Развитие и интеграция в САПР семейства программных комплексов АСТРА-НОВА для нормативных расчетов на прочность трубопроводных систем различного назначения

А.М.Белостоцкий, Г.А.Воронова, А.Л.Потапенко

Отметившее свое 26-летие семейство объектно-ориентированных программных комплексов АСТРА-НОВА (Windows-версия АСТРА-2001) на стадиях проектирования и эксплуатации обеспечивает автоматизированные поверочные расчеты произвольных пространственных разветвленных трубопроводных систем на статическую и циклическую прочность, на сейсмические воздействия, на вибропрочность и неустановившиеся динамические процессы в соответствии с требованиями российских нормативных документов, действующих в ряде отраслей: АСТРА-АЭС — ПНАЭ Г-7-002-86. Нормы расчета на прочность оборудования и трубопроводов атомных энергетических установок; АСТРА-ТЭС — РД 10-249-98. Нормы расчета на прочность стационарных котлов и трубопроводов пара и горячей воды, п. 5.2; АСТРА-НЕФТЕХИМ — нефтехимические и нефтеперерабатывающие производства (РТМ 38.001-94. Указания по расчету на прочность и вибрацию технологических стальных трубопроводов); АСТРА-СЕТЬ — РД 10-400-01. Нормы расчета на прочность трубопроводов тепловых сетей; АСТРА-МАГИСТР — СНиП 2.05.06-85. Магистральные трубопроводы.

Cуммируя многочисленные преимущества Windows-версии АСТРА-НОВА, следует констатировать, что впервые в отечественной практике достигнут качественно новый уровень комплексного автоматизированного расчетного обоснования статической и циклической прочности, сейсмостойкости и вибропрочности на доступных ПК. Появилась возможность оперативно и точно моделировать, анализировать в полном соответствии с требованиями действующих норм и оптимизировать трубопроводные системы произвольной сложности по прочностным критериям, не прибегая к вынужденным и зачастую необоснованным упрощениям и используя все преимущества Windows-технологий. Например, в рамках одной расчетной модели пользователь может быстро задать и комплексно проанализировать (на статику, циклику, сейсмику, вибрацию и пр.) связанную с ядерным реактором систему всех петель 1-го контура «реактор — трубопроводы — парогенераторы — насосы — ГЗЗ — компенсатор объема и т.д.» с адекватным учетом геометрико-жесткостных и инерционных характеристик и сложных условий крепления оборудования.

Существенно облегчена и обогащена новыми возможностями и процедура презентации (оформления) результатов расчетов в различных формах (сводные и выборочные таблицы, графики, визуализация и анимация, генерация отчетов). Совместимость и преемственность в отношении предыдущих версий, соответствие запросам проектной практики удерживают опытных пользователей, а новые, игровые по форме возможности привлекают молодежь, работающую в успешных фирмах. Созданы и реализуются основы для полной интеграции расчетов на прочность трубопроводов в процессы автоматизированного трехмерного проектирования и/или мониторинга объектов атомной и тепловой энергетики, нефтехимии и нефтепереработки, теплосетей и нефте- и газотранспортировки:

1.  В комплексах реализован единый эффективный алгоритм расчета трубопроводов как линейно-упругих пространственных многократно статически неопределимых стержневых систем, сочетающий в себе суперэлементный подход метода перемещений, методы начальных параметров и прогонки (для каждого суперэлемента — неразветвленного участка трубопровода) и спектральную методику решения динамических задач. Значимые собственные частоты и формы колебаний (для реальных трубопроводов, зачастую включающих много одинаковых ветвей, возможны случаи с кратностью порядка 10 и более) в требуемом диапазоне определяются исходя из решения частной проблемы собственных значений оптимизированными методами Ланцоша (блочный вариант) или итераций подпространства.

   Повышенная «оболочечная» податливость криволинейных труб (эффекты Кармана) и тройниковых соединений учитывается совместно со стеснением деформаций от присоединенных прямых труб. Линзовые, сильфонные и сальниковые компенсаторы, «арматура» (клапаны, задвижки и т.п.), фланцевые соединения, пружинные подвески и жесткие тяги, одно- и двусторонние опоры скольжения и качения, неподвижные опоры и амортизаторы (учет только динамической жесткости) — вот неполный перечень адекватно моделируемых элементов трубопроводов. Предусмотрено также задание стержневых элементов произвольного (не кольцевого) сечения, работающих на растяжение-сжатие, изгиб, сдвиг и кручение, моделирующих сложные опорные конструкции и оборудование в составе системы. Факторы для многовариантных режимов нагружения представлены весьма широко и разнообразно: внутреннее и/или внешнее давление, погонная весовая и ветровая нагрузка (включая моментные составляющие, например от стратифицированных жидкостей), перепады температур, заданные линейные и угловые перемещения опор (внешних и внутренних), монтажный натяг, дополнительные местные напряжения и т.д.

   Эффективная программная реализация для ПЭВМ современных алгоритмов позволяет выполнять прочностной анализ систем практически произвольной жесткостной и инерционной «контрастности» и вычислительной размерности (до 2 тыс. суперэлементов, 200 тыс. расчетных сечений и элементов, 50 тыс. динамических степеней свободы, 1 тыс. собственных частот и форм колебаний) при весьма умеренных затратах машинного времени.

