一种耦合商业软件与自编程软件的方法

摘要

一种耦合商业软件与自编程软件的方法，主要步骤如下：1、基于商业软件自动化建模脚本和自编程软件建立研究对象的分析模型，确定耦合传递参数和控制流程参数；2、选择商业软件和自编程软件中一个软件即A软件先行计算一次并输出结果文件，等待另一个软件即B软件结果文件输出；3、B软件通过耦合接口读取A软件结果文件，将A软件的耦合传递参数通过数据映射方法映射至B软件模型节点上，B软件计算一次并输出结果文件，等待A软件读取、映射B软件计算结果并进行下一次计算；4、循环执行步骤2、3直至总时间步数；本发明的计算方法能够实现商业软件与自编程软件间耦合计算及多物理场精细化模拟。

说明书

技术领域

本发明涉及核反应堆燃料元件性能分析领域，具体涉及一种耦合商业软件与自编程软件的方法。

背景技术

核反应堆是典型的多物理场多尺度耦合系统，而燃料元件的行为及性能变化对核反应堆的安全至关重要。因此，需要对核反应堆燃料元件采用尽可能精细、准确的多物理场多尺度耦合模型进行行为及性能分析。

针对本构方程开发的自编程软件能够相对准确地模拟研究对象的多物理场状态，但是为了简化计算量，通常会选择低维的分析模型，在进行较大尺度分析时以粗略表现研究对象在多物理场耦合的变化。因此，这种自编程软件不能评估由于真实几何尺寸下，由于局部物理场变量的不均匀性对研究对象行为及性能的影响，同时，简化的分析模型采用的网格要求同模拟真实几何模型的网格要求也不相符，故而不能十分准确地确定研究对象物理场变量的分布情况，造成计算结果的不确定性。

已经发展成熟的商业软件可以弥补自编程软件简化模型的不足，建立真实尺寸相对应的三维模型。但是，商业软件建立三维模型的建模过程复杂。当研究对象局部区域的变化对整体模型的影响显著时，这种通过三维模型多物理场耦合的完全模拟将造成网格划分的数量过于庞大，数值模拟的计算效率低下。

发明内容

为了克服上述现有技术存在的问题，本发明的目的是提供一种耦合商业软件与自编程软件的方法，通过研究对象不同维度模型的耦合，实现研究对象精细快速的多物理场耦合模拟。该方法基于商业软件自动化建模脚本建立研究对象三维分析模型，基于自编程软件建立的研究对象一维分析模型，先独立启动商业软件和自编程软件，选择其中一个软件即A软件根据预定义好的边界条件和初始条件完成一个时间步长的计算，计算完成后将其结果中的耦合传递参数和控制流程参数写入到文本文件中，等待另一软件即B软件进行一个时间步长的计算结果，此时，B软件通过耦合接口对A软件计算结果是否更新进行判断，判断更新则读取A软件的耦合传递参数和控制流程参数文本文件，通过数据映射方法完成B软件分析模型节点的数据传递，B软件进行一个时间步长计算，计算完成后将其结果中的耦合传递参数和控制流程参数写入到文本文件中，等待A软件进行下一个时间步长的计算结果，而此时A软件通过耦合接口对B软件计算结果是否更新进行判断，判断更新则读取B软件的耦合传递参数和控制流程参数文本文件，通过数据映射方法完成A软件分析模型节点的数据传递，A软件进行下一个时间步长的计算。A软件和B软件根据已定义好的总计算时间步数，交替进行上述计算过程直至达到总的时间步数要求。

为了实现上述目的，本发明采取了以下技术方案予以实施：

一种耦合商业软件与自编程软件的方法，针对核反应堆堆内构件的性能分析以及堆内构件精细化、多物理场耦合模拟问题，通过自编程软件建立的研究对象的反应堆分析模型和商业软件建立的研究对象的反应堆分析模型间的参数传递，既能实现反应堆堆内构件瞬态性能分析和精细化模拟，又能提高多物理场耦合模拟的计算速度；

步骤如下：

步骤1：确定研究对象的几何参数、总时间步数、时间步长，基于自编程软件建立研究对象的一维模型，所需的输入参数包括节点的数量、位置、分布方式、总时间步数、时间步长，基于商业软件自动化建模脚本建立研究对象的三维模型；

步骤2：根据研究对象的工程设计值和反应堆运行工况，确定研究对象的材料参数模型和热、力、辐照条件下的行为模型，根据研究对象在反应堆运行工况下由于某些辐照行为的出现和变化造成其功能丧失来确定研究对象在反应堆内的失效机制及失效判定准则，基于自编程软件采用一维有限差分节点完成研究对象的反应堆分析模型创建，基于商业软件二次开发功能完成研究对象的反应堆分析模型创建；

