一种大型薄壁设备吊装过程快速有限元求解方法及系统与流程

1.本发明涉及有限元数值求解技术领域，特别是涉及一种大型薄壁设备吊装过程快速有限元求解方法及系统。


背景技术：

2.核电大型模块自身制造成本和经济价值极高，部分大型薄壁设备由于其外形尺寸大、壁薄、质量大，具有刚性差、稳定性差的特点，对设备的吊装作业提出了更为苛刻和精密的要求。采用结构有限元分析，以验证此类大型薄壁设备模块的吊装方案合理性，是一种有效的方法。吊装过程涉及大型薄壁设备的起吊、平移、翻转和就位，其受力状态随之变化，对应诸多计算工况。现有常规结构有限元静力学求解，为了能够和吊装过程动态模拟相融合，一般为每个工况生成有限元分析模型，进行单独求解，获取该工况下设备的变形和应力，再将其传递给吊装过程动态模拟模块，进行可视化、碰撞检测、强度评估等交互操作。
3.由于需要和动态模拟模块进行数据交换，多个工况的计算相对独立，都需要进行完整的有限元计算流程，如图1所示，现有方法的步骤依次包括模型导入、节点排序、单刚求解、总刚生成、载荷生成、方程组求解等6个步骤。其中，模型导入、节点排序、单刚求解、总刚生成这4个步骤的输入数据，为上一步骤的输出数据；方程组求解的输入依赖总刚生成、载荷生成的输出数据。对于吊装作业的大型薄壁设备来说，其结构形式在大量的工况中保持不变，仅载荷发生变化，即其有限元计算流程中的模型导入、节点排序、单刚求解、总刚生成这几个步骤生成的数据均保持不变，仅需要根据每个工况生成载荷、求解方程组。多个工况的有限元计算流程，总刚生成及其前导步骤多次被执行，存在大量冗余计算问题。
4.综上，大型薄壁设备吊装过程动态模拟中有限元求解需要计算大量工况，每当吊装载荷发生变化，都需独立进行完整的有限元计算流程，才能获得响应进行可视化、碰撞检测或强度评估。此类设备吊装过程的常规的有限元求解流程存在如下问题：
5.(1)每个工况都进行完整的有限元求解步骤，冗余的计算步骤增加了计算延迟，无法满足吊装过程动态模拟的实时性要求；
6.(2)由于有限元计算延迟的存在，需要增加额外的操作步骤，导致交互体验差，效率低；
7.(3)随着吊装工况数量的增加，有限元冗余计算量呈线性增长趋势，导致计算资源、存储资源的浪费；
8.(4)对大型薄壁设备建模进行大幅简化虽可以减少延迟，但也降低了力学响应精度、碰撞检测精度，无法有效兼顾计算精度和计算效率。
9.综上所述，现有大型薄壁设备吊装过程的有限元计算流程，无法满足吊装方案动态模拟与结构仿真的融合需求。


技术实现要素：

10.为了克服现有技术的不足，本发明的目的是提供一种大型薄壁设备吊装过程快速
有限元求解方法及系统。
11.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
12.一种大型薄壁设备吊装过程快速有限元求解方法，包括：
13.建立目标设备的有限元模型；
14.基于有限元求解法对所述有限元模型进行求解，得到结构总体刚度阵；
15.对所述目标设备的工作动态模拟的时间区间进行离散，得到相应离散时刻的工作工况，并根据所述工作工况进行响应计算流程，得到计算结果；
16.根据所述计算结果进行动态模拟，以实现所述目标设备工作过程的可视化显示和碰撞检测；
17.所述响应计算流程包括：
18.分别判断各个时刻的工作工况是否超出动态模拟时间区间，若是，则结束响应计算流程；若否，则对所述目标设备的工作过程进行仿真，根据所述目标设备的工作状态生成工作载荷向量；
19.使用所述结构总体刚度阵对所述工作载荷向量进行求解，得到各个工作工况的所述计算结果；所述计算结果包括位移和应力结果。
20.优选地，所述建立目标设备的有限元模型，包括：
21.对所述目标设备进行简化，得到目标结构单元；所述目标设备为大型薄壁设备；
22.基于所述目标结构单元，根据预设的材料参数建立有限元模型。
23.优选地，所述基于有限元求解法对所述有限元模型进行求解，得到结构总体刚度阵，包括：
24.对所述有限元模型依次进行模型导入、节点排序、单刚求解和总刚生成，得到所述结构总体刚度阵。