2.  Многоэтапный расчет на статическую и циклическую прочность низко- и высокотемпературных трубопроводов (модуль АСТРА-СТАЦ) содержит опции задания или рационального выбора пружинных подвесок из сортамента МВН, ОСТ и «спецпружин». Предусмотрены все практически значимые виды прочностных расчетов (в том числе итерационного типа для учета возможного отрыва от опор и трения типа Кулона в опорах скольжения и качения) на нормативно регламентируемые сочетания квазистатических и малоцикловых нагрузок для режимов нормальных условий эксплуатации (НУЭ), нарушения НУЭ, гидро-/пневмоиспытаний и аварийных ситуаций. Реализованы инженерные методики уточненного расчета напряжений в отводах, гибах, коленах и тройниковых (сварных, штампованных и др.) соединениях, базирующиеся на результатах многопараметрических конечно-элементных исследований, на оценке герметичности фланцевых соединений.

   Расчет на сейсмические воздействия, заданные многокомпонентными спектрами ответа или ответными акселерограммами (АСТРА-СЕЙСМ), выполняется с учетом всех значимых собственных частот и форм колебаний системы. Для плотных спектров учитывается корреляция близких собственных форм. Реализованы также методики расчета на «высокочастотное» воздействие от падения самолета и автоматизированный режим рациональной расстановки сейсмоопор.

   Предусмотрено три вида расчета на вибропрочность (АСТРА-ВИБР): оценка близости собственных и возбуждающих частот колебаний (отстройка от резонансных режимов), определение допускаемых амплитуд (нормировка) перемещений по учитываемым собственным формам и вычисление амплитуд реакций, вибропрочности и долговечности при заданных полигармонических вибрационных нагрузках. Обеспечен расчет неустановившихся вынужденных колебаний при заданных динамических нагрузках для различных переходных (пуск, останов и т.п.) и аварийных режимов эксплуатации (модуль АСТРА-ДИН).

3. Развитой пре- и постпроцессор со встроенными, так называемыми отраслевыми, базами данных по физико-механическим характеристикам материалов и по параметрам типовых элементов (деталей), многооконный Windows-интерфейс и трехмерная графика (исходное и деформированное состояния, анимация собственных форм, цветовое распределение нагрузок и расчетных напряжений) дают многовариантные возможности для удобного задания исходных данных, для анализа и представления результатов расчета (рис. 1, 2, 3, 4, 5).

   Поддерживаются как традиционный табличный режим задания расчетной модели по суперэлементам и сечениям с визуализацией результата, так и полностью графический (в сапровском стиле) интерактивный режим построения с возможным использованием баз данных и ранее заданных прототипов-аналогов (рис. 6). Оптимизированная расчетная модель в последнем случае генерируется программно (с возможностью вмешательства пользователя на любом этапе); таким же образом производится и расстановка масс (динамических степеней свободы) для динамических моделей. Решена практически важная задача обнаружения возможных коллизий — технологически недопустимых пересечений или касаний труб.

   Обеспечена совместимость с ранними версиями АСТРА-НОВА и с некоторыми другими программами расчета трубопроводов, ведутся работы по полноценному импорту-экспорту в AutoCAD и по интеграции в мощные современные САПР (CADWorx/PIPE от COADE Engineering, PDS и др.).

4. Проектный блок программ автоматизированного расчета подкрепляется исследовательским блоком, ориентированным на использование квалифицированными расчетчиками. Так, разработана, протестирована и прошла испытания численная методика расчета последствий мгновенного аварийного разрыва трубопроводов (движение трубопроводов с учетом больших перемещений и пластических деформаций, оценка ударных нагрузок на опоры-ограничители и близлежащие системы — АСТРА-РАЗР), что безусловно необходимо для ответственных систем в атомной энергетике. Подсистема уточненного расчета НДС и прочности типовых элементов трубопроводов (сварных и штампованных тройников, отводов, гибов и колен, конических переходников, линзовых компенсаторов) — АСТРА-СТАДИО, связанная с базой данных типовых элементов, обладает собственным развитым диалоговым пре- и постпроцессором, требует лишь необходимого минимума информации (рис. 7). Вычислительной основой подсистемы служит универсальный программный комплекс СТАДИО, а базовыми конечными элементами — криволинейные оболочечные элементы переменной толщины суперпараметрического семейства, реализующие гипотезы типа Тимошенко.
5. Программные комплексы АСТРА-НОВА детально верифицированы и документированы (АСТРА-АЭС аттестован в Госатомнадзоре РФ еще в 1995 году, АСТРА-ТЭС, -НЕФТЕХИМ и -СЕТЬ подготовлены к сертификации в Госстрое РФ), интенсивно используются ведущими проектно-конструкторскими, исследовательскими и эксплуатирующими организациями (более

50 инсталляций), среди которых: ФГУП «Атомэнергопроект», ПКФ «Росэнергоатом», ВНИИАМ, ОКБ «Гидропресс», РОСЭП, СвердНИИХимМаш, НТЦ Госатомнадзора России и Украины, Киевский и Харьковский «Энергопроект», Енергопроект (Болгария), Игналинская АЭС (Литва), АО «Рязанский НПЗ», АО «ЛУКОЙЛ-ПермьНЕФТЕОРГСИНТЕЗ», ПО «НАФТАН» (г.Новополоцк), ПО «Химтехнология» (г.Северодонецк), АО «ВНИПИНефть» и АО «ЛенНефтехим». Имеются положительные рецензии специалистов ведущих зарубежных фирм Siemens AG (Германия), EDF (Франция) и Westinghouse (США).

У нас накоплен более чем четвертьвековый опыт широкого использования комплексов в расчетном обосновании НДС, прочности и надежности пространственных разветвленных трубопроводов различных отраслей. При этом весьма показательно, что ни по одному трубопроводу, спроектированному с применением АСТРА-НОВА (а общее число исследованных систем — десятки тысяч), не было ни рекламаций, ни каких-либо нештатных ситуаций, возникших по вине программного комплекса.

«САПР и графика» 8'2002