Автоматизация расчетов на прочность в САПР ядерных энергетических установок тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.04 ВАК РФ

* ■

1. .;.lt.«e тдвл I вртацчГ; ;

городским ордена Трудового Красного Знамени государе! нешпдц уннпереитет им. H.H. Лобачевского

на ni)'ii:;:x рукописи

БАНКРУТЕНКО ВЛАДИМИР ВИКТОРОВИЧ

УДК 621.0.W.5 i;()l .2: 539.4.091.24

АВТОМАТИЗАЦИЯ РАСЧЕТОВ НА П ТОЧНОСТЬ В САШ' ЯДЕРНЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК

Специальность

01.02.04 - механика деформируемого i:.e;>;;(!io Tev.'. 05.13.12 - системм автоматизации проектирован!'."

Работа выполнена в Опытно-конструкторном бюро машиностроения.

Научный руководитель: академик Академии Наук СССР, доктор технических наук, профессор МИТЕНКОВ Ф.М.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор Ю.Г.Коротких

доктор технических наук, профессор Д.И. Батищев

Ведущая организация - указана в решении специализированного Совета.

Защита состоится " " 1992 г. з часов на заседании специализированного Совета К.063.77.Ю в Нижегородском государственном университете им. Н.И. Лобачевского по адресу: 603022, Нижний Новгород, проспект Гага рина.23,корпус2.

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке

НГУ.

Автореферат разослан 1992 г.

Ученый секретарь специализированного Совета

к.т.н. Б.В. Трухи н

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Ядерная энергетическая установка - изделие машиностроения высокой сложности, представляющее собой комплекс 1азличнога оборудования, взаимосвязанного непрерывно осуществляемыми фоцессами преобразования, передачи и перераспределения энергии.

Собственно процессу проектирования ядерной энергетической установки фисущи многостадийность и итерированность, обусловленные сложностью адачи. Причем к качеству принимаемых решений предъявляются высокие ребования, ибо ошибки в ходе проектирования приведут в дальнейшем к [еоправданным затратам времени и средств.

Прогрессирующее несоответствие между требованиями сокращения роков проектирования ядерных энергетических установок, повышения ;ачества, безопасности и надежности проектов, и снижение их стоимости [ривело к быстрому развитию систем автоматизированного проектирования САПР) ядерных энергетических установок или более привычная абревиатура ;АПР ЯР (система автоматизированного проектирования ядерных реакторов).

В САПР ЯР целесообразно выделить подсистемы: геометрического моделирования, информационную и расчетных обоснований. С здание :истемы расчетных обоснований в САПР ЯЭУ невозможно без использования ффективных методов решения сложных трехмерных задач механики ллошных сред, описывающих процессы теплопереноса и кинетики тпряженно-деформированного состояния з материале конструктивных узлов. Тринципиальным моментом при включении системы расчетных обоснований I САПР ЯР является выбор метода решения систем уравнений, описывающих математическую модель установки. Оптимальным представляется выбор :диных методов решения. Хорошо зарекомендовав себя в практике реакторных. »счетов, метод конечного элемента (МКЭ) при решении широкого круга ¡ычислительных задач позволяет провест.1 корректное описание геометрии ¡онструкции и становится на сегодня основным в инженерных расчетах ЯР.

В настоящее время в САПР используются развитые пакеты !нтерактивной машинной графики. В этих условиях несомненные 1реимущества имеет системный подход к проектированию, базирующийся на 1Вном выделении м единстве структуры хранения данных для всех типов задач механики сплошных сред заданного класса, использующих МКЭ. При этом все засчетные программы объединяются в комплекс, единая структура 1редставления данных которого в ЭВМ обе ттечивает информационную »вместимость программ и возможность использования единственной :ервисной программы автоматизации ввода/вывода. Сама разработка сомплекса может вестись поэтапно, последовательно охватывая все большую >бласть решаемых задач.

В связи с этим актуальна задача реализации системного подхода к 1втоматизации расчетов на базе МКЭ в САПР ЯР.

Актуальность данной задачи отражена в "Координационном плане по ттоматизации проектирования в реакторостроении "(САПР МАШ), Отраслевой комплексной научно-технической программе автоматизации :ПЕКТР".

Решению этой задачи и посвяшена настоящая работа. Цель работы;

разработка методологии информационной совместимости зсновных подсистем САПР ЯР на базе использования наиболее зерспективного из современных инженерных методов расчета -МКЭ;

• разработка архитектуры программного обеспечения автоматизированной системы теплопрочностных расчетов (ПО \СТПР) в составе САПР МАШ и реализация макета ПО АСТПР; ■ разработка методологии проектирования конверторов ПО АСТПР

и реализация автоматизированной системы проектирования конверторов на базе разработанной методологии. Для осуществления указанной цели в работе поставлены и решены следующие задачи:

1. Разработаны принципы информационной совместимости системы поиска решений и расчетных обоснований в САПР ЯР.

2. Разработана архитектура ПО АСТПР и на ее основе осуществлена реализация макета ПО АСТПР на супер-мини ЭВМ и на двухмашинном комплексе ЕС ЭВМ - АРМ(СМ ЭВМ).

3. Реализована автоматизированная система прочностных расчетов (АС ПР).

4. Разработана методология проектирования конверторов, иа основе которой реализована система автоматизации проектирования конверторов.

5. Апробация системы в реальном проектировании.

Научпая новизна.