25.优选地，在所述基于有限元求解法对所述有限元模型进行求解，得到结构总体刚度阵之后，还包括：
26.对所述结构总体刚度阵进行保存。
27.优选地，所述结构总体刚度阵的表达式为：
[0028][0029]
其中，k为结构总体刚度阵，ke为单元刚度矩阵，b是应变矩阵，d是材料弹性矩阵，ve为单元体积，e为单元标识，t为矩阵转置运算符。
[0030]
优选地，所述工作载荷向量的表达式为：
[0031][0032]
其中，p为所述工作载荷向量，pf为作用在所述目标设备的体积力向量，ve为单元体积，n为插值函数矩阵，e为单元标识，f为体积力标识，t为矩阵转置运算符。
[0033]
优选地，所述位移和应力结果的计算方程为：
[0034]
ka＝p；
[0035]
σ＝dbae；
[0036]
其中，k为结构总体刚度阵，a为节点的所述位移的向量，b是应变矩阵，d是材料弹性矩阵，σ为所述应力结果，ae为单元节点位移向量。
[0037]
一种大型薄壁设备吊装过程快速有限元求解系统，包括：
[0038]
模型建立单元，用于建立目标设备的有限元模型；
[0039]
总刚求解单元，用于基于有限元求解法对所述有限元模型进行求解，得到结构总体刚度阵；
[0040]
计算单元，用于对所述目标设备的工作动态模拟的时间区间进行离散，得到相应离散时刻的工作工况，并根据所述工作工况进行响应计算流程，得到计算结果；
[0041]
模拟单元，用于根据所述计算结果进行动态模拟，以实现所述目标设备工作过程的可视化显示和碰撞检测；
[0042]
所述计算单元包括：
[0043]
判断子单元，用于分别判断各个时刻的工作工况是否超出动态模拟时间区间，若是，则结束响应计算流程；若否，则对所述目标设备的工作过程进行仿真，根据所述目标设备的工作状态生成工作载荷向量；
[0044]
载荷求解单元，用于使用所述结构总体刚度阵对所述工作载荷向量进行求解，得到各个工作工况的所述计算结果；所述计算结果包括位移和应力结果。
[0045]
优选地，所述模型建立单元具体包括：
[0046]
简化子单元，用于对所述目标设备进行简化，得到目标结构单元；所述目标设备为大型薄壁设备；
[0047]
构建子单元，用于基于所述目标结构单元，根据预设的材料参数建立有限元模型。
[0048]
优选地，所述总刚求解单元具体包括：
[0049]
总刚求解子单元，用于对所述有限元模型依次进行模型导入、节点排序、单刚求解和总刚生成，得到所述结构总体刚度阵。
[0050]
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
[0051]
本发明提供了一种大型薄壁设备吊装过程快速有限元求解方法及系统，所述方法包括：建立目标设备的有限元模型；基于有限元求解法对所述有限元模型进行求解，得到结构总体刚度阵；对所述目标设备的工作动态模拟的时间区间进行离散，得到相应离散时刻的工作工况，并根据所述工作工况进行响应计算流程，得到计算结果；根据所述计算结果进行动态模拟，以实现所述目标设备工作过程的可视化显示和碰撞检测；所述响应计算流程包括：分别判断各个时刻的工作工况是否超出动态模拟时间区间，若是，则结束响应计算流程；若否，则对所述目标设备的工作过程进行仿真，根据所述目标设备的工作状态生成工作载荷向量；使用所述结构总体刚度阵对所述工作载荷向量进行求解，得到各个工作工况的所述计算结果；所述计算结果包括位移和应力结果。本发明深度结合设备结构形式、吊装工艺特点，专用性强，可兼顾计算精度和计算效率。
附图说明
[0052]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0053]
图1为现有技术中的大型薄壁设备吊装过程常规有限元单工况求解方法流程图；
[0054]
图2为本发明提供的实施例中的方法流程图；
[0055]
图3为本发明提供的实施例中的步骤示意图；
[0056]
图4为本发明提供的实施例中的大型薄壁设备吊装过程不同有限元求解流程耗时对比示意图。
具体实施方式
