虚拟仿真技术在核电站大件吊装中的应用研究

中广核工程有限公司 谢永辉 中电建集团核电工程公司 贾广明 马海峰

核电站大型设备吊装中，因需吊装设备尺寸大且刚度低、周围建筑物高耸密集、吊装机械体型大且对地基要求高，需全面慎重考虑吊点及吊索具设计和吊装运动规划。目前吊装方案编制主要依靠技术人员的经验，采用头脑风暴等方法识别风险，采用传统的文字描述吊装过程，采用表格计算相关参数，存在风险识别不完整、过程描述不直观具体、方案优化不方便、数值计算比较麻烦的不足。

1 虚拟仿真技术

1.1 计算机仿真方法

在解决工程技术难题时，需探索物质世界运行规律和演变过程，在采用全比例模型进行试验在经济和风险上不可接受时，一般采用理论计算、缩比模型、计算机仿真三种方法来探索事物的内在规律，研究过程的演化过程。其中随着ICT 技术的快速发展，计算机仿真方法具有代价小、时间短、可重复、参数设置灵活的特点，在解决工程技术难题时应用越来越广泛。

1.2 大件吊装涉及的计算机仿真技术

采用虚拟仿真的大件吊装过程涉及的计算机仿真技术主要有运动学仿真、静力学仿真、动力学仿真、材料结构力学仿真等。运动学仿真主要研究物体在几何空间的位置和速度（随时间变化的空间位置），关注点在空间位置及干涉、速度及效率，不涉及对象受力。动力学仿真主要研究物体的受力与物体运动的关系，主要解决两类问题，一是已知物体的运动，求物体的受力；二是已知物体受力，求物体的运动。在大件吊装方案编制的工程应用中，一般通过研究物体受力平衡的状态，将动力学问题简化为静力学问题。静力学仿真主要研究物体在受力平衡状态的受力规律。核电站大件吊装一般是静止状态或低速匀速运动状态，可简化为静力学问题处理。

通过理论力学分析求出物体受力后，根据材料力学和结构力学理论，采用有限元分析的方法求出大件吊装的吊点、吊具的应力、变形，评估其强度和稳定性是否满足要求。

1.3 吊装虚拟仿真

吊装虚拟仿真是大型吊装技术和计算机仿真方法结合的产物，涉及力学和运动学、计算机图形学、控制理论、项目管理理论、人机工程学等学科领域。中广核工程有限公司建设了基于达索3D Experience 软件的施工虚拟仿真平台，可进行各种吊装虚拟仿真工作。

图1 主要步骤

吊装虚拟仿真主要过程是在施工虚拟仿真平台中建立和物理实体一致的三维模型，将其中具有机械运动功能的三维模型添加机械约束形成机械模型。按照拟定施工方案步骤对机械模型编程添加激励使其执行一些列操作，并建立虚拟摄像机、测量仪在各个设定视角观察和测量整个吊装过程，检查各部分间的间隙和碰撞、工作空间等数据，分析评估其操作可行性及风险。根据测量分析结果方便的通过参数化的修改模型和激励调整方案，直至得出最优施工方案。

2 采用虚拟仿真技术的大件吊装方案编制

下文以某华龙一号核电站环吊的环轨梁整体吊装为例，阐述采用虚拟仿真技术规划和编制核电站大型设备的整体吊装方案的方法。该仿真采用的是达索3D Experience 软件，主要使用其中的CATIA、DELMIA、SIMULIA 相关功能。

2.1 主要步骤

采用虚拟仿真技术编制大件吊装方案一般分为建模和装配、布置规划、运动规划、碰撞和空间分析、力学分析等几个步骤，需经过几轮迭代优化可得到满意的方案。

2.2 建模和装配

采用CATIA 等三位建模软件，建立环轨梁整体吊装涉及的构筑物、地形、吊车等机械设备、环轨梁等设备部件。

三维建模的精度要遵循焦点对象高精度、非焦点对象低精度的原则。如作为被吊装物体的环轨梁及与之进行机械适配的吊具、履带吊吊钩，以及和环轨梁进行机械配合的牛腿，需按实际尺寸进行体现到毫米级尺寸特征的高精度建模。在吊装路径范围内的塔吊、反应堆厂房的钢衬里可进行相对低精度的建模，对于其他构筑物和地形模型可进行低精度建模；对于大型履带吊等吊装机械，应先查其性能表选定合适工况，如带600t 超起配重的78m+60m 的塔式工况，按照其工况建立模型。对于需新设计的吊具可先设计一个尺寸合适的模型，在后续进行力学计算和优化。

