一种面向管道系统的多元化分析方法及系统

技术领域

本发明属于管道系统技术领域，尤其涉及一种面向管道系统的多元化分析方法及系统。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

核电厂管道系统力学分析是对核电厂管路系统进行设计验证的过程，以保证管路系统能在电厂的各类复杂运行环境下正常工作。管道系统力学分析是一个复杂的过程，涉及多种分析流程和工具。管道力学分析通常包括依据管道系统设计规范标准的各级应用工况(或称使用限制)的应力水平评估(后称之为常规力学分析)以及面向一些特殊技术应用、特殊载荷评估、特殊部件评估等需求的多元化分析评定，如含缺陷的管道部件分析评估、热分层分析、LBB(Leak Before Break，即管道破前漏技术的英文缩写)分析评估、三通分析评定、波纹管分析评定等。

目前，分析过程涉及多种流程和工具，分析流程的输入为上游系统工程师选定的包含解耦方式的管道模型，管道力学工程师据此进行前处理生成求解模型、提交给求解器求解计算并进行后处理生成分析报告。经工程实践，传统的核电厂管道系统力学分析流程与方式存在以下问题：

(1)分析软件种类繁多、图形界面风格各异，掌握需要花费大量时间，分析结果强依赖于设计人员自身的专业素养与对学科的熟练度；

(2)分析流程中有些软件自动化程度较低，建模方式依赖手动方式进行命令流输入，分析效率低且易出错；

(3)分析流程多样，涉及不同的学科，流程之间数据孤立，给项目管理带来很大的挑战。

发明内容

为了解决上述背景技术中存在的技术问题，本发明提供一种面向管道系统的多元化分析方法及系统，管道系统力学模型的参数文件采用树形数据结构进行保存，与分析程序无关，可通过接口快速适配管道分析的求解器，具备良好的扩展性，并集成了常规力学分析和多元化分析，打通了管道系统中各个流程的数据孤岛。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明的第一个方面提供一种面向管道系统的多元化分析方法，其包括：

响应于客户端上传的分析任务，对线程进行加锁后，响应于客户端上传的管道系统力学模型的参数文件，将分析任务入队后解锁线程；

读取队首，通过队首的分析任务对应的求解器接口，调用分析任务对应的分析程序，对管道系统力学模型的参数文件进行力学分析或多元化分析，得到分析结果；

其中，管道系统力学模型的参数文件采用树形数据结构进行保存，一个节点对应一个管部件单元。

进一步地，针对有回路的管道系统，叶节点指向树中已有节点。

进一步地，所述管道系统力学模型创建的方法为：客户端获取用户在图形用户交互界面选择的管部件单元、建模起始位置以及用户输入的管部件参数生成管部件模型，多个管部件模型组合为管道系统力学模型。

进一步地，所述多元化分析包括对管道系统力学模型的含缺陷管道部件分析、热分层分析和LBB分析，以及管部件模型的三通分析和波纹管分析。

进一步地，还包括：将分析结果返回客户端，以使客户端将分析结果渲染至管道系统力学模型，进行3D显示。

进一步地，不同类型的分析程序采用不同的接口技术实现与求解器的交互：若分析程序为白盒程序，采用了文件传参的方式进行数据交互；若分析程序为黑盒程序，采用Hook技术模拟键盘输入进行数据交互。

进一步地，还包括：响应于客户端的分析任务的优先级调整请求，对客户端的权限进行验证，若验证通过，对线程进行加锁，并调整队列中的分析任务的顺序后，解锁线程。

本发明的第二个方面提供一种面向管道系统的多元化分析系统，其包括：

队列管理模块，其被配置为：响应于客户端上传的分析任务，对线程进行加锁后，响应于客户端上传的管道系统力学模型的参数文件，将分析任务入队后解锁线程；

多元化分析模块，其被配置为：读取队首，通过队首的分析任务对应的求解器接口，调用分析任务对应的分析程序，对管道系统力学模型的参数文件进行力学分析或多元化分析，得到分析结果；

其中，管道系统力学模型的参数文件采用树形数据结构进行保存，一个节点对应一个管部件单元。

本发明的第三个方面提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如上述所述的一种面向管道系统的多元化分析方法中的步骤。

本发明的第四个方面提供一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上述所述的一种面向管道系统的多元化分析方法中的步骤。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提供了一种面向管道系统的多元化分析方法，其管道系统力学模型的参数文件采用树形数据结构进行保存，与分析程序无关，可通过接口快速适配管道分析的求解器，具备良好的扩展性。

