CODE ASTER – PHẦN MỀM TÍNH TOÁN PHẨN TỬ HỮU HẠN Trần ...

N Ă NG LƯỢNG HẠ T NHÂNSố 01 – Tuyển tập 02 - Tháng 03/2012CODE ASTER – PHẦN MỀM TÍNH TOÁN PHẨN TỬ HỮU HẠNTrần Văn XuânKỹ sư cơ họcEDF R&D&Lê Thị Thùy TrangKỹ sư cơ họcAREVA NPAbstract/IntroductionAster Code is the unique finite element software developped and used by EDF, Electricité deFrance, for structure computations in nuclear power plants. On the occasion of 20 th anniversaryof Aster Code, the authors would like to present an article written by EDF’s Aster Codedevelopment team: “Code Aster: 20 ans déjà”, published in EDF’s annual report. The paperalso describes the advantages of Aster Code and its potential applications for structurecomputations of future Vietnamese power plants.Code Aster là chương trình tính toán phần tử hữu hạn duy nhất được phát triển và sử dụng tạiEDF, tập đoàn điện lực của Pháp để tính toán các kết cấu trong lò phản ứng hạt nhân. Nhân dịpkỷ niệm Code Aster tròn 20 tuổi, chúng tôi xin giới thiệu đến độc giả của « Tập san năng lượnghạt nhân » số 4, bài giới thiệu của EDF về Code Aster. Bài báo được đăng trong báo cáo thườngkỳ của EDF với tựa đề “Code Aster: 20 ans déjà”.Cũng nhân dịp này, chúng tôi đưa ra một số ý kiến về áp dụng Code Aster tại Việt Nam để tínhtoán kết cấu của nhà máy điện hạt nhân thông qua việc phân tích các ưu điểm của Code Aster vàqua một ví dụ tính toán cụ thể.Code Aster - Hành trình 20 nămCode Aster là lời giải của EDF cho các bài toán về mô phỏng đập nước chịu động đất, về lò phảnứng hạt nhân với phần lõi nóng chảy hay về ước lượng sự lão hóa của các kết cấu điện. Nhân dịpCode Aster tròn 20 năm, hãy cùng nhìn lại phần mềm tính kết cấu rất khác biệt này.Năm 1989, nhằm trả lời cho những yêu cầu tính toán của mình, EDF quyết định phát triển mộtphần mềm nội bộ dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn. Lựa chọn này thể hiện nhiều mongmuốn của EDF : nắm vững các bài toán về mô phỏng kết cấu, phát triển một phương tiện tínhtoán thống nhất mà có thể đưa vào các nghiên cứu kỹ thuật mới và cuối cùng có một phần mềmtính toán được thẩm định và đảm bảo về chất lượng. Việc tính toán các thiết bị lắp đặt của EDFthường được thực hiện trong thời gian dài. Do vậy, việc lưu lại các giai đoạn của tính toán cũngnhư những yêu cầu về chất lượng là rất cần thiết, đặc biệt là trước những đòi hỏi cao của an toànhạt nhân.ASTER là viết tắt của « Analyse des Structure Thermo-mécanique pour des Etudes et desRecherches » (Tính toán kết cấu nhiệt động học trong phân tích và nghiên cứu). Đây là phầnmềm đã được « Ủy ban an toàn quốc gia » chứng nhận là chương trình tính toán kết cấu duy nhấtsử dụng ở EDF. Từ khi đưa vào sử dụng đến nay, Code Aster đã trải qua nhiều cải tiến, nó đượccoi như một công cụ dành cho các chuyên gia. Trước hết, đấy là bởi nó có thể giải quyết đượcnhiều loại bài toán khác nhau về cơ học, nhiệt học, âm học, động đất, … Do vậy, nó cũng cần có16Hội Khoa học và Chuyên gia Việt Nam