步骤3：确定商业软件和自编程软件间耦合计算涉及的关键参数，包括耦合传递参数及控制流程参数，对于商业软件，需要获取其多物理场耦合模拟结果中，研究对象的内部和外部的温度边界、内部和外部的压力边界、化学反应造成氧化腐蚀的厚度或深度、材料金相组织份额、节点位置、失效判定状态、当前耦合模拟时间为耦合传递参数，商业软件在当前时间步的计算状态为控制流程参数，对于自编程软件，需要获取其多物理场耦合计算结果中，研究对象的内部和外部的温度边界、内部和外部的压力边界、发生化学反应的位置和反应产物的浓度、当前耦合计算的时间、节点位置为耦合传递参数，自编程软件在当前时间步的计算状态为控制流程参数，根据商业软件和自编程软件建立的研究对象几何模型维度差异，采用数据映射方法实现模型间节点信息的数据传递；

步骤4：确定自编程软件和商业软件的计算状态分为三种：0即当前时间步，软件未开始执行计算，该状态为默认值；1即当前时间步，软件已执行计算；2即当前时间步，研究对象满足失效判定准则，已判定研究对象失效；根据已确定的三种当前时间步的自编程软件和商业软件计算状态作为控制流程参数以及步骤3的自编程软件和商业软件耦合传递参数，完成自编程软件、商业软件的运行状态和耦合参数的文件创建；

步骤5：实现精细化耦合模拟开始前，需要分别独立启动自编程软件及商业软件；首先选择其中一个软件即A软件进行多物理场耦合模拟，A软件完成研究对象的反应堆分析模型一个时间步长的多物理场耦合模拟；在该时间步长末，自动将耦合传递参数及控制流程参数写入步骤4创建的相应文件，在开始下一时间步长计算前，A软件等待另一软件即B软件耦合传递参数及控制流程参数的文件输出；

步骤6：B软件得到A软件在步骤5的模拟结果，通过商业软件二次开发子程序接口或商业软件内置接口或自编程软件接口先后读取控制流程参数、耦合传递参数，B软件通过A软件输出文件中控制流程参数对当前时间步长下A软件的耦合传递参数是否更新进行判断，若判断为是，则B软件通过数据映射方法将耦合传递参数映射至B软件的反应堆分析模型节点上，映射完成后开展当前时间步长模拟；

步骤7：B软件模拟结束后自动将耦合传递参数及控制流程参数写入步骤4创建的相应文件，等待A软件进行下一个时间步长模拟结果的文件输出；

步骤8：A软件得到B软件在步骤8的模拟结果文件，通过商业软件二次开发子程序接口或商业软件软件内置接口或自编程软件接口先后读取控制流程参数、耦合传递参数，根据输出文件中的控制流程参数判断B软件的模拟状态，通过数据映射方法将耦合传递参数映射至A软件的反应堆分析模型节点上，映射完成后，A软件进行下一时间步长模拟；

步骤9：A软件和B软件根据步骤1的总时间步数和时间步长，交替循环进行上述步骤6-步骤8，直至满足模拟的总的时间判定条件。

优选的，所述的商业软件采用：ABAQUS、ANSYS、COMSOL-MATLAB；商业软件结果输出及参数传递的方式，包括ABAQUS的DLOAD、UDFLD子程序、ANSYS的UDF编译接口、COMSOL的Livelink For MATLAB接口。

本发明通过将商业软件与自编程软件耦合，实现了在特定核反应堆运行工况下堆内构件的运行状态及性能分析，通过不同维度几何模型节点的数据传递，能够有效解决核反应堆堆内构件精细化、多物理场耦合模拟问题。和现有技术相比较，本发明具备如下优点：

1.针对商业软件与自编程软件通过数据传递、数据映射的方法进行耦合计算的情况，该方法能够根据商业软件与自编程软件的计算状态，自动对软件进行再启动计算的判断。

2.该方法能够在商业软件与自编程软件同时启动后，根据作为数据源软件的计算状况，控制并保持作为数据传输终端软件的运行状态。

3.该方法可以实现商业软件与自编程软件的双向耦合计算。

4.该方法快速、准确，易于实施。

附图说明

图1是商业软件和自编程软件耦合方法的流程图

具体实施方式

下面结合附图具体实施方式对本发明方法作进一步详细说明，

如图1所示，虚线箭头表示耦合参数传递，虚线框表示耦合所包含的流程。本发明一种耦合商业软件与自编程软件的方法，步骤如下：

步骤1：确定压水堆燃料包壳的几何参数、总时间步数、时间步长，基于自编程软件建立压水堆燃料包壳的一维模型，所需的输入参数包括节点的数量、位置、分布方式、总时间步数、时间步长，基于商业软件自动化建模脚本建立压水堆燃料包壳的三维模型；

