿真机械系统研究

            来源: www.zsalud.com 作者:lgg 发布时间:2018-02-26 论文字数:35869字
            论文编号: sb2018013116011719595 论文语言:中文 论文类型:硕士毕业论文
            本文是机械论文,本文研究的是“工程中间件”技术在核电设备支撑架设计中的实际应用,其中包含了 CAD/CAE 集成技术、三维参数化建模技术、有限元分析技术、CAD/CAE 相关软件二次开发技术等
            第 1 章 绪论
             
            1.1 工程背景及意义
            本课题来源于某研究设计院《核电设备及力学仿真分析子平台》 项目中的《支撑设计仿真系统》子项目。支撑设计仿真系统的主要功能是辅助设计人员完成支撑在方案设计阶段的快速设计和力学评估。目前,该项目已通过验收并交付使用。当前,全球各行各业飞快发展,因此全球对能源的需求也与日俱增,而能源紧缺问题已经非常严重。尽管通过各种节能措施,提高能源利用效率能在一定程度上缓解能源紧缺,但全球对能源需求日益增长的趋势不可逆转,因此必须发展可替代能源。中国工程院等科研单位依据目前能源需求和资源现状等因素对我国 2020 年电力装机容量大体进行了估计。根据估算结果来看,核电装机容量到 2020 年需达到 40GW ,而现在仅仅只有 6.1GW ,预示着目标实现任重而道远[1]。从核电的绝对值看,到时需增加近 6 倍,但依然只能占到电力装机总容量的 4.2%。为了实现此估算目标,又考虑到煤炭在其他领域的使用量,到 2020 年我国煤炭总量将达到 28 亿吨,这比现在需要足足增加 14 亿吨才能满足要求[1]。燃煤发电站在 2020 年后大量增加是不太可能的,这是社会发展、环境、资源、交通等因素的必然结果。水力发电在 2020 年前后将在可开发量的总经济中占非常高的比重,而能源的可持续发展性的重要作用将会慢慢减少。这就要求开发新能源,如太阳能、风能等可再生能源,事实上我们也是这么做的,但这些能源却永远在电力装机总量中占不到重要位置。由此,在我国,核能作为可持续发展能源将具有一定的战略接替性。
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            1.2 核电设备的发展现状与相关设计技术现状
             
            1.2.1 核电设备的发展现状
            在短短的二十几年时间里,我国已经建成了五座核电站(分别位于秦山、岭澳、大亚湾),在建的有三座(分别位于田湾、岭澳、秦三)[2]。为了实现国家核电发展目标,核电装机容量在 2020 年将达到四千万千瓦。我国核工业发展多年,在各有关单位的艰苦奋斗、开拓创新精神指引下,目前,已经拥有了加大核电建设进程的条件。工程设计层面,我国目前拥有 30/60 万KW 级别核电站项目的设计能力,并具备了百万级别核电站绝大部分环节的设计能力[3]。设备制造层面,我国早在上世纪七十年代前后就已经拥有了设备的研发制造能力。当前,在 30 万级的核电设备中,80%都拥有自主知识产权,60 万级的设备中,自主知识产权的拥有率也可达 70%,百万级的设备中的大部分设备也可自主生产[3]。核电设备的设计生产国有化是核电可持续发展的关键,我国在这方面的的设计生产仍面临很大挑战。很多的核心部件都是全部依靠进口,这对我国核电的发展速度、发展水平、设备安全等都是非常大的限制影响因素,甚至对国家和社会的安全都是有严重影响的。
             
            1.2.2 核电设备相关的设计技术现状
            伴随社会的进步,全球各个行业都在迅速发展,国家的经济支柱产业——制造业当然也不例外。现代制造设备工具越来越先进,其更新周期也越来越短,与之相对的传统设计制造方法则显得捉襟见肘、发展缓慢,如手工计算、建模、依赖生产经验等方法。当前,计算机在工程设计领域的应用研究效果显著,对实际设计生产的影响也有目共睹,但这些还远远不能满足市场对科技的需求。因此,我们不要与时俱进,不断研究新技术,用新技术研制产品,并反馈新技术的优缺点,以此反复循环,推进技术变革和社会发展。
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            第 2 章 核电设备支撑架结构设计
             