1. По специальности 01.02.04

- Разработана методология комплексного решения задачи механик! сплошных сред: тепломассопереноса, расчета кинетики температурных полей расчета кинетики напряженно деформированного состояния деформируемы; тел, заключающаяся в том, что для всех классов, рассматриваемых зада1 предлагается единый сеточный образ, единая геометрическая информация, : созданные программные средства позволяют обрабатывать всю информацию i представлять ее в надлежащем виде, что достигается соответствующе! архитектурой программного обеспечения.

- Архитектура программного обеспечения, позволяющая включат! современные средства задания, контроля, визуализации информащн ':рехмер.чы> конечно-элементных моделей.

- Результаты решения конкретных сложных трехмерных задач механик!: ш анализу лд.с.двухзагюрного клапана,

2. По специальности 05.13.12

- Применен системный подход к автоматизации расчетов на базе МКЭ i САПР ЯР.

-Разработана методология проектирования конверторов для АСГПР. 3 î 1а стыке специальностей 01.02.04 и 05.13.12

- Разработана методолошя информационной совместимости подскстс расчетных о,"¡оснований САПР ЯР на базе использования МКЭ, позволяюща! применить современные методы механики сплошных сред для САПР ЯР.

- Разработана автоматизипованная система теплопрочностных расчетов в САПР ЯР. * '

1. Принципы и методология информационней совместимости подсистем по!<ска решений и расчетных обоснований в САПР ЯР на базе о.п.емных конечных элементов.

2. Архитектура ПО АСТПР в САПР ЯР.

3. Методология проектирования конверторов'.

4. Результаты программной реализации разработок в практическом проектировании.

~ Результаты работы использованы при создании 1 и 2 очередей отраслевой системы автоматизированного проектирования изделий ,мяц!;!Н!Ктрае1Шч (САПР МАШ), используются на головном по САПР

лпрпятнн отрасли при проектировании широкие спектра энергоустановок, чеп.'ре «конченные программные разработки переданы в НИИ и КБ, v*.i;v аьчц'лхся проектированием ядерныч реакторов.

Апробация работы.

Основные положения и результаты диссертационной работы доложены и обсуждены на международном симпозиуме INFO-K9 "Разработка и использование персональных ЭВМ" (Минск, 19К9), на школе ВДНХ "Программное обеспечение инженерных прочностных расчетов в САПР машиностроения" (Москва, 1990), на IV Всесоюзной школе "Теоретические основы и конструирование численных алгоритмов решения задач математической физики" (Горький, 19.46), на Второй Всесоюзной научно-технической конференции "Практическое применение современных технологий программирования, пакетов прикладных программ в вычислительных системах и сетях ЭВМ" (Днепропетровск, 1991)), на Втором отраслевом совещании по САПР (Горький, 1987), на международной конференции 'Технология программирования 90-х" (Киев, 1991).

Публикации.

Основное содержание диссертационной работы отражено в 8-ми публикациях /1-8/.

Содержание работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы (101 наименование), 3 приложений. Работа содержит 83 страницы машинописного текста, 46 рисунков, 5 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы.

Во введении.обосновывается актуальность темы, приведена общая характеристика работы, сформулированы ее цели и задачи.

В первой главе рассматриваются сущность системного подхода, особенности проектирования ядерного реактора как объекта автоматизации, проводится анализ систем автоматизированного проектирования ЯЭУ, подсистемы расчетных обоснований в составе САПР ЯР как области, где системный подход развивается наиболее последовательно, принципы построения программного обеспечения системы прочностных расчетов как одной из основных составляющих подсистемы расчетных обоснований.

Основоположник отечественной школы системного подхода в энергетике, академик ЛА. Мелентьев основы системного подхода сводит к семи главным положениям, из которых для рассматриваемой задачи существенны следующие четыре положения - это рассмотрение окружающей действительности в единстве, развитии, целостности и преемственности.

В диссертации показано, что задача автоматизации расчетов на базе метода конечных элементов в САПР ЯР является объектом системного подхода.

Современный этап развития атомной энергетики (ишиначии связывается с внедрением автоматизированных способов проектирования, строительства и эксплуатации атомных станций. Проведенный автором ахали < передовых мировых САПР, предназначенные для проектировании Я'ЗУ, показал, что все они содержат подсистемы геометрического моделирования, расчетных обоснований и автоматизации чертежных работ. Как правило, специализированное САПР строятся на использовании в качестве ядра известной автоматизированной системы общего назначения. Так, фирма СИМЕНС построила свою САПР АЭС на базе системы BRA У 03, а фирма Е<11: - на бапе системы PHOEBUS.

Система геометрического моделирования - обязательная компонента ядра САПР..В геометрическом моделировании объект может быть представлен в виде проволочной, полигональной или твердотельной модели. Наиболо; точное представление объекта дают твердотельные модели, о чем

свидетельствуют прицеленные в диссертации характеристики современна систем твердотельного моделирования.

Современные САПР ЯР строятся с использованием твердотельнь систем геометрического моделирования, в частности с использование системы GEOMOD, подсистемы одной ич наиболее перспективнь интегрированных САПР общего назначения - I-DEAS.

Система расчетных обосновании - проблемно ориентирован»; специализированная подсистема конкретной САПР, учитывают: особенности конкретного объекта автоматизации. Математическая модель ЯЭ

- модель разнородных физических процессов, описываемых нелинейнс системой дифференциальных в частных производных, алгебраических трансцендентных уравнений. Для решения этих уравнений традици'ош использовались конечно-разностные схемы. В последнее время широю распространение получил метод конечных элементов, который применяет! при расчете напряженно-деформированного состояния, тепловых полей биологической зашиты ядерных реакторов.