步骤2：根据压水堆燃料包壳的工程设计值和LOCA事故对应的反应堆工况，确定压水堆燃料包壳的材料参数模型和热、力、辐照条件下的行为模型，如包壳高温氧化模型、包壳材料相变模型、高温蠕变模型，根据压水堆燃料包壳在LOCA事故下由于某些辐照行为的出现和变化造成其功能丧失来确定压水堆燃料包壳的失效机制及失效判定准则，在LOCA下压水堆燃料包壳的失效准则为包壳鼓胀的爆破准则，包含有包壳局部应力限值准则、包壳变形塑形“失稳”准则、包壳总塑形应变准则共三个准则，并认为商业软件和自编程软件的计算结果只要满足上述三个失效判定准则其中之一，则认为燃料包壳失效，基于自编程软件采用一维有限差分节点完成压水堆燃料包壳的分析模型创建，基于商业软件二次开发功能完成压水堆燃料包壳的分析模型创建；

步骤3：确定商业软件和自编程软件间耦合计算涉及的关键参数，包括耦合传递参数及控制流程参数，对于商业软件，需要获取其多物理场耦合模拟结果中，研究压水堆燃料包壳的内部和外部的温度边界、内部和外部的压力边界、化学反应造成氧化腐蚀的厚度或深度、材料金相组织份额、节点位置、失效判定状态、当前耦合模拟时间为耦合传递参数，商业软件在当前时间步的计算状态为控制流程参数，对于自编程软件，需要获取其多物理场耦合计算结果中，压水堆燃料包壳的内部和外部的温度边界、内部和外部的压力边界、发生化学反应的位置和反应产物的浓度、当前耦合计算的时间、节点位置为耦合传递参数，自编程软件在当前时间步的计算状态为控制流程参数，根据商业软件和自编程软件建立的压水堆燃料包壳几何模型维度差异，采用数据映射方法实现模型间节点信息的数据传递；

步骤4：确定自编程软件和商业软件的计算状态分为三种：0即当前时间步，软件未开始执行计算，该状态为默认值；1即当前时间步，软件已执行计算；2即当前时间步，燃料包壳满足失效判定准则，已判定燃料包壳失效；根据已确定的三种当前时间步的自编程软件和商业软件计算状态作为控制流程参数以及步骤3的自编程软件和商业软件耦合传递参数，完成自编程软件、商业软件的运行状态和耦合参数的文件创建；

步骤5：实现精细化耦合模拟开始前，需要分别独立启动自编程软件及商业软件；首先选择其中一个软件即商业软件进行多物理场耦合模拟，商业软件完成燃料包壳的反应堆分析模型一个时间步长的多物理场耦合模拟；在该时间步长末，自动将耦合传递参数及控制流程参数写入步骤4创建的相应文件，在开始下一时间步长计算前，商业软件等待另一软件即自编程软件耦合传递参数及控制流程参数的文件输出；

步骤6：自编程软件得到商业软件在步骤5的模拟结果，通过商业软件二次开发子程序接口先后读取控制流程参数、耦合传递参数，自编程软件通过商业软件输出文件中控制流程参数对当前时间步长下商业软件的耦合传递参数是否更新进行判断，若判断为是，则自编程软件通过数据映射方法将耦合传递参数映射至自编程软件的反应堆燃料包壳分析模型节点上，映射完成后开展当前时间步长模拟；

步骤7：自编程软件模拟结束后自动将耦合传递参数及控制流程参数写入步骤4创建的相应文件，等待商业软件进行下一个时间步长模拟结果的文件输出；

步骤8：商业软件得到自编程软件在步骤8的模拟结果文件，通过商业软件二次开发子程序接口或商业软件软件内置接口或自编程软件接口先后读取控制流程参数、耦合传递参数，根据输出文件中的控制流程参数判断自编程软件的模拟状态，通过数据映射方法将耦合传递参数映射至商业软件的反应堆燃料包壳分析模型节点上，映射完成后，商业软件进行下一时间步长模拟；

步骤9：商业软件和自编程软件根据步骤1的总时间步数和时间步长，交替循环进行上述步骤6-步骤8，直至满足模拟的总的时间判定条件。

优选的，所述的商业软件采用：ABAQUS、ANSYS、COMSOL-MATLAB；商业软件结果输出及参数传递的方式，包括ABAQUS的DLOAD、UDFLD子程序、ANSYS的UDF编译接口、COMSOL的Livelink For MATLAB接口。

面对只采用简化模型和只采用真实三维模型的尴尬局面，建立本发明一种耦合商业软件和自编程软件的方法，在既保证模拟精度，又能节省计算资源的前提下，实现研究对象的多物理场耦合模拟。本发明方法还应该具有较大的灵活性，不同软件通过双向耦合实现模拟的同时，耦合模拟的结果不受软件运行情况的影响。

本发明一种耦合商业软件和自编程软件的方法，首先需要分别独立启动自编程软件和商业软件，任意指定先行计算的软件，完成一个时步计算后自动通过耦合数据接口完成数据传递，另一软件通过控制流程数据判断并进行一个时步计算，按照同样的数据传递方法完成数据传递，两个软件按照已定义的时间范围，循环进行时步计算并双向传递耦合数据，这种方法快速、准确，能够实现事故下包壳鼓胀行为的精细模拟和性能分析。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。