            2.1 设备支撑架结构
            本文研究的核电设备为某型号管道,该管道支撑架在实际工作中安全级别极高,在设计中需要考虑到:支撑等级和抗震要求、管道载荷、支撑分析温度、位移加速度、根部支反力、结构刚度以及支撑计算不通过的方方面面。管架由管座、管架柱、管架梁、基础部分等组成[15]。管架根据在管路上的受力、结构形式和作用的不同,分为固定管架、单项活动管架、双向活动管架和组合管架等。本文将以独立式门型固定管架为例来做具体的计算校核,其他类型管架的计算校核与此类似。管道支撑架的设计体系独立完整,具有一定的特殊性,所以它是一种特征结构。管架是支承管道的结构,而管道在一定程度上也是支承管架的。管道如同一根连续的纵向梁,将不相关的各个管架连成一个整体,形成一个空间体系而共同工作。这个体系对管架来讲,柱顶相当于支承在一个有限变位的弹性支座上,即管道在柱顶处起着支承的作用。考虑到这一因素,管架柱的计算长度就比完全独立的悬臂柱要小。在这个前提下,又由于管架柱承受的垂直荷载比较小,因此管架柱的长细比还可以取得大些,可由一般规定的不大于 25 放宽到不大于 40[15]。管架在实际工作中受到多种外力作用,一般包括:由管道热胀冷缩变形产生的水平推力、管道和管道内物质的重力、作用于管道和管架上的风力、地震产生的力管道的摩擦力、多处的扭转力等。管架有多种类型,每种类型都有自己独特的设计计算体系,本文主要研究单行门型固定管架,其他类型管架不做过多研究。
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            2.2 管道跨距
            管道允许跨距的大小直接决定着管架的数量。跨距太小造成管架过密,管架费用增高,在保证管道安全和正常运行的前提下,应尽可能地增大管道的跨距,以降低管架费用。管道允许跨距取决于管材的强度、管子截面刚度、外荷载的大小、管道敷设的坡度以及管道允许的最大挠度等[16]。管道允许跨距的计算应按强度和刚度两个条件进行,取两者中较小值作为推荐的最大允许跨距。
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            第 3 章 系统总方案设计.........32
            3.1 系统开发需求.............32
            3.1.1 开发目标..........32
            3.1.2 开发模块需求...............32
            3.2 系统工作流程.............33
            3.3 系统总体框架.............34
            3.4 支持系统的关键技术..............35
            3.5 本章小结........43
            第 4 章 系统各模块具体实现..............44
            4.1 系统框架........44
            4.2 数据处理模块实现.....50
            4.3 CAD 建模模块实现....52
            4.4 CAE 仿真分析模块实现.........58
            4.5 本章小结.......62
            第 5 章 多学科参数化设计平台..........63
            5.1 平台简介.......63
            5.2 各领域实现................65
            5.3 各领域协同效果........66
            5.4 本章小结.......67
             
            第 5 章 多学科参数化设计平台
             
            5.1 平台简介
            多学科参数化设计 CAXPD(ComputerAided X Parametric Design)软件,是上海丕休智能科技有限公司即将推向市场的一款全新软件产品,该产品版权归上海丕休智能科技有限公司所有,本人是该软件产品的研发人员之一,参与其中计算机辅助设计(CAD)领域的设计与开发工作。该软件目前在国内工程中间件领域处于领先地位,期望实现的效果是:对于工程设计人员无须掌握多种建模软件、无须掌握多种分析软件、无须掌握优化软件、无须编写工程设计报告,只要掌握该软件,即可快速实现某个产品的设计;同时也可以通过简单封装,开发出定向的产品设计软件包,如上文介绍的“核电设备支撑架设计仿真系统”,封装是通过专门开发的图形化开发环境 GFD(Graphical Further Design)软件实现的。该软件的核心就是类似软件(如 Proe、Catia、UG、Solidworks)的统一化和不同类软件(CAD、CAE、CFD)间的实时信息交互性。软件的设计开发技术与本文前面介绍的“核电设备支撑架的设计仿真系统”类似,新软件平台的开发灵感也来源与此。该软件的主界面如图 5.1 所示。因本人主要参与 CAD 领域的研发,所以主要介绍 CAD 领域的具体实现,其他领域因版权归属和本人水平问题不作叙述。本“多学科参数化设计”软件的研发灵感和技术均来源于诸多与文前所述项目类似的项目,之前项目属于定向设计开发,而 CAXPD 属于非定向设计开发。平台主程序为 exe 应用程序,主程序可调用不同领域的 dll 文件,整个平台都有属于自己的一套完整的中性模型(自定义数据接口),临时数据的存储为 XML 序列化技术。同一领域中的不同嵌入软件都通过自己的二次开发技术实现相同接口下的相同功能的开发,而这种开发不具针对性。
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            结论
             
            本文从工程师团队开发核电设备支撑架设计仿真系统出发,梳理了本人全程参与的设计过程,并深入研究了 CAD/CAE 集成技术、三维参数化建模技术、有限元分析技术、CAD/CAE 相关软件二次开发技术、软件信息通信技术等。此软件系统利用Visual C#.Net 技术为软件系统建立中间独立平台,将支撑架结构设计模块、有限元分析模块集成到平台上,并通过建立友好的交互界面完成工程师与本软件的信息交互,最终实现了在不需要掌握 CAD、CAE 等各相关软件的情况下实现核电设备支撑架的快速设计,也为国内工程中间件及行业内技术的发展起到积极的促进作用。本文研究取得的主要成果如下:1) 本文通过手动计算分析,掌握支撑架设计的详细情况,以此为根据建立中间件平台,使得用户在不需要掌握 CAD、CAE 各具体软件(如 Creo、Ansys)的情况下借助计算机完成产品的设计工作,大大降低用户门槛;2) 中性模型的建立,使得软件之间的数据交互方便快捷;3) 流程固化、信息实时交互,使得整个产品的设计过程快速而准确;4) 各大工程软件的二次开发,使得产品设计中的选型、建模、分析过程规范而高效。
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            参考文献(略)

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