Автором покачано, что применение положения "целостность" системно] подхода позволяет сделать вывод о внутреннем единстве систе геометрического моделирования(СГМ) и расчетных обоснований (СРС заключающееся к том, что в качестве геометрической модели в систеч расчетных обоснований используется модель, созданная в систех геометрического моделирования. Такой подход позволяет рассматривать эп две системы как единую систему, автономную относительно других подсисте САПР ЯР.

Характерной особенностью развитых подсистем расчетного обоснован! машиностроительных САПР стало обязательное включение в нее подсистем конечно-элементного анализа.

■ При проектировании САПР основываются на следующих трех главных интерфейсах:

- интерфейс обмена данными между системами автоматизированного проектирования для передачи проволочно-каркасных, поверхностных и твердотельных моделей;

- внутренние интерфейсы, то есть интерфейсы базы данных САПР и пользовательский интерфейс САПР;

-интерфейсы программ конечно-элементного анализа.

Основой любого из интерфейсов является определение соответствующе нейтрального формата данных.

Автор предлагает при построении САПР ЯР в качестве интерфеЙ! обмена данными между системами автоматизированного проектирован! использо;'..ть известный стандарт 1GES, а в качестве интерфейса програм конечно-элементного анализа - фазу II "нейтрального" файла систем PATRAN.

В третьем разделе рассматриваются принципы построен! программной; обеспечения автоматизированной системы прочноетнь расчетоз(АСПР) с точки зрения основных положений системного подхода.

В» второй главе рассматривается математическая постановка краевь задач анализа прочности.

Ядерная энергетическая установка представляет собой сложи ь комплексный объект управления.

С точки зрения управления реактором различают следующие режим разогрева, расхолаживании, сброса аварийной защиты, изменения мошност стационарный и гидроиспытаний .

Все указанные выше рехимы, ич конкретная последовательное определяют раличные тепломеханические воздействия и, как резул;-т; кннегнк) напряженно деформированного состо,чния(нл.с.) и процесс развит! порождений мат'риала конструктивных ъчементов. что определяет те кушу прочность лих i. еменюн. В главе -;ассмдтр.1ваются факторы, влияющие i

фоиессы накопления повреждений и предельные состояния конструктивных »лементов ЯЭУ.

Необходим точный расчет кинетики температурных полей в объеме шнструктивных элементов реактора и вызываемыми ими нестационарных млей напряжений, полных и пластических деформаций. Наиболее точный и ;стественный подход к исследованию отдельных элементом оборудования ЯЭУ три пеем многообразии условии их нагружения заключается в непосредственном использовании трехмерных математических моделей. Используемый метод должен учитывать реальную геометрию, неоднородность структуры и физических свойств материалов конструкции. Таковым является метод конечных элементов.

Отмечается, что нелинейность рассматриваемых процессов и их существенно трехмерный характер приводит к необходимости совместного пошагового расчета процессов тепломассопереноса, кинетики напряженно деформированного состояния путем решения соответсвующих трехмерных начально краевых задач.

Ниже рассмотрены классы задач, необходимые для теплопрочностного расчета ЯЭУ.

Задача теплопереноса.

Задачи теплопереноса в ЯЭУ, в принципе, могут быть сселены к задаче расчета процесса течения теплоносителя в перном контуре по заданным на входе и выходе давлениям и расходу теплоносителя и вызываемых этим течением температурных полей в различные моменты времени в материале соогветуюших конструктивных элементов.

Математическая модель описывается классическими уравнениями Навье-Стокса, неразрывности и теплопереноса для твердого тела, ограниченного замкнутой поверхностью, с соответствующими заданными, начальными условиями и граничными условиями Дирихле и Неймана.

Задача теплопроводности.

Задача состоит в определении стационарных и нестационарных температурных полей в массивных чл. ментах конструкции. Искомые поля должны удовлетворять уравнениям теплопроводности и соответствующими начальными и граничным условиям.

Задача механики деформированного твердого тел а (МЛ ГО.

Задача состоит ц определении напряженно-деформированного состояния твердого тела, находящегося под воздействием силовых и температурных нагрузок.

Существенно, чн> задача определения регурьа учло» ЯЭУ предеганляет собой комплексную проблему и требует решения перечисленных выше различных »адач механики, ('ложность решении данной шдачн включается в том, чго уравнения, описывающие чти задачи, оивкяго! к разным тинам, каждый из которых для решен ют требует спою дискретизацию обчасгн и свой временной шаг. В данной главе зга проблема р.исматрниаегся применительно к задаче теплопроводности. Решение '.»той задачи с точки зрения определения нд.с. необходимо вести с учетом кинетики температурных нолей. Однако решение такой задачи в динамике невозможно на практике, ибо требует привлечения нереальных по сегодняшним возможностям вычислительных ресурсо». Поэтому задача была разбита на задачу определения температурных полей в фиксированные моменты времени и задачу механики

деформированного твердого тела с учетом полученного в предыдущей задаче • температурного поля. Непосредственное использование температурного поля невозможно в силу решения задачи теплопроводности на более грубой сетке, и, как следствие, невозможно использование аппроксимации температурного поля для конечно-элементной сетки в задаче механики.

Выбор метода конечных элементов в качестве единого метода решения для системы расчетных обоснований, позволяет разрешить эту проблему. Требование целостности к предлагаемой в следующей главе автоматизированной системе теплопрочностных расчетов позволяет решать эту задачу на единой сетке. Этим достигается проведение более точного анализа напряженно-деформированного состояния конструкции.