图2 碰撞空间分析

在环轨梁吊装过程中需运动的机械，在建模后需在DELMIA 的Equipment Design 模块中将各运动部件之间，如履带吊的下车和上车、上车和主臂、主臂和副臂、吊钩和副臂之间建立机械连接，约束其某些方向上的自由度，建立机械和被吊装物品的机械接口，将独立的三维实体构建成为具备真实运动功能的机械，为运动规划提供条件；对于空间位置确定的地形、构筑物、塔吊、环轨梁等被吊装物项，可按实际位置进行模型装配。大型履带吊等吊装机械和工装装配位置在布置规划环节确定。

2.3 布置规划

主要确定履带吊等吊装机械的站位，以及吊装工装摆放、辅助汽车吊和运输板车的行走通道等。首先在CATAI 的Assembly Design 模块将大型履带吊、路基板、超起配重等摆放到一个大致合适的位置，采用测量工具测量其与周边构筑物、边坡距离，通过参数化调节使其保留一个安全距离。将吊装工装、运输板车、辅助汽车吊摆放到合适的工作位置，通过参数化调节其三维坐标，使其周边运输通道和工作空间足够。

2.4 运动规划

完成初步的布置规划后，进入DELMIA 的Equipment Simulation 模块对吊装机械的运动副进行编程添加激励，模拟整个吊装过程。以某华龙一号核电站环吊的环轨梁吊装为例，吊装主要步骤有起吊、回转、变幅、落钩等几个步骤：

在吊钩-副臂运动副添加平移运动激励，方向向上、速度5m/min、总行程100m，也可采用示教方式将吊钩拖动到一个合适的高度作为运动终点；在履带吊上车-下车运动副添加旋转运动激励，方向逆时针、速度5°/min。建立经过反应堆厂房中心线-履带吊回转中心线的辅助面，采用示教方式将上车拖动到辅助面上作为运动终点，也可测量主臂和辅助面之间的角度，直接设定回转角度；在主臂-上车运动副添加旋转运动激励，方向顺时针、速度1°/min，因主臂趴杆的角度有限，故直接设定总回转角度5°；在副臂-主臂运动副添加旋转运动激励，方向顺时针、速度1°/min。在反应堆厂房中心建立辅助线，采用示教方式将副臂拖动到辅助线运动终点，也可进过测量设定回转角度。

2.5 碰撞和空间分析

进行碰撞分析前需定义碰撞检测参数，选择检测对象为履带吊、构筑物、塔吊，设定碰撞阈值，为安全起见一般设500mm，即两个物体间的距离小于500mm 即视为碰撞；进行空间分析前需对需监测的空间距离建立动态测量，如主臂和龙门架厂房之间、环轨梁和塔吊之间、副臂和反应堆厂房钢衬里之间等，可在运动过程中动态查看各处间距。需注意的是，在仿真时动态测量非常占用计算资源，造成运行卡顿，每次仿真时宜激活不超过3个动态测量。

设置好碰撞检测和动态测量后即可在Equipment Simulation 模块执行动态吊装仿真，查看运动过程。仿真过程中动态显示定义的间隙测量值、碰撞位置提示，可随时暂停查看。仿真结束后弹出碰撞检测报告，列出碰撞位置，根据上述数值和位置进行碰撞分析和空间分析判断是否碰撞，吊装安全距离是否足够。如仿真中发现碰撞和安全距离不够，需针对具体情况来修改吊车站位、运动路径，甚至重建模型修改吊装工况、再重新进行仿真，直到满足条件为止。

2.6 力学分析

如吊装需要新设计吊具，在第一步可先设计一个尺寸合适的模型，经碰撞和空间分析通过后，再对新设计吊具进行力学分析。力学分析可采用3D Experience 的SIMULIA 模块进行，也可采用ANSYS 等软件进行。由于环轨梁吊装时的速度很慢，履带吊的吊臂有较大弹性、履带吊的钢丝绳较长且有弹性、吊索也有弹性，整个吊装过程中加速度很小，因此仅进行静力学计算即可满足工程需要。

吊具的静力学分析采用有限元法，对吊具模型进行约束和加载并划分网格，设定加载曲线后计算出应力和变形。分别以额定载荷、1.5倍额定载荷加载，一般1.5倍额定载荷时最大von-Mises 应力小于许用应力，额定载荷时变形小于限值即认为通过。如不通过需修改吊具模型，通过修改结构形式、局部补强、处理，修改后需重新进行力学计算，如外形尺寸有较大修改，需重新进行碰撞和空间分析。

综上，采用虚拟仿真技术编制大型设备吊装方案后，其产出包括一份带有详细三维插图的施工方案、一套完整吊装三维模型、一套吊装仿真视频。和传统的纯文字描述施工方案、二维图纸插图施工方案相比，能传递更丰富、更直观、更准确的信息，更有利于作业人员理解作业过程。同时，可方便的通过修改参数调整吊车布置、动作规划，提高方案优化迭代效率，是一种高效的施工方案编制方法。其不足主要是三维虚拟仿真软件学习曲线较陡，掌握难度稍大，且软件价格昂贵，但未来三维CAE 软件全面普及后应能有效解决。