本发明提供了一种面向管道系统的多元化分析方法，其集成了管道系统常规力学分析、含缺陷管道部件分析评估、热分层分析、LBB分析评估等多元化分析的功能模块，打通了管道系统中各个流程的数据孤岛，并且对流程中的数据进行了统一规范化的管理，提高了分析效率。

本发明提供了一种面向管道系统的多元化分析方法，其图形用户交互界面采用了友好的Office界面风格，降低了软件的学习成本。

本发明提供了一种面向管道系统的多元化分析方法，其用户只需在同一个用户界面就能完成各种分析任务，且每一步的输入、输出数据在项目管理模块的协助下均可追溯，极大提高了管道的力学分析效率和可靠性，也降低了各多元化分析工具的学习成本。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是本发明实施例一的一种面向管道系统的多元化分析方法的流程图；

图2是本发明实施例一的一种面向管道系统的多元化分析方法的框架图；

图3是本发明实施例一的多元化分析的结构图；

图4是本发明实施例一的含缺陷管道部件分析的流程图；

图5是本发明实施例一的LBB分析的流程图；

图6是本发明实施例一的热分层分析的流程图；

图7是本发明实施例一的波纹管分析的流程图；

图8是本发明实施例一的三通分析的流程图；

图9是本发明实施例一的队列管理的流程图；

图10是本发明实施例一的多元化分析的流程图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

实施例一

本实施例提供了一种面向管道系统的多元化分析方法，核心过程包括了3D交互、多元化分析、排队系统等技术，多元化分析功能包括含缺陷管道部件分析、热分层分析、LBB分析、三通分析、波纹管分析。如图1和图2所示，具体包括以下步骤：

步骤1、客户端响应于模型创建指令，创建管道系统力学模型。

管道系统力学模型创建的方法可以为：响应于用户在图形用户交互界面点击的一键导入指令，一键导入上游管道立体图生成管道系统求解器输入模型，自动创建管部件的力学模型，得到管道系统力学模型。

如图1所示，管道系统力学模型创建的方法还可以为：客户端获取用户在图形用户交互界面选择的管部件单元以及建模起始位置，在图形用户交互界面显示参数设置界面，获取用户输入的管部件参数(包括中心线的相对偏移量和截面参数)，完成详细参数定义，生成管部件模型，多个管部件模型组合为管道系统力学模型(管部件组合模型)，并保存管道系统力学模型的参数文件到数据库系统。

其中，管部件单元可以为直管、弯管、阀门或型钢等。

管道系统力学模型的参数文件采用树形数据结构进行保存，一个节点对应一个管部件单元，保存几何参数和材料参数等固有属性；针对有回路的管道系统，叶节点可指向树中已有节点，因此树形数据结构可以处理所有的管道系统；并且采用求解器无关的中性格式进行数据保存。客户端和求解器解耦，服务器端再适配求解器，可以减小求解器适配的工作量，扩大本发明的应用范围。

图形用户交互界面采用Office Ribbon风格菜单栏，图形用户交互界面的创建思路是：定制QTabWidget，通过QSS(样式表)实现显示样式的调整；图形用户交互界面的主窗口的中心区域为管道系统力学模型的3D显示区域；图形用户交互界面的不同标签页对应不同的分析功能。

图形用户交互界面采用了流行的Office界面风格，兼顾了功能和美观，降低了使用难度。

步骤2、客户端响应于模型渲染指令，对管道系统力学模型进行渲染。

实现管道系统力学模型的渲染功能的方法为：底层引擎为OpenGL；采用可编程管线技术；基于GLSL着色器语言开发各种显示效果，以此对各个管部件单元进行3D显示和视图操作，实现了管道系统力学模型的渲染；默认采用Phong光照模型；着色器采用外置文件的方式，可在不重新编译程序的情况下进行文件替换，实现不同的渲染效果。

步骤3、客户端响应于分析指令，将分析任务和管道系统力学模型的参数文件依次上传至服务器端。

如图9所示，客户端响应于分析指令，与服务器端进行连接，若连接失败，弹出提示；若连接成功，上传分析任务，并从服务器端获取排队状态，更新图形用户交互界面的队列表格；获取用户在图形用户交互界面选择的管道系统力学模型，将用户信息、客户端名称和管道系统力学模型的参数文件上传至服务器端。

其中，分析指令可以为力学分析、含缺陷管道部件分析、热分层分析、LBB分析、三通分析或波纹管分析。图形用户交互界面的不同标签页对应不同的分析功能，用户通过点击图形用户交互界面的不同标签页上的分析按钮，生成不同的分析指令。

