基于CAD的WGOTHIC幾何建模方法研究和軟件研發*

王國忠 張經瑜

(上海核工程研究設計院 上海 230033)

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基于CAD的WGOTHIC幾何建模方法研究和軟件研發*

王國忠 張經瑜

(上海核工程研究設計院 上海 230033)

在使用WGOTHIC程序進行反應堆安全殼壓力響應分析時,需要基于其輸入格式建立幾何模型。目前建立過程通常是依據工程設計的二維圖紙,通過人為空間想象和人工數學計算,手動進行建模。這種建模方法一方面非常繁瑣、耗時耗力,另一方面存在大量保守的近似與簡化。研究提出了一種基于計算機輔助設計(CAD)的WGOTHIC幾何建模方法。該方法利用現有用于工程設計的三維CAD幾何模型,采用計算機圖形學原理和實體幾何造型技術,建立工程CAD幾何模型到WGOTHIC幾何模型的轉換方法,自動構造WGOTHIC計算所需幾何模型。然后在此基礎上研發了輔助建模軟件,并采用CAP1000模型對方法和軟件進行了驗證。結果表明,該方法能夠有效提高WGOTHIC幾何建模的效率。

計算機輔助設計; 熱工水力; 幾何建模

Class Number TP391.72

1 引言

在進行反應堆事故工況下安全殼壓力和溫度等熱工響應分析時,需要建立數值模擬程序WGOTHIC[1]的輸入模型。幾何模型是其中主要組成部分,主要包括安全殼及其內部各主要部件的結構信息,如自由容積、流通面積、部件的體積和表面積等。目前,幾何模型的建立過程通常是依據反應堆工程設計的二維圖紙,通過人為空間想象和人工數學計算,手動進行建模[2]。這種建模方法一方面非常繁瑣、耗時耗力,另一方面對于細節問題不能適當處理,為避免出錯不得不采取大量保守的近似與簡化。

近年來基于計算機輔助設計(CAD)的反應堆數值計算幾何建模方法及工具軟件在反應堆中子學領域研究較為活躍,已經成功應用于聚變堆的物理概念設計和輻射屏蔽分析[3～9]。在熱工水力分析領域,美國西屋公司研究了從二維圖紙解析長度、直徑等數據并轉換為核蒸汽供應系統部件及其子區域的熱工水力分析幾何參數的方法,并開發了相應的程序LUCIFER[10],用于生成LOCA事故分析程序的輸入模型。該方法是從二維圖紙的數據計算三維空間的幾何參數,由于模型從二維到三維涉及幾何重構的過程,因而在精確性上存在較大局限性。

為了提高WGOTHIC建模與分析的效率,本研究提出了一種基于三維CAD的WGOTHIC幾何建模方法。該方法利用現有用于工程設計的三維CAD幾何模型,采用計算機圖形學原理和實體幾何造型技術,建立模型轉換算法,自動構造WGOTHIC計算所需幾何模型。然后在此基礎上研發了輔助建模軟件,并采用CAP1000模型對方法和軟件進行了驗證。

2 方法研究

基于CAD的WGOTHIC幾何建模方法,總體思路是充分利用CAD技術的優勢和現有用于工程設計的三維CAD幾何模型(簡稱工程CAD模型),通過計算機圖形學原理和實體幾何造型技術,建立模型轉換算法,自動構造WGOTHIC計算所需幾何模型(簡稱WGOTHIC幾何模型)。首先要分析工程CAD模型與WGOTHIC幾何模型之間的差異性,把工程CAD模型轉換為適合熱工水力分析的CAD模型(簡稱熱工CAD模型),最后把熱工CAD模型轉換為WGOTHIC幾何模型。

2.1 工程CAD模型與WGOTHIC幾何模型及其差異性

2.1.1 工程CAD模型

CAD是使用計算機系統協助設計人員創建、修改、分析和優化產品設計的技術。借助計算機高效的圖形處理能力和強大的計算功能,CAD設計人員能夠直觀、快速、精確地操作整個模型的創建過程,并將其轉化為CAD幾何模型。

CAP1000反應堆的三維CAD模型由設備、系統、土建等設計人員使用PDS、Inventor等商用CAD造型系統協作創建。其創建的主要目的是用于工程設計和建造,因此本文稱之為工程CAD模型。

