一种管道支架设置方法、装置、存储介质和电子设备与流程

本发明涉及核工程结构设计，具体涉及一种管道支架设置方法、装置、存储介质和电子设备。

背景技术：

1、在工程设计过程中，核电站项目通常包含大量核级管道系统。由于核级管道承担着重要的安全功能，其结构设计需满足严格的强度、刚度及抗震要求，并按照相关核安全设计规范进行应力校核，因此，在设计阶段需要利用专业的管道应力分析软件对管道结构在多种服役工况下的应力、位移及支架反力进行计算分析。对于大型核电项目而言，核级管道数量众多、系统复杂，分析计算及优化调整工作往往占据整个管道设计工作的大量时间。

2、在现有技术条件下，当分析结果不满足规范要求时，通常需要设计人员根据经验对管道支架的数量、类型及布置位置进行反复调整，并重新建模、计算与校核，该过程高度依赖技术人员的工程经验，优化过程缺乏系统性与自动化支撑，往往需要多轮试算与人工干预，导致设计效率较低，优化路径不确定，且难以保证全局最优；此外，不同设计人员的经验差异还可能造成优化结果的离散性，影响设计方案的一致性与可重复性。在复杂工况耦合作用下，传统人工迭代方式难以兼顾多工况约束与多目标性能指标，进一步增加了设计周期和计算成本。

3、在专利文件wo2023168979a1中，公开了一种管道支架位置优化方法、装置，包括获取管道中所有支架位置并判断每一个支架是否为可移动支架；设定管道支架位置优化目标，并对所有可移动支架位置进行协同调整以满足管道支架位置优化目标，得到优化后的管道支架位置；未解决核级管道支架设计过程中高度依赖人工经验，在多服役工况约束下对核级管道支架数量、类型及位置同步高效优化的问题。

4、在专利文件cn113418052b中，公开了小管支架设计方法，包括将小管滑动功能支架、轴向导向功能支架和三向限位功能支架进行结构拆解；通过解构滑动功能支架、轴向导向功能支架、三向限位功能支架的作用原理，分析滑动功能支架、轴向导向功能支架、三向限位功能支架的相同点；重新构建新的小管支架结构，使滑动功能支架、轴向导向功能支架、三向限位功能支架的结构尽可能统一；以及将重新构建的小管支架的零部件进行标准化处理；未解决核级管道支架设计过程中高度依赖人工经验，在多服役工况约束下对核级管道支架数量、类型及位置同步高效优化的问题。

5、综上所述，上述两个现有专利均未解决核级管道支架设计过程中高度依赖人工经验，在多服役工况约束下对核级管道支架数量、类型及位置同步高效优化的问题。

技术实现思路

1、基于上述技术问题，本发明提出一种管道支架设置方法、装置、存储介质和电子设备，解决核级管道支架设计过程中高度依赖人工经验，在多服役工况约束下对核级管道支架数量、类型及位置同步高效优化的问题。

2、为实现上述目的，本发明提出一种管道支架设置方法。

3、一种管道支架设置方法，包括：

4、采集管道数据，根据所述管道数据构建管道基础模型，筛选所述管道基础模型中的设计域；

5、构建优化目标函数模型，设定管道约束和优化算法；

6、选择至少部分所述管道约束和所述优化算法基于所述优化目标函数模型对所述设计域中的支架设置参数进行迭代获得支架设置数据。

7、进一步地，所述管道数据，至少包括：管道长度、材料、设计压力、壁厚、外径、截面模量和应力增强系数。

8、进一步地，筛选所述管道基础模型中的设计域，包括：将所述管道基础模型中的管段标记为所述设计域，将所述管道基础模型中的管道附件设定为非设计域。

9、进一步地，还包括：将所述非设计域对应的部分所述管道基础模型去除。

10、进一步地，还包括：将去除所述非设计域的所述管道基础模型输入管道应力分析软件进行仿真分析获得分析结果。

11、进一步地，构建优化目标函数模型，包括：根据管道自重工况应力和材料许用应力计算自重工况应力比；根据热膨胀工况应力和地震工况应力分别计算和热膨胀应力比和地震应力比并计算其中最大值；根据地震加速度和许用加速度计算阀门加速度载荷比；根据不同服役工况对应管段载荷和管段许用载荷计算不同所述服役工况对应的管段工况载荷比，并分别计算不同所述服役工况对应的最大值；根据不同所述服役工况对应的管道位移值和许用位移值计算不同所述服役工况下的工况位移比；根据支架轴力、支架剪力、支架弯矩和支架扭矩和对应的预设许用值分别计算轴力载荷比、剪力载荷比、弯矩载荷比和扭矩载荷比并计算最大值，所述预设许用值包括支架力限值和力矩限值；根据所述自重工况应力比、所述热膨胀应力比、所述地震应力比、所述阀门加速度载荷比、不同所述服役工况对应的所述工况载荷比、所述工况位移比、所述轴力载荷比、所述剪力载荷比、所述弯矩载荷比和所述扭矩载荷比构建所述优化目标函数模型。