步骤4、服务器端响应于客户端上传的分析任务，对线程进行加锁；响应于客户端上传的管道系统力学模型的参数文件，将分析任务入队后解锁线程。

步骤5、服务器端读取队首，通过队首的分析任务对应的求解器接口，调用分析任务对应的分析程序，对管道系统力学模型的参数文件进行静力/动力等常规力学分析或多元化分析，得到分析结果。在进行力学分析或多元化分析的过程中，将队首对应的分析任务的分析状态改为计算中(或分析中)，并定时对分析状态进行查询，当分析状态改为计算完成(或分析完成)时，队列的队首出列，并将分析任务的标志改为已完成，同时更新队列。

分析任务可以为对管道系统力学模型的力学分析，以及对管道系统力学模型的含缺陷管道部件分析、热分层分析和LBB分析，以及管部件模型的三通分析、波纹管分析等多元化分析。如图3所示，多元化分析是在管道系统力学模型的力学分析的基础上，进行一系列多学科的评估，包括含缺陷管道部件分析、热分层分析、LBB分析、三通分析、波纹管分析等。其中，含缺陷管道部件分析包括极限荷载、J/K分析、疲劳裂纹扩展和裂纹稳定性(裂纹稳定性包括了极限条件下的稳定性、撕裂稳定性以及双判据稳定性)；热分层分析包括总体弯矩及总体弯曲应力、局部薄膜应力、局部弯曲应力、沿壁厚的峰值应力；LBB分析为获取管部件模型的LBB界值曲线；三通分析包括应力评定和温度场分析；波纹管分析包括位移评定、应力评定、疲劳和稳定性。多元化分析依赖于管部件或管部件组合模型的几何、材料等参数，也依赖管道系统常规力学分析的计算结果。

分析程序(求解器)包括管道系统力学模型的力学分析程序、管部件模型的含缺陷管道部件分析程序、管部件组合模型的热分层分析程序、管部件组合模型的LBB分析程序、管部件模型的三通分析程序、管部件模型的波纹管分析程序。

如图4所示，含缺陷管道部件分析的流程为：拾取需要分析的管部件模型，判断管部件模型是否为指定类型；若管部件模型均为指定类型，获取裂纹参数；基于裂纹参数，进行快速断裂分析(获取管部件模型的最大弯矩)、疲劳裂纹扩展(获取管部件模型在各个工况的轴向力和垂向弯矩)、撕裂稳定性分析(获取管部件模型的最大弯矩的3倍值)和极限载荷法分析(根据设置的材料强度参数，计算管部件模型的极限载荷)；将基于快速断裂分析、疲劳裂纹扩展和撕裂稳定性分析的结果生成的参数文件，输入PFACrack程序(一款含缺陷管道部件断裂力学有限元分析的参数化自动有限元网格生成程序)，将PFACrack输出的结果与极限载荷法分析结果组合为关键结果。

如图5所示，LBB分析的流程为：获取单个工况与组合工况的工况列表以及设置的分析管段数量；获取用户选择的管道系统力学模型中各管段的起始和结束管部件模型；选择单个工况，选择正常应力及最大应力工况，生成json格式参数文件；调用LBB分析程序，得到关键结果。

如图6所示，热分层分析的流程为：拾取若干个的管部件模型；判断拾取的管部件模型之间是否为连续的，若是，对管部件模型进行遍历，对各个管部件模型对应的节点进行标记，标记为主管或支管；判断对各个管部件模型是否为管道三通、弯管、大小头、法兰或阀门等特定部件，若是将管部件模型对应的节点标记为特定部件；对标记后的所有管部件模型确定几何相互关系，调用热分层分析程序，得到关键结果。

如图7所示，波纹管分析的流程为：拾取属于波纹管评定对象的管部件模型(波纹管单元)；获取波纹管规格参数，计算直边段长度Lt/波长q的结果；获取选择的材料和工况，得到启示和结束点的力和弯矩值，生成文本格式参数文件后，调用波纹管分析程序，得到关键结果。

如图8所示，三通分析的流程为：拾取属于三通的管部件模型；获取三通规格参数，生成参数文件后，调用三通分析程序，得到关键结果。

因为客户端的计算机算力有限和求解器License限制，求解器部署在远程服务器上，远程服务器端和客户端之间通过排队系统实现数据交互。排队系统支持计算分析任务的本地提交、远程排队、计算结果下载。本发明开发的排队系统采用CS架构，客户端用于任务的提交、监控、数据下载、任务优先级调整；服务器端用于任务队列的管理以及和求解器的交互。排队系统支持命令行方式运行，支持批处理自动化创建任务。

多元化分析核心是和各分析程序的接口，向各分析程序传参、调用各分析程序生成计算模型、通过排队系统提交求解任务、调用各分析程序进行后处理、提取关键指标进行展示。

本发明针对不同类型的分析程序采用不同的接口技术实现服务器端与求解器的交互，若分析程序为白盒程序，采用了文件传参的方式进行数据交互；若分析程序为黑盒程序，采用Hook技术模拟键盘输入进行数据交互。