2.1.2 WGOTHIC幾何模型

WGOTHIC幾何模型是在使用WGOTHIC計算事故工況下反應堆安全殼壓力和溫度的瞬態響應時,安全殼及其內部各主要部件的結構參數數據集,包括虛擬劃分的控制網格參數、控制網格內部的熱阱參數和控制網格之間的流道參數等。

控制網格用于表示一個充滿流體的局域。整個三維問題空間被劃分為若干個控制網格。其幾何參數包括自由容積、質心、底板面積和池面積、水力直徑等。

熱阱用于模擬固體結構熱容、流體與固體結構之間的熱傳遞、結構表面之間的輻射傳熱、固體結構不同體積之間熱傳遞以及固體結構的內熱源等。熱阱有金屬熱阱和混凝土熱阱兩種,其幾何參數包括體積和表面積。

流道是指控制網格之間、控制網格與邊界條件之間的水力連接,如開口、管道、門、儀器穿透等?？刂凭W格之間可能會有多個流道。其幾何參數包括流通面積、濕周和水力直徑等。

2.1.3 工程CAD模型與WGOTHIC幾何模型差異性

工程CAD模型通常用于加工與制造,而WGOTHIC幾何模型用于科學計算。由于兩者使用目的不同,因此在模型表示方法、實體化程度要求、容錯性要求和詳細程度要求等方面存在差異性。

1) 模型表示方法不同

CAD幾何模型通常使用邊界表示法來精確、高效和無歧義地表示三維幾何體。邊界表示法用“點、邊、環、面、殼、體”等來記錄實體的幾何形狀和拓撲信息。而WGOTHIC幾何模型則采用參數化的表示方法,以體積、面積、長度、形心等參數來表示幾何體。

2) 模型類型要求不同

在幾何造型的發展過程中,先后出現了線框模型、表面模型和實體模型三種方式。為了方便設計人員,目前的大多數CAD造型系統會同時支持這三種造型方式。但是,對于WGOTHIC幾何模型來說,由于包含體積等三維結構參數,因此需要純粹的實體模型。

3) 容錯性要求不同

在機械加工與制造中,可以允許一定的容差和錯誤(如重疊),在加工制造時讀圖人員能夠利用其經驗或工具及時發現并修正。而熱工水力分析時,WGOTHIC程序要求幾何模型是正確無誤的,否則會影響計算結果的精度。

4) 模型詳細程度要求不同

工程CAD模型反映了真實的機械設計,包含了所有細節信息。而WGOTHIC幾何模型僅需要考慮主要設備和部件,不需要考慮過多細節。例如螺釘、倒角等細節,若在WGOTHIC幾何模型中進行考慮,對計算結果幾乎沒有影響,反而會增加建模的工作量和計算分析的時間。

由于工程CAD模型與WGOTHIC幾何模型之間存在差異,因此需要通過特定的轉換方法,把前者轉換為后者,以實現基于CAD的WGOTHIC幾何建模。這一轉換過程分為兩步,首先把工程CAD模型轉換熱工CAD模型,然后把熱工CAD模型轉換為WGOTHIC幾何模型。

2.2 工程CAD模型轉換為熱工CAD模型

借鑒基于CAD的中子學建模領域的成功經驗,把工程CAD模型轉換為熱工CAD模型的過程包括CAD模型的實體化、重疊消除和細節簡化等步驟。

2.2.1 CAD模型實體化

CAD幾何模型的實體化包括以下兩個過程:

1) 去除CAD幾何模型中用以輔助造型的非幾何圖元,如標注、文本、線串等;

2) 把線框幾何模型和表面幾何模型轉換為實體幾何模型。由于計算機圖形學領域還沒有一種普適性地把線框幾何模型和表面幾何模型轉換為實體幾何模型的算法,因此這一轉換過程需要人工進行干預。

