CaesarII应力分析模型设计解读
CaesarII应力分析模型设计要点
第一部分支架形式模拟 (2)1.0 普通支架的模拟 (2)1.1 U－band (2)1.2 承重支架 (3)1.3 导向支架 (3)1.4 限位支架 (7)1.5 固定支架 (7)1.6 吊架 (8)1.7 水平拉杆 (8)1.8 弹簧支架模拟 (9)2.0 附塔管道支架的模拟 (11)3.0弯头上支架 (13)4.0 液压阻尼器 (14)5.0 CAESARII可模拟虾米弯，但变径虾米弯不能模拟 (15)第二部分管件的模拟 (15)1.0 法兰和阀门的模拟 (15)2.0 大小头模拟 (17)3.0 安全阀的模拟 (18)4.0 弯头的模拟 (19)5.0 支管连接形式 (20)6.0 膨胀节的模拟 (21)6.1 大拉杆横向型膨胀节 (22)6.2 铰链型膨胀节 (34)第三部分设备模拟 (42)1.0 塔 (42)1.1 板式塔的模拟 (42)1.2 填料塔的模拟 (44)1.3 除了模拟塔体的温度，还需模拟塔裙座的温度 (47)2.0 换热器，再沸器 (48)2.1 换热器模拟也分两种情况 (48)3.0 板式换热器 (51)4.0 空冷器 (52)4.1 空冷器进口管道和出口管道不在同一侧 (52)4.2 空冷器进口管道和出口管道在同一侧 (54)5.0 泵 (56)6.0 压缩机，透平 (58)第四部分管口校核 (59)1.0 WRC107 (59)2.0 Nema 23 (62)3.0 API617 (64)4.0 API610 (65)第五部分工况组合 (68)1.0 地震 (69)2.0 风载 (70)3.0 安全阀起跳工况 (72)4.0 沉降 (74)第一部分支架形式模拟1.0 普通支架的模拟1.1 U－band在CAESAII的输入界面找到restraints选项，并双击打勾，在Node项目，输入该支架位置的节点，在type项填入支架的约束形式，U-band只需在type项中输入X，y用户还需输入支架的摩擦系数Mu，通常规定：钢与钢接触的承重支架摩擦系数输入0.3不锈钢与PTFE板接触的承重支架摩擦系数输入为0.1支架选项中，stif代表支架生根部份的刚度，不输代表无穷大，用户可以把生根部件的刚度输入其中，单位为N/cm1.2 承重支架+Y1.3 导向支架1.3.1 水平管道若导向支架的挡块与管托之间有间隙，可在图中(Gap:)中输入间隙，不输表示导向的间隙为01.3.2 垂直管道 1.3.2.1 四向导向+YX1.3.2.2 单边导向1.4 限位支架1.5 固定支架+Y ZStopperANC1.6 吊架双击restrains选项，承重吊架为＋Yrod，并在len中输入吊杆的摆动的长度1.7 水平拉杆1.8 弹簧支架模拟双击Hangers出现如下图框Node输入支架的节点号Hanger Talbe:选择弹簧的型号，国内项目选择13-Sinopec(China)Avalable Space(neg for can)若该点由弹簧支撑，可以输入一个负的距离，该距离为支称点与弹簧底板之间的距离Allowable load Variation(%):为弹簧的荷载变化率＝（热态载荷－冷态载荷）/热态载荷的绝对值乘以100％，一般弹簧的荷载变化率控制在25％内，但是在一些敏感设备附近，如压缩机，透平管口附近，弹簧的荷载变化率需控制在10％内，这时用户需在此选项中输入10Rigid Support Displacement Criteria:在应力计算中，有时软件自选的弹簧热位移很小，例如1mm左右，在不是敏感设备附近，工程上常用刚性支架来代替弹簧支架，用户可以人为输入刚性支架代替弹簧支架热位移标准，如输入1mm，则若软件算出弹簧的热位移小于1mm，软件就自动将该弹簧代替为刚性支架Max.Allowed Travel Limit:该项定义了可变弹簧最大位移量，若软件算出的热位移量超过该输入值，则软件将自动把可变弹簧替换为恒力弹簧No。
CAESARII 应力分析基础理论讲义
1管道应力分析基础理论管道应力分析主要包括三方面内容：正确建立模型、真实地描述边界条件、正确地分析计算结果。
所谓建立模型就是将所分析管系的力学模型按一定形式离散化，简化为程序所要求的数学模型，模型的真实与否是做好应力分析的前提条件。
应力分析的根本问题就是边界条件问题，而体现在工程问题上就是约束（支架）、管口等具体问题的模拟，真实地描述这些边界条件，才能得到正确的计算结果。
要想能够熟练而正确地分析结果，首先会正确设计支吊架，有一定的相关理论知识如工程力学，流体力学，化工设备及机械等，另外需在一定时间内不断摸索，总结出规律性的问题。