Однако, как отмечалось выше, подготовка исходных данных для расчета методом конечных элементов - трудоемкий процесс,.особенно для трехмерных конструкций и ставит перед пользователем необходимость разрешения следующих вопросов:

1У>писание геометрии рассчитываемой конструкции; 21разбиение этой конструкции на конечные элементы;

3)задание физических характеристик, заключающихся в описании материалов, задании граничных и силовых воздействий;

4)контроля полученной конечно-элементной сетки и правильности задания силовых и граничных воздействий;

5)расчета с помощью метода конечных элементов;

6)анализа полученных результатов.

Без использования автоматизации их разрешение в инженерной практике для трехмерных конструкций не представлялось возможным. С этой целью разрабатывались специальные системы, которые функционально (|юрм провались в виде трех систем: препроцессора, процессора и постпроцессора. Системный подход к автоматизации расчетов на базе МКЭ позволяет рассматривать препроцессор, процессор и постпроцессор как отдельные элементы автоматизированной-системы, для целостности которой необходима система проектирования конверторов.

В заключении второй главы сделаны следующие выводы:

1. Рассмотрение объектов ЯЭУ показывает, что они относятся к классу больших систем, в которых процессы повреждений характеризуются многостадийностью и зависят от большого количества факторов; таким образом при проектировании ЯЭУ необходимо последовательное иерользование системного подхода.

2. Решение уравнений, описывающих теплопрочностные процессы ЯЭУ с использованием метода конечных элементов в вариационной или проекционной формулировке предполагается проводить с использованием единого сеточного образа и единого представления геометрической информации.

3. Анализ этапов подготовки исходных данных для метода конечных элементов и процесса анализа результатов показал значительную трудоемкость этих этапов.

4. Построение автоматизированной системы теплопрочностных расчетов в САПР ЯР как целостной системы возможно только с использованием системного подхода.

В третьей главе определены требования к прикладному и базовому графическому программному обеспечению, к интер<|>ейсу с операционной средой, к сетевому программному обеспечению, дано описание разработанной архитектуры программного обеспечения автоматизированной системы теплопрочностных расчетов (АСТПР), описаны принципы реализации макета ПО АСТПР и реализация макета на супер-мини ЭВМ и двухмашинном комплексе 1:С-АРМ(СМ ЭВМ), дано описание реализованной системы прочностных расчетов (АС'ПР), основной составляющей подсистемы расчетных обоснований. На основе системного анализа проблемной области

современных тенденций вычислительных средств разработаны требования прикладному, базовому графическому и сетевому программному обеспечении) САПР МАШ.

Автор придсржигается понятия архитектуры программного обеспечен;-,;! определенного Г.Майерсом: "Применительно к вычислительным системам термин "архитектура" может быть определен как распределение функций, реализуемых системой по отдельным ее уровнем н точное определение границ между этими уровням;)". В этом смысле архитектура npoi раммното обеспечения главным образом определяете.'! структурой, функциями м принципами работы.

Па рис. 1 приведена предложенная актором структура автоматизированной системы теплопрочноетныч расчетов.

Такая структура программного обеспечения, осшлганнач .'¡а стандартизации данных, позноляет осуществить реал и lanum сю как на отдельной графической станции средней прс,цц'д>аитедьное;п, так а ча распределенной системе, включающей головной вычисли гель.

Разработка макета ПО АСТПР пелась на мловном предприятии отрасли по САПР и предназначалась для дальнейшего тпраа-.ированн.ч на машиностроительных предприятиях. Поэтому разрабатываемое ПО АСТПР должно быть открытой системой, по жоляюшен гаслючать а систему сьоп процессоры или привычные лре-, постпроцессоры.

Актором была проведена реализация макета НО АСТПР на VAX серии ЙООО линии DEC, супер-мини ЭВМ 'лой линии ни',¡более распространены л САПР. На рис. 2 приведена струпу ра ПО АСТПР на супер-мини ЭВМ

Основу парка вычислительных машин, иснолыуемых я CCCiJ, составляют машины класса IX' и СМ ЭВМ, имеющие в качес. s,e ¡¡{«mmimi« шнроко распространенные на Западе машпни фирм IBM и Í)5iO. ?2->. разрядные супер-мини ЭВМ СМ-17ХХ. целый огксстм к расприсдраненным машинам.

IV главе описано решение ть.танлечпти перед автором -.вдачи реализации макета ПО АСТПР па вычислительны» средствах, наиболее широко используемых в ССС!'. Для реализации макета ПО ACTUV 61.1/1 ммбрдц двухмашинный комплекс ЕС ')|!,\1-АР.М (СМ ЭВМ).