本发明中的排队系统的设计考虑和求解器解耦，方便适配多元化分析中的求解器接口。依托数据库，本发明对管道立体图(管道系统力学模型)、管部件模型、分析结果、多元化分析输入输出，基于项目管理系统以项目版本的方式进行管理。多元化分析主要是和各多元化分析程序的数据传递、联动分析迭代和多元化分析结果的展示。

步骤6、服务器端将分析结果(关键结果)返回客户端，客户端将分析结果渲染至管道系统力学模型，进行3D显示。

本实施例的图形用户交互界面支持分析结果的3D可视化，采用一组通用的3D显示功能，如云图、变形动画等，支持更多分析程序的集成。

因为要对管道系统力学模型进行3D渲染，需要对管道系统力学模型进行网格化，每种管部件单元对应一种三角形网格化算法。关键结果通常包括位移、应力、模态、疲劳等数据，通过3D进行展示，可以生动形象的展示结果。针对位移的可视化展示，本发明将提取的节点位移加到原节点的坐标上，重新生成变形后的网格，采用OpenGL框架即可渲染变形后的管道系统力学模型，支持中心线模式和面模式两种渲染效果；应力展示采用云图的方式进行可视化展现，云图采用1D纹理来实现；模态展示采用动画的方式来展现振型，将提取的节点位移进行平滑插值，生成中间状态的模型，通过时间组件来实现振型的动态展示；疲劳数据以表格的方式进行呈现。

步骤7、如图10所示，服务器端还监听客户端的分析状态请求，即客户端请求队列状态，服务器端反馈队列状态给客户端。

步骤8、响应于客户端的管道系统力学模型的参数文件的下载请求，对客户端的权限进行查询和验证，验证通过后，将参数文件返回给客户端。

步骤8、响应于客户端的分析任务删除请求，对客户端的权限进行查询和验证，验证通过后，将分析任务(包括数据表和参数文件)在队列中删除。

步骤9、响应于客户端的分析任务的优先级调整请求，对客户端的权限进行查询和验证，验证通过后，对线程进行加锁，调整队列中的分析任务的顺序后，解锁线程。

本实施例提供的一种面向管道系统的多元化分析方法以数据库系统、排队系统和项目管理系统作为支撑。

本实施例提供的一种面向管道系统的多元化分析方法，用户只需要在一个图形用户交互界面就能完成各种分析任务，且每一步的输入、输出数据在项目管理模块的协助下均可追溯，极大提高了管道的力学分析效率和可靠性，也降低了各多元化分析工具的学习成本。

本实施例提供的一种面向管道系统的多元化分析方法的数据结构和工具无关，可通过接口快速适配管道分析的求解器和多元化的分析工具，具备良好的扩展性。

本实施例提供的一种面向管道系统的多元化分析方法采，用Office风格的图形界面和3D交互显示方式，集成了管道系统力学分析、含缺陷管道部件分析、热分层分析、LBB分析等多元化分析的功能，打通了各个流程的数据孤岛，以此减小各流程中软件的使用难度、固化分析流程、提高分析效率。

实施例二

本实施例提供了一种面向管道系统的多元化分析系统，其具体包括客户端和服务器端，服务器端包括如下模块：

队列管理模块，其被配置为：响应于客户端上传的分析任务，对线程进行加锁后，响应于客户端上传的管道系统力学模型的参数文件，将分析任务入队后解锁线程；

多元化分析模块，其被配置为：读取队首，通过队首的分析任务对应的求解器接口，调用分析任务对应的分析程序，对管道系统力学模型的参数文件进行力学分析或多元化分析，得到分析结果；

其中，管道系统力学模型的参数文件采用树形数据结构进行保存，一个节点对应一个管部件单元。

本实施例的一种面向管道系统的多元化分析系统，采用QT开发，开发语言为C++，客户端的图形用户交互界面为Office风格，支持的操作系统为Win10。

本实施例的系统架构设计了和工具无关的数据结构，可通过接口快速适配管道分析的求解器和多元化的分析工具，具备良好的扩展性。

此处需要说明的是，本实施例中的各个模块与实施例一中的各个步骤一一对应，其具体实施过程相同，此处不再累述。

实施例三

本实施例提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如上述实施例一所述的一种面向管道系统的多元化分析方法中的步骤。

实施例四

本实施例提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上述实施例一所述的一种面向管道系统的多元化分析方法中的步骤。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用硬件实施例、软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器和光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)或随机存储记忆体(RandomAccessMemory，RAM)等。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。