[0057]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0058]
在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本技术的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。
[0059]
本技术的说明书和权利要求书及所述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”和“第四”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤、过程、方法等没有限定于已列出的步骤，而是可选地还包括没有列出的步骤，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤元。
[0060]
本发明的目的是提供一种大型薄壁设备吊装过程快速有限元求解方法及系统，能够深度结合设备结构形式、吊装工艺特点，专用性强，可兼顾计算精度和计算效率。
[0061]
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
[0062]
图2为本发明提供的实施例中的方法流程图，如图2所示，本发明提供了一种大型薄壁设备吊装过程快速有限元求解方法，包括：
[0063]
步骤100：建立目标设备的有限元模型；
[0064]
步骤200：基于有限元求解法对所述有限元模型进行求解，得到结构总体刚度阵；
[0065]
步骤300：对所述目标设备的工作动态模拟的时间区间进行离散，得到相应离散时刻的工作工况，并根据所述工作工况进行响应计算流程，得到计算结果；
[0066]
步骤400：根据所述计算结果进行动态模拟，以实现所述目标设备工作过程的可视化显示和碰撞检测；
[0067]
所述步骤300中的响应计算流程的步骤如下：
[0068]
步骤301：分别判断各个时刻的工作工况是否超出动态模拟时间区间，若是，则结束响应计算流程；若否，则对所述目标设备的工作过程进行仿真，根据所述目标设备的工作状态生成工作载荷向量；
[0069]
步骤302：使用所述结构总体刚度阵对所述工作载荷向量进行求解，得到各个工作工况的所述计算结果；所述计算结果包括位移和应力结果。
[0070]
图3为本发明提供的实施例中的步骤示意图，如图3所示，大型薄壁设备吊装过程快速有限元求解方法，以常规有限元求解步骤为基础，包括模型简化、有限元建模、总刚生成步骤，这3个步骤具体操作可参考常规有限元求解操作；快速有限元求解的步骤主要涉及
总刚回代求解的响应计算步骤，针对多工况进行求解流程的重新组织，形成完整的大型薄壁设备吊装过程快速有限元求解方法流程，具体实施步骤如下：
[0071]
(1)模型简化：确定动态模拟力学行为的失效模式，根据关注重点，不同设备区域选取合适的结构单元类型；
[0072]
(2)有限元建模：设置材料参数、剖分网格、设置边界条件，绑定单元组合，建立大型薄壁设备的简化有限元模型；
[0073]
(3)总刚生成：初始化有限元求解环境，执行设备有限元模型导入、节点排序、单刚求解、总刚生成计算步骤，获得结构总体刚度阵。形成的总刚表达式如式1所示；
[0074][0075]
式中，ke是单元刚度矩阵，b是应变矩阵，d是材料弹性矩阵，ve是单元体积；
[0076]
(4)响应计算：根据设备吊装动态模拟设置，计算全部吊装工况的静力学响应，返回每个工况的变形和应力数据，用于吊装方案动态模拟。
[0077]
上述方法步骤(4)进一步包括以下步骤：
[0078]
a')工况生成：对设备吊装动态模拟的时间区间进行离散，将每个离散时刻作为一个吊装工况，保存全部吊装计算工况数量、时刻信息；
[0079]
b')初始化工况i：设置当前工况i为起始时刻工况；
[0080]
c')结束判断：判断工况i是否超出动态模拟时间区间，如超出时间区间，则结束响应计算；如未超出时间区间，则执行后续步骤；
[0081]
d')工况i载荷向量生成：从设备吊装过程仿真，获取当前设备吊装状态，生成吊装载荷向量，表达式为：