12、进一步地，所述服役工况，包括0级工况、a级工况、b级工况和d级工况。

13、进一步地，根据热膨胀工况应力和地震工况应力分别计算和热膨胀应力比和地震应力比并计算其中最大值，其表达式如下：

14、，

15、其中为所述热膨胀工况应力，为热膨胀许用应力，为所述热膨胀应力比，为所述热胀及持续载荷应力，为所述材料许用应力，为载荷应力比，为持续载荷及偶然载荷应力，、和分别为所述d级工况下的所述地震工况应力。

16、进一步地，所述管段载荷包括管段轴力、管段剪力、管段弯矩和管段扭矩，所述管段许用载荷包括管段许用轴力、管段许用剪力、管段许用弯矩和管段许用扭矩。

17、进一步地，根据不同服役工况对应管段载荷和管段许用载荷计算不同所述服役工况对应的管段工况载荷比，并分别计算不同所述服役工况对应的最大值，其表达式如下：

18、，

19、，

20、，

21、其中为所述0级工况或所述a级工况的索引，和分别为所述b级工况和所述d级工况的索引；、、和分别为所述管段轴力、所述管段剪力、所述管段弯矩和所述管段扭矩；、、和分别为所述管段许用轴力、所述管段许用剪力、所述管段许用弯矩和所述管段许用扭矩。

22、进一步地，根据支架轴力、支架剪力、支架弯矩和支架扭矩和对应的预设许用值分别计算轴力载荷比、剪力载荷比、弯矩载荷比和扭矩载荷比并计算最大值，其表达式如下：

23、，

24、，

25、其中为所述支架轴力，为所述支架剪力，为所述支架弯矩，为所述支架扭矩，为所述支架力限值，为所述力矩限值。

26、进一步地，所述优化目标函数模型，其表达式如下：

27、，

28、其中为所述优化目标函数模型，为所述0级工况下所述管道自重工况应力，为所述材料许用应力，为所述自重工况应力比；

29、为所述热膨胀工况应力，为热膨胀许用应力，为所述热膨胀应力比，为所述热胀及持续载荷应力，为所述材料许用应力，为载荷应力比，为持续载荷及偶然载荷应力，、和分别为所述d级工况下的所述地震工况应力；

30、和为地震载荷，和分别为在所述地震载荷下的所述地震加速度，g为重力加速度；

31、为所述管道位移值，为所述许用位移值；为调节参数；

32、为所述0级工况或所述a级工况的索引，和分别为所述b级工况和所述d级工况的索引；、、和分别为所述管段轴力、所述管段剪力、所述管段弯矩和所述管段扭矩；、、和分别为所述管段许用轴力、所述管段许用剪力、所述管段许用弯矩和所述管段许用扭矩；

33、为所述支架轴力，为所述支架剪力，为所述支架弯矩，为所述支架扭矩，为所述支架力限值，为所述力矩限值。

34、进一步地，所述管道约束，包括：

35、，

36、，

37、，

38、，

39、，

40、，

41、，

42、，

43、，

44、，

45、，

46、，

47、，

48、，

49、，

50、其中，为所述0级工况下所述管道自重工况应力，为所述材料许用应力；

51、为所述热膨胀工况应力，为热膨胀许用应力，为所述热胀及持续载荷应力，为所述材料许用应力，为持续载荷及偶然载荷应力，、和分别为所述d级工况下的所述地震工况应力；

52、和分别为在所述地震载荷下的所述地震加速度，g为重力加速度；

53、为所述管道位移值，为所述许用位移值；

54、、、和分别为所述管段许用轴力、所述管段许用剪力、所述管段许用弯矩和所述管段许用扭矩；

55、为所述支架轴力，为所述支架剪力，为所述支架弯矩，为所述支架扭矩，为所述支架力限值，为所述力矩限值。

56、进一步地，所述优化算法，包括：平衡优化器、粒子群算法、人工蜂群算法、蚁群优化算法、自适应矩估计、拟牛顿法、二叉空间分割遗传算法、差分进化、高效全局优化、单纯形法、遗传算法、最优觅食算法、模拟退火、最速下降法和/或序列二次规划。