Автоматизированной система, ф\'акипонпру>ыц.'.я на дву лмиашвво:! ■комплексе, по сути представляет собой модель |»::vn|>vV¡c:iciiiH»;i САП!'. Архитектура, распределенной САПР гора то pa oiooópa ¡нее н требует большого объема предвари ге.п ною планирования при распределении различных функций отдельных нотлистем. 1! данной работе ло планирование (¡сущесталялось для нодсас! е.мы ь роч постны \ рас чегон

При техническом руководсroe и nei пк реле i венном участии ал,юра. на двухмашинном комплексе была ра>)>.»"*Ж1Мл мымл а чарования i тдема прочностных расчетов (ЛСПР) 1>1МГ' состоящая из препроцессора, процессора и постпроцессора, а гака,с ьот-ерюрои: препроцессор - процессор и процессор -nocí процессор. Архитектура АС!!!' па л:л чмашинчом ь, i аидс-гсе ЛГМ-£С привалена на рис. Л

Анализ разработанных u leaeci аенных apenpmu'ccomut пок.чад. av> качестве генератора конечно- ьчемеш них моледен(к'>М) цег.сеоомрд'.но использовать систему 1>Г>ОД. p.i¡раноганнум п 1ИП1 mcmhshk.i, а я качесдае сначемь! редактирования п гло.уализацпп т | 'ечмернь: х ЮМ iiiVicu;oi>¡>:r.i.o иснольювать enes ему 'ШГ5АГ, р.н|м«ии:иш>'и1 сотрудниками .МГУ и '>((Я Достоинством системы ЗИГЗАГ являлось и то, чю она включала и фу пшчн •постпроцессора, удоллстноряюите современным требован адм.

Перед автором Гнала поставлена задача реалшации системы ЗП1Т<\Г как распределенной системы на двухмашинном комплексе, коюрад уснешдо была решена. На рис 4. прицелена функциональная схема реатазацин сиетекча ЗИГЗАГ па двухмашинном комплексе APM-1:C.

В разделе 3.6 приведены результаты использования АСПР в САПР ЯР. Приведенные результаты имеют своей целью продемонстрировать реализацию в АСПР основополагающих принципов системного подхода: единства, развития и целостности применительно к АСПР в САПР ЯР и возможности АСПР. Для чего требуется показать:

1. Единство систем геометрического моделирования и расчетных обоснований в САПР ЯР (принцип единства).

2. Возможность включения различных пре-, пост и процессоров в АСПР с минимальными трудозатратами (принцип развития).

Как указывалось выше, последний принцип позволяет:

а) включать в АСПР программы конечно - элементного анализа пользователем-не профессионалом в области программирования;

б) использовать известные программы общего назначения (в частности ANSYS), имеющие конвертор для препроцессора PATRAN, входящего в АСПР;

в) включать в АСПР разработанные ранее специализированные программы конечно-элементного анализа, огтестированые на различных узлах реальных конструкциях ЯР и используемые специалистами данной отрасли;

г) проводить сравнения результатов расчета с использованием различных программ конечно-элементного анализа на одной и той же сетке, что особенно важно при вводе ь эксплуатацию новых программ сточки зрения тестирования, а также при проведении расчетов процессов, не имеющих масштабных' экспериментальных обосновании, тем самым повышая надежность моделирования процессов НДС в целом.

3. Проведение конечно-элементного анализа сложных трехмерных конструкций в сжитые сроки, увеличивая производительность труда за счет включения в качестве пре- и постпроцессоров систем с соответствующими решаемой задаче возможностями (принцип целостности).

4. Наличие инвариантного характера АСПР, расматривая ее как основу для построения систем^ расчетных обоснований в САПР ЯР .

5. Правильность функционирования всех составных частей АСПР.

С этой целью были выбраны два примера использования АСПР при решении задач прочности и один пример использования пре-, и постпроцессоров АСПР при расчете биологической защиты.

Пример анализа результатов расчета 3-х мерного напряженно-деформированного состояния массивных элементов конструкций демонстрирует возможности АСПР по включению различных пре-, пост- и процессоров с минимальными затратами, правильность работы всех модулей, входящих в АСПР: препроцессора, процесора, постпроцессора и конвертора, а также эргономических возможностей выбранных пре- и постпроцессоров АСПР.

В качестве препроцессора АСПР использовалась система PATRAN, а в качестве процессора - широко известная универсальная система' ANSYS, содержащая конверюр для чтения данных из "нейтрального файла" системы PATRAN, и пакет прикладных программ (ППП) CUB, разработанный в НШШеханики при ИНГУ. На рисунках 5,6,7 приведены результаты трехмерного расчета напряженно-деформированного состояния толстой плиты с центральным круговым отверстием для двух видов нагрузок - растяжения и изгиба, которые получены с помощью постпроцессора систем ANSYS и ЗИГЗАГ.

Пример расчета трехмерного напряженно-деформированного состояния корпуса двухзапорного клапана показывает возможность предлагаемой системы АСПР по увеличению производительности труда инженера-расчетчика и сокращению сроков проектирования при анализе напряженно-деформированного состояния сложных трехмерных конструкций.

В качестве системы геометрического моделирования использована система, «ходящая в систему PATRAN. Системный подход, требующий рассмотрения СГМ+СРО как евиной системы, предопределил решение данной

сложной чадами. Система РАТИАК' использована и в качестве препроцессора. В качестве процессора и постпроцессора использована система А^УЯ. На рис. 8,9 приведены результаты расчета нд.с. корпуса клапана.

Пример использования программ А8\У и 'ЗИГЗАГ системы АСПР при расчете биологической защиты водо-водяиого реактора ИР-50 имеет своей целью продемонстрировать инвариантные возможности системы АСПР, которые обеспечиваются принципом использования единого метода решения (см. пункт 2, раздел 1.3, глава 1). Для этой цели были проведены расчеты биологической защиты ЯЭУ. В качестве программы расчета распространения нейтронного и гамма-излучения, реализующей упрощенный метод сферических гармоник, использована разработанная Феоктистовым И.Ю. конечно-элементная программа РЕМ^А-ЭР.