N Ă NG LƯỢNG HẠ T NHÂNSố 01 – Tuyển tập 02 - Tháng 03/2012một môi trường để có thể hoạt động : từ chương trình chuẩn bị dữ liệu (VD : mô hình hóa kết cấu- chú thích người dịch), chương trình xử lý kết quả cũng như các công cụ chuyên ngành khác.Trong mọi trường hợp, phần mềm này không thể coi như là một giải pháp dùng cho việc thiết kếhoặc một giải pháp « nhấn nút ». Để giải một bài toán về sự lão hóa của các kết cấu chẳng hạn,người ta cần đưa vào các thông tin về quá trình chịu tải, về việc sản xuất, khai thác và sửa chữakết cấu. Các giả thiết đưa vào phức tạp hơn rất nhiều so với các bài toán thiết kế thông thường. Vìvậy, việc mô phỏng kết cấu đòi hỏi phải có phương pháp giải phi tuyến tính, có hiệu ứng nhiệt,các tải trọng động hoặc có sự tương tác của nước và kết cấu.Hình 1. Tính toán ứng suất bằng Code Aster trong trường hợp siêu ngàmHai mươi năm sau khi được đưa vào sử dụng, Code Aster đã trải qua mội chặng đường dài. Từnăm 2001, nó đã tồn tại dưới dạng một phần mềm miễn phí với mã nguồn mở GNU GPL. Đây làý tưởng độc đáo của EDF nhằm đảm bảo tương lai cho phần mềm của họ. Ý tưởng này rất logicbởi việc thiết lập Code Aster được thực hiện dựa trên một mạng lưới các kỹ sư dày dạn kinhnghiệm của EDF, những người đã nhìn thấy trước tương lai của thế giới các phần mềm miễn phí.Trong vòng 20 năm, gần 200 người phụ trách việc phát triển và hơn 20 đề tài tiến sĩ đã cống hiếncho phần tim của Code Aster.Từ gần 8 năm trở lại đây, cộng đồng người dùng, bị nó chinh phục, đã giúp phần mềm này trởnên phong phú thêm. Chính kết cấu theo kiểu modul đã cho phép Code Aster tiếp nhận một cáchdễ dàng các mô hình và các chức năng mới. Do đó, nó có thể giao tiếp với các giải pháp bênngoài cũng như với các phát triển « gia công » và tất cả các modul xử lý dữ liệu. Rất nhiều cộngtác viên khoa học đã được kết nối, một thỏa thuận về hợp tác phát triển đã được ký kết giữa EDFR&D và IFP (Viện dầu khí Pháp). IFP đã dùng Code Aster để mô phỏng sự không liên tục củacác vật chất nhằm miêu tả hiện tượng trượt. Về phía mình, EDF cũng sử dụng công trình này đểmô phỏng hoạt động cơ học của mối nối trong các đập. Cũng cần phải nói đến việc Sétra (Serviced’EtudesTechniques des Routes et Autoroutes – Phòng nghiên cứu kỹ thuật đường và đường caotốc) đã phát triển một công cụ chuyên dụng dựa trên Code Aster để viết lại các chương trình tínhtoán kết cấu mẫu như cầu vượt, cầu bản, … cho phù hợp với các quy định.Ngày nay, nhiều doanh nghiệp đề xuất các phòng ban của họ phát triển theo hướng đưa CodeAster vào hoặc có các chương trình đào tạo đào tạo về Code Aster, như NECD, Logilab,DeltaCad hoặc như Nesys Ingeniering.Cứ khoảng 2 năm 1 lần, Code Aster lại đưa ra 1 phiên bản mới. Phát triển mới nhất của phầnmềm này là việc đưa vào chương trình tính toán Salomé-Méca. Được xây dựng bằng cách modulhóa, chương trình đã mang lại cho hệ thống của EDF những yếu tố cần thiết khác nhau trong việcsử dụng như chuẩn bị và xử lý dữ liệu hay như việc quản lý các phân tích đã hoàn thành.17Hội Khoa học và Chuyên gia Việt Nam