2.2.2 CAD模型重疊消除

CAD幾何模型中的重疊(即干涉)的檢查和消除采用實體間兩兩求布爾交運算的方法。若布爾交運算的結果為空,則兩者不重疊;否則存在重疊,從其中一個實體中布爾減去相交部分幾何體,則可以消除重疊。實際操作過程中,兩兩比較是一個組合爆炸問題,其問題規模將達到O(N2)。而幾何實體間的布爾運算需要使用大量的圖形學算法進行嚴格的數值運算和矩陣運算,非常耗時。盡可能減少最終進行精確布爾求交的幾何體數量是提高重疊檢查效率的關鍵。因此本研究中將重疊檢查步驟分為兩個步驟,粗略檢查和精細檢查。粗略檢查階段用來快速剔除掉那些明顯不相交的幾何體(如標高不在同一范圍),對于可能相交的模型實體然后再進行更為細致的檢查。精細檢查分別用軸向包圍盒和布爾交運算來判斷是否干涉,因為包圍盒運算的效率要遠快于布爾交運算,因此精細檢查過程中先用包圍盒運算來剔除一部分不相交的幾何體。

2.2.3 CAD模型細節簡化

CAD幾何模型細節的簡化,主要通過設置一定的規則,從模型中按規則去除不必要的細節。用于細節簡化的規則比如體積小于一定值、幾何體屬于某一類型(如螺釘、開孔等)和幾何體位于某一特定位置(如埋于混凝土中)等。

2.3 熱工CAD模型轉換為WGOTHIC幾何模型

熱工CAD模型轉換為WGOTHIC幾何模型,核心內容是幾何表示方法的轉換,即邊界表示幾何模型轉換為參數化表示幾何模型。這一轉換過程為

1) 創建控制網格三維幾何體。根據設計人員確定的控制網格形狀(柱體、棱柱或不規則體),創建出其對應的三維幾何體,即控制網格的CAD幾何模型。

2) 求出熱阱三維幾何體。通過控制網格幾何體與部件幾何體進行布爾運算,并考慮CAD模型中的材料屬性,分別求出該控制網格內的金屬和混凝土的三維幾何體,即熱阱的CAD幾何模型。

3)計算控制網格參數和熱阱參數。依據實體模型的邊界表示法原理和圖形學算法,分別計算控制網格和熱阱的各類幾何參數。其中:

控制網格的自由容積:

(1)

式中,Vfree為控制網格的自由容積;Vgrid為控制網格幾何體的體積;Vsink,i為熱阱i的體積。

控制網格的底板面積:

(2)

式中,Sgrid_bottom為控制網格幾何體的底面積;Ssink_lower,i為熱阱i與控制網格幾何體底面布爾相交部分的面積。若熱阱i與控制網格幾何體的底面不想交,則Ssink_lower,i為0。

熱阱的總表面積:

(3)

式中,Ssink,i為熱阱i的表面積;Ssink,i∩j為熱阱i與熱阱j布爾相交部分的面積,若熱阱i與熱阱j不相交,則Ssink,i∩j為0;Ssink,i∩grid為熱阱i與控制網格幾何體布爾相交部分的面積,若熱阱i與控制網格幾何體不相交,則Ssink,i∩grid為0。

4) 求出流道幾何體。流道存在于組成該流道的兩個控制網格的邊界上。因此,對于相切的兩個控制網格,流道幾何體可以認為是一個“截面”,對于彼此分離的兩個控制網格,流道幾何體是兩個“截面”。流道幾何體的求取方法是,從該截面幾何上布爾差運算去除部件所占的部分幾何體。

計算流道參數。流道參數的計算也是依據邊界表示法原理和圖形學算法,其中流道濕周:

(4)

式中,Lgrid_bound為流道所在控制網格幾何體邊界面(簡稱邊界面)的周長;Lsink_bound,i為熱阱i在邊界面上的周長,若熱阱i與邊界面沒有交集,則Lsink_bound,i為0;Lsink_bound,i∩j為熱阱i和熱阱j在邊界面上相交部分幾何體的周長,若熱阱i與熱阱j在邊界面上沒有交集,則Lsink_bound,i∩j為0;Lsink_bound,i∩bound為熱阱i與邊界面的邊界邊相交部分幾何體的周長,若熱阱i與邊界面的邊界邊不相交,則Lsink_bound,i∩bound為0。

3 軟件實現

在方法研究的基礎上,研發了基于CAD的WGOTHIC幾何建模軟件,命名為GAM。軟件開發過程中使用美國Bentley System公司的MicroStation開發語言MDL,使用MicroStation的開放接口訪問和操作三維幾何模型,并實現幾何模型的轉換和建模算法。