57、进一步地，选择至少部分所述管道约束和所述优化算法基于所述优化目标函数模型对所述设计域中的支架设置参数进行迭代获得支架设置数据，包括：预设所述支架设置数据，筛选部分或全部所述管道约束，根据经验值选择一种或多种的所述优化算法，将所述支架设置数据和筛选后的所述管道约束及所述优化算法输入管道应力分析软件，对所述支架设置数据进行迭代直到所述支架设置数据满足筛选的所述管道约束。

58、进一步地，所述支架设置数据，包括：支架标识、支架类型和支架位置。

59、为实现上述目的，本发明还提出一种管道支架设置装置。

60、一种管道支架设置装置，其特征在于，包括：

61、管道构建模块，用于采集管道数据，根据所述管道数据构建管道基础模型，筛选所述管道基础模型中的设计域；

62、模型设定模块，用于构建优化目标函数模型，设定管道约束和优化算法；

63、支架优化模块，用于选择至少部分所述管道约束和所述优化算法基于所述优化目标函数模型对所述设计域中的支架设置参数进行迭代获得支架设置数据。

64、基于上述技术方案，本发明至少具有如下有益效果：

65、1.本发明提出一种管道支架设置方法、装置、存储介质和电子设备，通过采集管道数据并构建管道基础模型，同时进行设计域筛选，将需要进行优化计算的支架相关区域从整体管道系统中分离出来，实现了优化对象的明确界定，避免了对非设计区域的无效计算，提高了后续优化计算的针对性和计算效率；通过构建优化目标函数模型并设定管道约束，将原本依赖人工经验进行判断的设计条件转化为可计算的数学约束条件，使支架设计由经验驱动转变为模型驱动，实现了设计过程的结构化与规范化，提高了设计过程的一致性和可重复性；通过设定优化算法，并选择至少部分管道约束与优化算法结合，对设计域中的支架设置参数进行迭代求解，使支架数量、类型及位置等参数能够在约束条件下进行自动迭代调整，减少了人工反复建模与试算的工作量，提高了支架设计的自动化程度和优化效率。

66、2.本发明提出一种管道支架设置方法、装置、存储介质和电子设备，通过限定管道数据，使管道基础模型包含完整的结构力学参数信息；通过将管段标记为设计域，将管道附件设定为非设计域，并去除所述非设计域对应的部分管道基础模型后再输入管道应力分析软件进行仿真分析，实现了对优化对象范围的明确划分，减少了非优化对象对计算结果的干扰，优化计算对象的精准界定与高效仿真支持，提高了模型构建与分析计算的有效性。

67、3.本发明提出一种管道支架设置方法、装置、存储介质和电子设备，通过将自重工况应力比、热膨胀应力比、地震应力比、阀门加速度载荷比、不同服役工况下的管段工况载荷比、工况位移比以及支架受力比等统一构建为比值形式并纳入优化目标函数模型，使不同物理量在统一无量纲尺度下进行综合评价；引入不同的服役工况，分别计算不同服役工况下的最大应力比、最大载荷比和最大工况位移比，使优化目标函数模型能够自动识别控制工况，实现多服役工况耦合条件下的统一评价；根据采集的管道数据计算得到上述数据，并设置对应许用值，使优化过程在迭代过程中始终受到规范限值控制，确保优化目标函数模型的优化过程能够满足各工况下的强度、刚度及支架受力要求，面对复杂服役条件具有的综合表征能力。

68、4.本发明提出一种管道支架设置方法、装置、存储介质和电子设备，通过引入平衡优化器和粒子群算法等其他内嵌于管道应力分析软件的优化算法，使优化过程具备不同搜索策略，增强了优化求解过程的搜索能力；通过预设支架设置数据，筛选部分或全部管道约束，并选择一种或多种优化算法对支架设置数据进行迭代计算直至满足筛选约束，实现了支架设置参数在多算法驱动下的迭代求解，提高了优化过程的灵活性和适应性；优化目标函数模型的优化结果对应支架设置技术即支架标识、支架类型和支架位置等支架设置数据，使优化结果能够直接对应实际工程设计参数，实现优化结果向工程设计数据的直接映射。