N Ă NG LƯỢNG HẠ T NHÂNSố 01 – Tuyển tập 02 - Tháng 03/2012Ví dụ tính toán động đất của mạch sơ cấp trong lò hạt nhân bằng Code AsterĐể giải bài toán động đất của lò phản ứng hạt nhân bằng Code Aster (xem minh họa hình 2 và 3),trước hết từ các số liệu về động đất, người ta tính toán tương tác đất-kết cấu để từ đó tìm ra sơ đồlực và chuyển vị tác dụng lên nhà lò (liên kết giữa đất và nhà lò được mô phỏng bằng các lò xo).Sau đó, lực và chuyển vị tìm được được áp dụng lên các mối ngàm giữa các kết cấu của mạch sơcấp và nhà lò. Cuối cùng, thông qua việc tính ứng suất, sức chịu tải của vật liệu, người ta có thểtính ra được tải trọng động đất tối đa mà mạch sơ cấp có thể chịu.Hình 2. Sơ đồ tính toán động đất của lò phản ứng hạt nhânHình 3. Mô phỏng nhà máy điện hạt nhân18Hội Khoa học và Chuyên gia Việt Nam

N Ă NG LƯỢNG HẠ T NHÂNSố 01 – Tuyển tập 02 - Tháng 03/2012Một vài ý kiến về áp dụng Code Aster trong tính toán tại Việt NamNhư trong bài giới thiệu trên của EDF, Code Aster là phần mềm tính toán kết cấu được thiết kếhoàn chỉnh từ các chương trình chuẩn bị số liệu đầu vào đến tính toán và xử lý kết quả tính toán.Ưu điểm nổi bật của Code Aster, trong các tính toán phức tạp về mặt cơ học của nhà máy điệnhạt nhân, chính là khả năng giải nhiều loại bài toán một cách hiệu quả, từ bài toán tính kết cấu từnhiệt động học đến động đất, từ tính toán tương tác nước-kết cấu đến âm học, ...Phải nói rằng hiện nay có rất nhiều phần mềm tính toán phần tử hữu hạn. Đối với việc áp dụngvào tính toán kết cấu tại Việt Nam, so với các phần mềm khác, Code Aster bộc lộ nhiều ưu điểm: Trước hết, đây là phần mềm hoàn toàn miễn phí với mã nguồn mở cho phép người dùngkhông những có thể sử dụng trực tiếp mà còn có thể đưa vào những thông tin riêng (1 loạivật liệu mới với tính chất cơ học khác chẳng hạn) hoặc chương trình mới phù hợp hơn (vídụ chương trình xử lý kết quả tính toán khác). Trên thế giới hiện nay, Code Aster được khánhiều người sử dụng để tự tạo ra và đưa vào tính toán các phần tử hữu hạn riêng đã được“làm giàu” (éléments finis enrichis). Hơn nữa, các tài liệu liên quan đến cách sử dụng cũng như về lý thuyết của Code Aster đềucó thể tìm thấy dễ dàng qua các nguồn internet. Điều này giúp đỡ rất nhiều cho người dùngtrong việc sử dụng code cũng như để học hỏi về các vấn đề giải các bài toán phần tử hữuhạn. Cuối cùng, tất cả mọi người đều có thể truy cập vào forum của Code Aster để đặt câu hỏiliên quan đến vấn đề mình gặp phải. Nhờ có một bộ phận nhân lực phát triển code cũngnhư một thế giới người dùng rộng rãi, các câu trả lời thường có thể tìm thấy trong forumhoặc các câu hỏi sẽ được các chuyên gia giải đáp nhanh chóng.Cây hỏi chính đặt ra hiện nay là làm thế nào để đưa CodeAster vào Việt Nam một cách hiệu quảnhất, không chỉ trên phương diện biết sử dụng một phần mềm tính toán phần tử hữu hạn, mà chủyếu là trên phương diện hiểu rõ về các bài toán cơ học và các vấn đề cơ học trong nhà máy điệnhạt nhân.Tài liệu tham khảo[1] Nhóm Code Aster EDF. Code Aster : 20 ans déjà. Compte rendu EDF.[2] Vincent Guyonvarh, Françoise Waeckel, Patrick Lebailly, Claude Duval. Méthoded’estimation du comportement sismique d’un circuit primaire de Réacteur à Eau Pressurisée,tháng 11 - 1999. Aster échos N°31.19Hội Khoa học và Chuyên gia Việt Nam