В качестве генератора сетки конечных элементов использовалась система А5>\\/, которая была включена автором в систему ЗИГЗАГ, что позволило визуально наблюдать процесс построения отдельных конечно-элементных сеток и вмешиваться в процесс построения в случае неудовлетворительного результата. Система АБ^/ч-ЗИГЗАГ для двумерной конечно-элементной программы РЕШЫА-БР с точки зрения конечного пользователя является более удобной. Тем самым данный пример еще раз продемонстировал важность эргономического принципа для системы расчетных обоснований.

Использование АСПР в практическом проектировании ЯЭУ показало высокую эффективность системы для инженерных приложений в САПР ЯР и дало широкие возможности в части оптимизационного проектирования оборудования из условий прочности. Реализация этих возможностеп является следующим этапом развития АСПР, которая будет осуществлена путем разработки критериальных зависимостей при решении задач оптимизации.

В главк 4 описана методология проектирования конверторов, приведено описание языка автоматизации проектирования конверторов.

Целесообразно отметить, что по функциональному назначению конвертор и транслятор аналогичны - первый преобразует одни структуры данных в другие, а второй осуществляет перевод с одного языка на другой. Более того, форматы входных данных для любой программы фактически определяют некоторый язык программирования, что' подтверждает функциональную близость конвертора и транслятора. Отсюда возникает целесообразность прослеживания эволюционного пути использования трансляторов при разработке программ с целью использования накопленного опыта при разработке конверторов.

Эволюционный путь трансляторов выглядит следующим образом: трансляторы с языка ассемблера - трансляторы с языков высокого уровня -системы программирования - инкрементные системы.

Системы программирования представляются трансляторами и средствами их расширяющими, которые .включают в себя системы редактирования, отладки, компановки и библиотеки стандартных программ. Инкрементная система программирования представляет собой образец системы средств, поддерживающих процесс размышления над программой за терминалом. Такие системы отвечают принципу дружественности, который тесно связан с интеллектуализацией, то есть с возложением на вычислительную машину все большего числа рутинных, сервисных и вспомогательных функций. В силу аналогичности функционального назначения конверторов и трансляторов, автором осуществлено распространение средств расширяющих трансляторы до систем программирования (инкрементных систем), на конвертор.

Целью настоящей разработки является уменьшение времени создания конверторов, автоматизация рутинной работы и упрощение процесса проектирования конверторов. Достижение данной цели обеспечивается решением трех взаимоувязанных задач.

И)

Данные, используемые пре-,поетпроцессорами и процессором целесооПралш представить в виде отдельных записей. Понятие записи рассматривается в смысле, используемом в языках высокого уровня, таких как PASCAL, С., VAX FORTRAN. Представление данных в виде отдельных записей позволяет сг.ести ■ задачу конвертирования данных к задаче конвертирования записок данных, то есть к задаче преобразования определенных записей данных к другим также определенным записям данных. Это первая из решаемых задач.

Существенным моментом при решении второй задачи является использование того факта, что при конвертировании либо- входные, либо выходные структуры записей данных - стандартные. Например, в системе PATRAN они' представлены в <1юрме "нейтрального файла". Это позволяет автоматизировать считывание/запись структур данных стандартного представления данных. В дальнейшем, для определенности, будем говорить толькоо считывании структур записей,то-еегь стандартными считаем входные записи. Автоматизация считывания структур записей из стандартного формата, значительно упрощающая процесс проектирования конверторов, есть сгорая сгз необходимых задач для достижения поставленной цели в предлагаемой методологии.

Третья задача заключается в интерактивном получении на экране информации о записях стандартного представления данных, о структурах их представления,о каждом элементе структуры. Предоставляемые разработчику конверторов возможности позволяют быстро и в удобной форме получить нужную информацию о записях и правильно ее использовать.

С целые автоматизации проектирования конверторов предлагается ввести надстройку над языком высокого уровня, так называемый язык преобразования нейтрального файла (ЯНЕФ). Структура языка ЯНЕФ приведена на рис. 20 с использованием синтаксических диаграмм.

Инструкция READNF п, где п обозначает помер пакета "нейтрального файла" системы PAvTRAN, предназначена для считывания в память данных пакета. Пользователь произвольным образом располагает инструкции READNF п. Задача, транслятора заключается в формировании инструкции описания типа данных в виде записей, в сортировке инструкций READNF п, добавлении необходимых инструкций READNF п, где это логически возможно, проверка синтаксиса заданных инструкций.

Блок описания включает в себя описание записей выходных данных в соответствии с выше приведенными форматами, а также может включать инструкции описания типа стандарта тыка FORTRAN77.

Блгк программы содержит исполняемые инструкции языка FORTRAN. D нем проектировщик конверторов осуществляет пересылку данных из одних записей с другие, а также вывод в нужном формате полученных выходных структур данных. При проектировании этой части конвертора, используется подсистема интерактивной помощи 1HFON.

Подсистема IHFON выполнена в виде иерархически вложенных меню: -Hepuuf. уровень дает представление о пакетах, входящих в фазу И "нейтрального файла" системы PATRAN.

-HwooK уровень предоставляет информацию о данных, входящих в каждый конкретный пакет "нейтрального файла".