[0082][0083]
式中，pf是作用在设备的体积力，n为插值函数矩阵；
[0084]
e')工况i方程组求解：根据总体刚度阵、载荷向量，执行方程组求解，从而获得静力学分析的位移结果、应力结果，方程组表达式为：
[0085]
ka＝p
ꢀꢀꢀ
(式3)
[0086]
式中，a为节点位移向量。计算单元应力表达式为：
[0087]
σ＝dbaeꢀꢀꢀ
(式4)
[0088]
f')工况i响应输出：返回工况i的变形和应力数据，用于吊装方案动态模拟；
[0089]
g')更新工况i为下一离散时刻工况，执行步骤c')。
[0090]
优选地，所述步骤100包括：
[0091]
对所述目标设备进行简化，得到目标结构单元；所述目标设备为大型薄壁设备；
[0092]
基于所述目标结构单元，根据预设的材料参数建立有限元模型。
[0093]
进一步地，本实施例在模型简化步骤中，确定动态模拟力学行为的失效模式，根据关注重点，不同设备区域选取合适的结构单元类型。
[0094]
优选地，所述步骤200包括：
[0095]
对所述有限元模型依次进行模型导入、节点排序、单刚求解和总刚生成，得到所述
结构总体刚度阵。
[0096]
优选地，在所述步骤200之后，还包括：
[0097]
对所述结构总体刚度阵进行保存。
[0098]
具体的，在本实施例中的总刚生成步骤中，涉及的计算中间数据，基于内存进行存储管理，无需交换到外部存储中。
[0099]
优选地，所述结构总体刚度阵的表达式为：
[0100][0101]
其中，k为结构总体刚度阵，ke为单元刚度矩阵，b是应变矩阵，d是材料弹性矩阵，ve为单元体积，e为单元标识，t为矩阵转置运算符。
[0102]
作为一种可选的实施方式，在本实施例的工况生成步骤中，涉及的时间区间离散，综合考虑吊装阶段、时长、计算量，选取合适的时间步长，同时应包含起吊、平移起始、翻转起始关键时刻的选取。
[0103]
优选地，所述工作载荷向量的表达式为：
[0104][0105]
其中，p为所述工作载荷向量，pf为作用在所述目标设备的体积力，ve为单元体积，n为插值函数矩阵，e为单元标识，f为体积力标识，t为矩阵转置运算符。
[0106]
优选地，所述位移和应力结果的计算方程为：
[0107]
ka＝p；
[0108]
σ＝dbae；
[0109]
其中，k为结构总体刚度阵，a为节点的所述位移的向量，b是应变矩阵，d是材料弹性矩阵，σ为所述应力结果，ae为单元节点位移向量。
[0110]
本实施例在于针对大型薄壁设备吊装过程的多工况有限元静力学分析，提出了一种新的快速有限元求解方法。通过分析吊装过程的多工况有限元求解流程的数据依赖关系、吊装载荷变化特点，重新组织有限元求解步骤，优化数据管理，将常规的多工况载荷步求解，适配成与吊装过程的动态模拟高效融合的快速求解方法。
[0111]
在实际应用过程中，本实施例以某核电主设备为例，其具体为大型薄壁结构，在核电站运行阶段起着安全防护的重要作用。在筒体的安装过程中，需要进行翻转并吊装就位，且空间狭小，对设备变形的精度要求极高，如何控制吊装过程设备自身的变形和应力是关键。
[0112]
选取某核电主设备吊装作业的翻转动态模拟为例进行说明，该主设备以竖直状态悬停空中稳定后，匀速翻转90
°
(即设备轴线与重力方向夹角90
°
)，用时90分钟，结合吊装方案的动态模拟，基于定制开发的快速有限元求解器，具体实施步骤如下：
[0113]
(1)模型简化：该设备为大尺寸的薄壁柔性结构，关注其吊装翻转过程设备本体是否产生塑性变形，因此，设备本体选取二阶壳单元，将问题简化为筒体在重力作用下的结构静力学分析；
[0114]
(2)有限元建模：设置安全壳筒体的材料为sa738，弹性材料模型，屈服强度415mpa；以全局0.5m的单元尺寸剖分网格，单元数2580，节点数7842；吊点处采用固定边界条件；建立有限元模型；
[0115]
(3)总刚生成：初始化快速有限元求解环境，依次执行安全壳筒体的有限元模型导
入、节点排序、单刚求解、总刚生成计算模块，得到结构总体刚度阵，计算模块将总刚数据保存在内存中；