根據本文所述的幾何建模方法,GAM軟件實現了用于工程CAD模型轉換為熱工CAD模型的CAD模型重疊消除和CAD模型細節簡化等功能,用于熱工CAD模型轉換為WGOTHIC幾何模型的控制網格幾何體創建、控制網格建模、熱阱建模和流道建模等功能,以及幾何信息計算等其他輔助功能。軟件運行界面如圖1所示。

圖1 幾何建模軟件原型

4 測試驗證

為了初步測試所研發的WGOTHIC幾何建模軟件GAM的正確性和性能,研究中采用CAP1000的三維CAD模型進行了測試。測試過程在微機上進行,操作系統為Windows XP,硬件配置為英特爾奔騰2.9GHz雙核CPU,4GB內存。

測試使用的CAP1000的三維CAD模型是CAP1000施工設計階段的一個中間版本,包含了安全殼廠房內的幾乎所有設備、風管、管道、橋架、支撐、鋼結構、混凝土結構和支吊架。模型組裝在一個dgn格式的文件中,包含約40萬個幾何體。

測試過程中,通過實體化、消除重疊,細節簡化等過程,把工程CAD模型轉換為適用于熱工分析的CAD模型。轉換后的CAD模型約有12萬個幾何體,如圖2所示。

圖2 適用于熱工分析的 CAD幾何模型

利用軟件建立了用于WGOTHIC計算輸入的幾何數據集(稱之為軟件建模模型)。將該模型與CAP1000標準設計過程中手工建立WGOTHIC計算幾何數據集(稱之為手工建模模型)進行對比,結果見表1。

1) 建模結果對比

由于手工建模過程中所用的模型來源是二維圖紙,且對模型存在保守的簡化和等效,因此手工建模和軟件建模的源模型存在一定的不一致性。因此研究中并未一一對比每個控制網格的建模結果,而是對比了整個安全殼內的總自由容積,軟件建模模型與手工建模模型的相對偏差為-0.5%,小于1%,初步判斷滿足精度要求。

2) 建模效率對比

測試過程中,建立的CAP1000模型的幾何數據集包含了125個網格及網格之間的300多個流道。軟件建模過程約花費了2人周的工作量,而手工建模過程通常要花費2人月的工作量?？梢?使用軟件輔助建模能夠較大程度提高建模的效率。

表1 CAP1000模型軟件建模與手工建模對比

5 結語

本研究提出了一種基于CAD的WGOTHIC幾何建模方法,并研發了相應的輔助建模軟件,采用計算機圖形學原理和實體幾何造型技術,建立了三維工程CAD模型到WGOTHIC幾何模型的轉換方法,能夠自動構造WGOTHIC計算所需幾何模型。初步測試表明,相對于手工方法,該方法和軟件能夠有效提高WGOTHIC幾何建模的效率,從而縮短反應堆安全殼熱工水力分析的周期。

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Research and Software Development of WGOTHIC Geometry Modeling Method Based on CAD

WANG Guozhong ZHANG Jingyu

(Shanghai Nuclear Engineering Research & Design Institute, Shanghai 230033)

It is necessary to model the geometry of WGOTHIC when using it to analyze the pressure response of the reactor containment. The present manually modeling method is based on the two-dimensional engineering design drawings, through the human space imagination and manual mathematical operations. This method is tedious, time-consuming and adopts some conservative approximation and simplification. A new modeling method for the WGOTHIC geometry based on Computer Aided Design (CAD) technology is proposed in this paper. The present three-dimensional CAD geometry model for engineering construction is utilized and a conversion method between engineering CAD geometry and WGOTHIC geometry is developed. This method is implemented as auxiliary modeling software. The verification results with CAP1000 model show that the method could improve the efficiency of WGOTHIC geometry modeling.

CAD, WGOTHIC, geometry modeling

2016年7月8日,

2016年8月26日

王國忠,男,博士,工程師,研究方向:核反應堆工程軟件研發。張經瑜,男,碩士,高級工程師,研究方向:反應堆工程軟件研究。

TP391.72

10.3969/j.issn.1672-9722.2017.01.039