-Трет г,f, ypoi; иь дает информацию о каядаом элементе данных второго ураьня. -Чст.сртиГ. уровень дает информацию о программной рсалиичцки зап:.а; данного пакета и формате хранения в нейтральном файле каждого элемент;-, структуры записи. Программа, реализующая IHFON выполнена с пепол!зоьакием системы FMS ОС VAX/VMS. Обращение к IHFON моха,;' бить сделано при прерывании процесса редактирования. После получсыл ну;;<:.оп информации процесс редактирования возобновляется, что характерно для ОС типа VAX/VMS,

Выбор языков программирования, содержащих структуризацию данных о виде записей, а также исполь-опанме языка "нейтралы«)«) файла" Я НЕФ, фактически являющего языком препроцессора, и использование системы 1HFON, практически ставит автоматизированную систему разработки конверторов на уровень инкрементных систем.

Автоматизированная система проектирования конверторов использовалась в САПР ЯР. С целью анализа эффективности разработанной автоматизированной системы были проведены разработки программ-копвертороо для систем PATRAN-CUB и PATRAN-CTAP с использованием автоматизированном системы проектирования конверторов и без нее.

В заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы :

1. Анализ задач механики сплошных сред, решаемых в обоснование прочности и обеспечение ресурса ЯЭУ показал, что необходимо совместное решение комплекса трехмерных задач: нейтронно-физических, тепломасс,~пег;носа, теплопроводности, напряженно-деформированного состояния па единой геометрической базе и увязке их по времени. Каждая из этого комплекса задач описывается своим классом дифференциальных уравнений и требует своих схем интегрирования. Их единая увязка является задачей не тривиальной, с этой целью разработана методология комплексного решения задачи механики сплошных сред, заключающаяся в том, что для всех классов рассматриваемых задач предлагается единый сеточный образ, единая геометрическая информация, а созданные программные средства позволяют обрабатывать всю информацию и представлять ее в удобном для пользователя виде(в графическом или текстовом), что достигается соответсвующей архитектурой программного обеспечения.

2. Проведенный анализ современных тенденций развития систем расчетных обоснований в САПР изделий машиностроения высокой сложности, какими являются ядерные реакторы,показал:

-специализированные проблемно-ориентированные САПР строятся на использовании в качестве ядра САП Р общего назначения.

-наиболее корректное представление объекта дают объемные (твердотельные) модели, которые становятся основой перспективных САПР ЯР.

3.Последователыше использование системного подхода предопределило рассмотрение систем расчетных обосновании как одной из взаимосвязанных подсистем САПР ЯР, исходя из чего:

-в качестве единого метода в системе расчетных обоснований выбран метод конечных элементов, к которому сводятся решения основных уравнении, описывающих математическую модель ЯР;

-в качестве интерфейса обмена данными между системами геометрического моделирования в САПР ЯР автором предлагается использовать стандарт IGES, а в качестве интерфейса обмена данными между программами конечно-элементного анализа - фазу II нейтральной системы PATRAN, содержащую данные для решения краевой задачи, что позволяет органично включать в САПР современные системы геометрического моделирования и конечно-элементного анализа, организовать взаимосвязь между системой геометрического моделирования и системой конечно-элементного анализа по геометрическим данным.

4. Разработана технология включения в ПО АСТПР отечественных программ конечно-элементного анализа, оттестированных на реальных установках.

5. Результаты решения конкретных сложных задач механики сплошных ср~ч: расчет трехмерного напряженно-деформированного состояния корпуса двухзапорного клапана, расчет теплонапряжениых узлов в оборудовании и трубопроводах газовой системы компенсани1 давления первой очереди энергетических установок различных типов и назначений, расчет теплонапряженных корпусных и внутри корпусных узлов парогенератора.

6. Разработаны архитектура программного обеспечения автоматизированной системы теплопрочностных расчетов в составе САПР МАШ и принципы реализации макета данной системы, на основе которых при научно-техническом руководстве и при непосредственном участии автора создана автоматизированная система прочностных расчетов "БРИЗ" на двухмашинном комплексе ЕС ЭВМ-АРМ(СМ ЭВМ) и на супер-мини ЭВМ типа VAX различной конфигурации, позволяющая провешить расчеты с использованием различных систем конечно-элементного анализа и в.шючашщая интерактивные пре- и постпроцессоры.

7. Предложена методология проектирования конверторов, на основе которой разработана автоматизированная система, существенно облегчающая процесс проектирования конверторов, содержащая язык преобразования нейтрального файла (ЯНЕФ), являющийся языком препроцессора к языку высокого уровня VAX FORTRAN, подсистему интерактивной помощи IHFON, позволяющую пользователю оперативно и в удобной форме получать информацию о стандартной структуре данных в процессе разработки конверторов, и включенная в систему "БРИЗ".

8. Использование АСПР"БРИЗ" в практическом проектировании ЯЭУ показало высокую эффективность системы для инженерных приложений в САПР ЯР.

Основное содержание диссертационной работы отражено в следующих публикациях:

1. Банкрутенко В.В, Автоматизация расчетов на прочность в САПР ядерных энергетических установок. /Прикладные проблемы прочности и пластичности. : Анализ и оптимизация конструкций. Межвуз. сб./Нижегородск. ун-т, 1991. С. 113-117.

2. Банкрутенко В.В., Востоков B.C., Горбунов B.C., Мишин Ю.М. О математическом моделировании динамических процессов в установках с высокотемпературными ппоохлаждаемыми реакторами (ВТГР). // Организация п/я /4-142(1 MPC "ГТЗ", серия "О", - 1980 - Вып. 32. Д04350 от 16.02.S7.