[0116]
(4)吊装翻转方案的动态模拟，起始时刻为t0＝0(min)，安全壳筒体轴线与重力方向夹角度a0＝0
°
，匀速翻转90
°
后，结束时刻t
90
＝90(min)；夹角度a
90
＝90
°
；采用5(min)为时间步长，共形成18个离散时刻，对应18个工况；
[0117]
(5)对18个工况进行循环，分别执行每个工况的重力载荷向量生成、方程组求解模块，得到每个工况的位移和应力结果；
[0118]
(6)将18个工况的位移和应力结果返回给动态模拟进行可视化显示、碰撞检测。
[0119]
统计吊装翻转过程中，快速有限元求解时间消耗，与常规有限元求解进行对比，如图4所示。计算在相同配置的计算机下运行，使用单核求解，英特尔i9-11900k@3.50ghz的cpu，ddr432g内存。耗时数据的统计，仅记录不同有限元求解方法从模型导入，到结果输出的完整有限元求解时间，求解结果返回给吊装方案动态模拟进行可视化显示、碰撞检测，涉及其他模块调用、用户交互操作，对耗时对比无影响，假设其耗时为0秒，多个工况的耗时累计相加，作为对应数量工况的总耗时。
[0120]
分析吊装过程动态模拟多工况的快速有限元与常规有限元求解耗时的对比曲线，不难发现，耗时随工况数量近似呈线性增长趋势，随着工况数量的增加，节约时间明显增加，对于该案例，18个工况，快速有限元求解时间消耗相对常规有限元求解减少80％的时间。而在实际场景中，核电主设备一般需进行起吊、平移、翻转、就位吊装作业，可产生约90个工况，采用本快速有限元求解方法，预计可减少83％的时间。在兼顾计算精度和计算效率的条件下，大幅度提高计算效率，改善了动态模拟交互体验。
[0121]
对应上述方法，本实施例还提供了一种大型薄壁设备吊装过程快速有限元求解系统，包括：
[0122]
模型建立单元，用于建立目标设备的有限元模型；
[0123]
总刚求解单元，用于基于有限元求解法对所述有限元模型进行求解，得到结构总体刚度阵；
[0124]
计算单元，用于对所述目标设备的工作动态模拟的时间区间进行离散，得到相应离散时刻的工作工况，并根据所述工作工况进行响应计算流程，得到计算结果；
[0125]
模拟单元，用于根据所述计算结果进行动态模拟，以实现所述目标设备工作过程的可视化显示和碰撞检测；
[0126]
所述计算单元包括：
[0127]
判断子单元，用于分别判断各个时刻的工作工况是否超出动态模拟时间区间，若是，则结束响应计算流程；若否，则对所述目标设备的工作过程进行仿真，根据所述目标设备的工作状态生成工作载荷向量；
[0128]
载荷求解单元，用于使用所述结构总体刚度阵对所述工作载荷向量进行求解，得到各个工作工况的所述计算结果；所述计算结果包括位移和应力结果。
[0129]
优选地，所述模型建立单元具体包括：
[0130]
简化子单元，用于对所述目标设备进行简化，得到目标结构单元；所述目标设备为大型薄壁设备；
[0131]
构建子单元，用于基于所述目标结构单元，根据预设的材料参数建立有限元模型。
[0132]
优选地，所述总刚求解单元具体包括：
[0133]
总刚求解子单元，用于对所述有限元模型依次进行模型导入、节点排序、单刚求解和总刚生成，得到所述结构总体刚度阵。
[0134]
本发明的有益效果如下：
[0135]
(1)本发明专用方法针对性强：深度结合设备结构形式、吊装工艺特点，专用性强，可兼顾计算精度和计算效率。
[0136]
(2)本发明自动形成载荷效率高：自动获取吊装状态生成载荷向量，减少手动操作，降低出错概率，提高效率。
[0137]
(3)本发明低延迟交互体验好：随着工况数的增加，有限元求解计算量近似线性减少，有效降低延迟，在动态模拟中实时绘制响应云图，能直观评价吊装方案可行性，提高交互体验。
[0138]
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
[0139]
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。