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        基于MATLAB的核島廠房構(gòu)件配筋設(shè)計(jì)研究

        2017-04-12 00:00:00梁文廣

        【摘要】核島廠房結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體型龐大,采用ANSYS有限元計(jì)算時(shí)單元及工況數(shù)量多、幾何及材料參數(shù)多;目前尚無(wú)相關(guān)商業(yè)軟件能進(jìn)行核島廠房自動(dòng)配筋計(jì)算,只能人工計(jì)算,效率極低,且存在不易校對(duì)審核,易出錯(cuò)的風(fēng)險(xiǎn)。本文采用MATLAB軟件對(duì)核島廠房構(gòu)件批量配筋設(shè)計(jì)進(jìn)行研究,開(kāi)發(fā)了一套配筋計(jì)算程序文件,減少人為失誤,提高計(jì)算效率。

        【關(guān)鍵詞】核島廠房;有限元;MATLAB

        核電站核島廠房體型龐大,內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜,平面、豎向不規(guī)則,計(jì)算時(shí)要考慮龍卷風(fēng)、爆炸沖擊波、管道破裂等特殊荷載。常用的配筋計(jì)算軟件難以滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求,需借助有限元軟件進(jìn)行計(jì)算分析。為準(zhǔn)確模擬核島廠房的實(shí)際情況,整體計(jì)算采用的ANSYS三維有限元模型所包含的單元數(shù)量往往很大,達(dá)到幾萬(wàn)甚至十幾萬(wàn)個(gè)單元。同時(shí),其自身定義的幾何參數(shù)、材料參數(shù)種類(lèi)繁多。這幾種因素疊加在一起,給后續(xù)核島廠房的構(gòu)件配筋設(shè)計(jì)帶來(lái)巨大的工作量,人工處理耗時(shí)費(fèi)力,還極易出錯(cuò),同時(shí)存在不易修改、校核的情況,效率極低。因此有必要尋找一種后處理方法,做到優(yōu)化流程、提高效率、更好更快的進(jìn)行核島廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

        1、MATLAB配筋程序開(kāi)發(fā)

        1.1配筋設(shè)計(jì)程序方法

        本文主要借助于MATLAB軟件參數(shù)化編程語(yǔ)言,通過(guò)編制參數(shù)化程序及m文件來(lái)實(shí)現(xiàn)核島廠房配筋計(jì)算設(shè)計(jì)的目的。利用MATLAB程序語(yǔ)言進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)可以實(shí)現(xiàn)分析過(guò)程的參數(shù)化控制,使得整個(gè)分析過(guò)程流暢,編制的程序也有較強(qiáng)的適用性、可校對(duì)性及后續(xù)改進(jìn)性。

        核島廠房構(gòu)件設(shè)計(jì)采用《壓水堆核電廠核安全有關(guān)的混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求》(NB/T 20012-2010)進(jìn)行工況組合和配筋計(jì)算。

        1.2配筋設(shè)計(jì)流程

        本文介紹的配筋后處理主要流程為:(1)提取ANSYS有限元模型數(shù)據(jù)文件、各個(gè)單工況計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)文件。(2)讀取ANSYS模型的截面信息數(shù)據(jù)文件。(3)根據(jù)NB/T 20012-2010進(jìn)行工況組合,配筋采用NB/T 20012-2010及GB50010-2010兩種規(guī)范方法進(jìn)行計(jì)算設(shè)計(jì)。(4)自動(dòng)驗(yàn)算構(gòu)件最小配筋率。(5)自動(dòng)輸出最大配筋單元結(jié)果并自動(dòng)批量保存各個(gè)工況的計(jì)算結(jié)果。

        1.3后處理程序文件編制及使用方法

        利用MATLAB軟件的編程語(yǔ)言,按照配筋設(shè)計(jì)流程,本文編制了一套計(jì)算核島廠房常用SHELL63、SHELL181單元對(duì)應(yīng)的構(gòu)件配筋設(shè)計(jì)程序文件,共計(jì)9個(gè)m文件。各個(gè)文件的功能詳見(jiàn)表1。該后處理程序采用自動(dòng)以構(gòu)件編號(hào)的形式輸出,也支持用戶(hù)自定義輸出??煽紤]不同的工況輸出情況,后處理的所有數(shù)據(jù)自動(dòng)保存到指定的文件夾。

        該后處理程序使用步驟如下:(1)打開(kāi)MATLAB,指定工作目錄。(2)在MATLAB工作目錄中拷貝配筋程序文件shell_matlab_peijin.m。(3)在MATLAB工作目錄中,建立文件夾,將ANSYS后處理程序得到的數(shù)據(jù)文件夾全部拷貝到文件夾中。(4)在MATLAB工作目錄的文件夾中增加REAL_INFO.DAT、SECN_INFO.DAT兩個(gè)數(shù)據(jù)文件。(5)運(yùn)行shell_matlab_peijin.m文件直至結(jié)束。

        2、算例驗(yàn)證

        通過(guò)一個(gè)具體算例來(lái)演示和驗(yàn)證對(duì)本文的程序文件進(jìn)行驗(yàn)證。驗(yàn)證廠房設(shè)計(jì)使用年限50年,采用框架剪力墻結(jié)構(gòu)。利用SHELL181單元模擬墻板,BEAM188單元模擬梁柱進(jìn)行有限元模型建模和整體計(jì)算分析。單元數(shù)量為16023個(gè),計(jì)算單工況數(shù)量為63種。

        為驗(yàn)證程序的正確性,采用人工后處理結(jié)果來(lái)驗(yàn)證程序結(jié)果,限于篇幅,下面僅選擇永久荷載工況下一層樓面構(gòu)件殼單元的后處理數(shù)據(jù)。人工結(jié)果與程序結(jié)果對(duì)比如下圖1所示。

        結(jié)論:

        通過(guò)算例驗(yàn)證可知本文提出后處理程序輸出結(jié)果與人工計(jì)算結(jié)果達(dá)到高度一致,相對(duì)誤差不超過(guò)為0.03%,且本程序可以自動(dòng)讀取有限元計(jì)算輸出的內(nèi)力數(shù)據(jù),大大提高了計(jì)算效率。

        本后處理程序完成了核電設(shè)計(jì)規(guī)范NB/T 20012-2010以及民用設(shè)計(jì)規(guī)范GB 50010-2010的批量配筋程序,做到了優(yōu)化設(shè)計(jì)流程、提高設(shè)計(jì)效率,可更快更好的進(jìn)行核島廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

        參考文獻(xiàn):

        [1]《APDL參數(shù)化有限元分析技術(shù)及其應(yīng)用實(shí)例》.

        [2]《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50010-2010.

        [3]《壓水堆核電廠核安全有關(guān)的混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求》NB/T20012-2010 .

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