3. Банкрутенко В.В., Горбунов Л.М. Подпрограмма для решения систем обыкновенных дифференциальных уравнении первого порядка методом Рунге-Кутта четвертого порядка с видоизменением Мерсона. Инф. листок. Серия ИЛЭО-23-25, 80-1136. УДК 6813.06.

4. Банкрутенко В.В., Дроздов А.И., Ивасышен И.В., Панов ВА., Рейнов A.M. Система автоматизированного проектирования трубопроводов. // Разработка и использование персональных ЭВМ. Тез. докладов. Международный симпозиум INFO-iS'9. PART 1, VOLUME 2, Минск 19S9, p. 273-275.

5. Банкрутенко В.В., Волков В.В., Ермолаев 10.Е., Маковеев Н.В. Особенности постановки графического редактора трехмерных конечно-элементных моделей на двухмашинном ' комплексе АРМ-ЕС. // Практическое применение

. современных технологий программирования, пакетов прикладных программ в вычислительных системах и сетях ЭВМ. Тез. докл. Вторая Всесоюзная научно-техническая конференция,-Днепропетровск 1990, С.121-122.

6. Банкрутенко В,В., Ермолаев Ю.Е., Панов ВА. Реализация диалоговой задачи автоматизированного проектирончния на двухмашинном комплексе АРМ-ЕС ЭВМ.// Тез. докл. IV Всесоюзн. школы Теоретические основы и конструирование численных алгоритмов решения задач математической физики. Всесоюзный межвузховский сборник Прикладные проблемы прочности, пластичности. Методы решения. Горький. 19X7.-С. 118.

7. Банкрутенко В.В, Городов Г.Ф., Карабасов A.C. О системном подходе к автоматизации прочностных расчетов.// Системы автоматизированного проектирования:Тез. докл. Второго отраслевого совещания по САПР. - Горький, 19X7.- С. 160 - 16L

8. Банкрутенко В.В.,Городов Г.Ф.. Карабасов A.C., Панов ВА. Автоматизированная система прочностных расчетов при проектировании машиностроительных изделий "БРИЗ1': Доклад на школе ВДНХ "Программное

Рис. 1. Обобщена« структура программного обеспечения АСТ11Р. срепродессор иостпроцессор

Рис. 2. Структура 110 АСТПР ли супер-мили ЭВМ.

постпроцессор

ЗИГЗАГ

Рис. 3. Архитектура АСПР на двухмашинном комплексе АРМ-НС.

препроцессор

ВВОД

АБИ

процессор

Рис. 4. Реализация системы ЗИГЗАГ на двухмашинном комплексе АРМ-ЕС.'

паи - ахи

л»40«.С1 аг.ао зтср! о.1а

1 1 о. оо

2 3 0>1в 31 О. ЗО Л 1 О . Т5-Ч »■о.

6 : О . 90 ■7 1 1 . ОО 8! 1,2Б 9 11. ЛЩ

юн . вг 11 л.во 1 г а . ва иг,

14 ¿¡-Л 5И

16 ¡г. 7о IV аг. вв 1 в г. ос

Р-СНМЮС УЛВИШГ СИ Л— Х>СРХЫС аеСТТО*-! О-СНЛИОС и ОР £1»!

<»— иг^сп/соиьк а— а гос. . ор тоиюмсвх

п—1501.. ОР ПСРОВНАТГОН Й— IКО^ . Ор ТСЫРСПАТиПС

Т-ТЕЙМ1НАТС

Рис. 5 Изолинии напряжений^при растяжении, построенцые с использованием системы ЗИГЗАГ

SXCSAO г. в

MSU — ZXL.

AMOLEl 11.ES

stoi o.la

TABLICA 1гогшч|зи J i 1 I -írso. oo г i —i-«oo. oo з i -юва. oo

41 —TOO. OO В I —ЗБО. OO ■ I o.oo 71 3SO.OO SI 700.00 91 lOSO. OO юалоо. OO

P-CtUNQC VAHIÍHT С 11 ft-ütFIMC SSCTION O-CUANOC » OF ItlOLIlO]

i^uppca/Lowa» BIDC

O-tSOi.. «F rOISIONISX П-ЖвСЧ.. OF DEFOBHATION П- XSOl_ . OF TO*>ERATU«E

T-TtRMÍWATE

Рис. 6 Изолинии напряжений при изгибе, построенные с использованием системы ЗИГЗАГ

Рис.

7

Изолинии напряжений при изгибе, построенные с использованием системы АКБУЗ.

4.3

МЛК 20 1991

15:39:48

РСЙТ1

5ТЕР=1

1ТШ=1

5101 (АУО

'ЛГ=-1000

0Ш=245

ХРгОО

УР=80

гг=21б

Н1ВВЕН МХ=273 №-99 Г5ССЯ=18

Рис. о Изолинии главных напряжений^на внутренне" поверхности корпуса клапана при на'ктьном затяге шпилек главной) рап.ема и расчетном давлении р =211 МПа

А^УБ 4.: МАИ 22 19! 10:05:23 РЮТ N0. ¡РОБП ШБ ЗТЕР=1 1ТЕЙ=1

УУ=-10

Б13Т=253 ХТ-60 УК=80

гр=21б

НЮРЕМ

0МАХ=.16

РЗСА=158

Рис. 9 Деформированное состояние корпуса клапана (погано пунктиром) от начального затяга главного раагсма и расчетном давлении р=20МЛа

1рограмма

Блок

Злок

Зло к

считывания

Блок, описания

Блок тела программы

Злок

блок

Описание выходных структур данных

рис .

10 Синтаксическая диаграмма языка ЯНЕФ