第一章管道应力分析有关内容§1.1 管道应力分析的目的进行管道应力分析的问题很多CAESARII 解决的问题主要有：1、使管道各处的应力水平在规范允许的范围内。
2、使与设备相连的管口载荷符合制造商或公认的标准（如NEMASM23，API610 API617等标准）规定的受力条件。
3、使与管道相连的容器处局部应力保持在ASME 第八部分许用应力范围内。
4、计算出各约束处所受的载荷。
5、确定各种工况下管道的位移。
6、解决管道动力学问题，如机械振动、水锤、地震、减压阀泄放等。
7、帮助配管设计人员对管系进行优化设计。
§1.2 管道所受应力分类1.2.1 基本应力定义轴向应力Axial stress轴向应力是由作用于管道轴向力引起的平行管子轴线的正应力，：S L ＝F AX /A m其中S L ＝轴向应力MPaF AX ＝横截面上的内力NA m ＝管壁横截面积mm 2=πdo 2-di 2)/4管道设计压力引起的轴向应力为S L ＝Pdo/4t轴向力和设计压力在截面引起的应力是均布的，故此应力限制在许用应力[σ]t 范围内。
弯曲应力bending stress由法向量垂直于管道轴线的力矩产生的轴向正应力。
S L =M b c/I其中：M b =作用在管道截面上的弯矩N.mC －从管道截面中性轴到所在点的距离mmI －管道横截面的惯性矩mm 4=π(d o 4－d l 4/64当C 达到最大值时，弯曲应力最大S max =M b R 0/I= M b /Z弯曲应力在断面上是线性分布的,截面最外端应力达到最大时，其它地方仍处于弹性状态，故应力限制在1.5[σ]之内。
基于CAESARⅡ软件的柱塞式注水泵房应力分析
３ ． １改进后注水管线一次应力分析 对 该模 型检 查无 误后 运行，并查看运行结果 ，选择一次
应 力下对应 的 Ｓ Ｕ Ｓ 工 况，通过对数据分析得 出经过改进优化 后 注水 管线 各节 点处 应力值 的大小及分 布。 通 过分析注 水管线进 出 口段一次应 力值 可以看出： （ １ ）经 过调整后 一次应力载荷产 生的压力较为 均匀 ， 出 口管段弯 头及 三通 处压 力值较其他部位大 一些 ，但 相 比调 整 前压 力值 大幅减少 。 （ ２ ）调整后管线进 口管段平均应力 １ ． ４ Ｍ Ｐ ａ ，出口管段 平 均应 力 ４ ６ Ｍ Ｐ ａ ，应力值减 少较 明显 。 ３ ． ２管线支 墩及支架受力分析 通 过添 加支墩 和导 向支架对 已建注 水管 线模 型进行 改 进 和优化 ，运 行新建模 型后 选择工 况栏 中对应 的操作工 况 Ｏ Ｐ Ｅ ，查看实 际运行状态下支墩及支架的受力情况 。 从节点数据 可 以看出，固定支墩及导 向支架 的受力主要 集 中在 ｘ和 Ｙ两个 方向，其 中节 点 ２ １与节点 ２ ０ １处 的受力 值 较大 ，两 处节 点分别对应管线模型 中的泵 出口支墩处 ，最 大值为 ５ ０ １ ４ Ｎ ，即 ５ １ １ ． ６ Ｋ ｇ ，约 ０ ． ５ ｔ 。 ４ 结论 （ １ ）注 水泵房 内注水 管线受注水压 力影响较大 ，注 水 管线应 力值 随注 水压 力升 高而 加大 ，在不采取措施前其一次 应 力值 会接 近或超过 管线 许用 应力 值。 （ ２ ）注水管线一次应力产生 的应力较大值集 中在 弯头、 三 通和 泵进 出 口端 。 （ ３ ）在 注水泵 出 口端 、管线弯头及 三通等处添 加固定 支 墩及 导 向支架 会大 幅度减 少管线 节点 一次应 力值 并止 应 力集 中位置 的塑性 形变破坏 。 （ ４ ）通 过支墩与 导向支架 的数据分 析报告 ，可 以计 算 得 出该位置 处支 墩及 支架 受力方向及大小，为土建专业支墩 设 计提 供资料依据 。 参考文献 ［ １ ］ 刘策 ， 杨新强． 海洋石油平 台注水 泵断轴故 障根 本原 因分 析［ Ｊ ］ ． 中国设备工程，２ ０ １ ３ ，（ ３ ） ： ６ １ — ６ ３ ． ［ ２ ］ 肖宇， 杨建坤． 海上采油平 台多级 离心 式注水泵 并联 运行 工况分析 ［ Ｊ ］ ． 通用机械 ，２ ０ １ １ ，（ １ １ ） ： ５ ０ — ５ ２ ．
CAESARII_管道应力分析_培训解读
CAESARII软件培训资料北京艾思弗计算机软件公司2002年4月12日1．管道应力分析的原则管道应力分析应保证管道在设计条件下具有足够的柔性，防止管道因热胀冷缩、管道支承或端点附加位移造成应力问题。
2．管道应力分析的主要内容管道应力分析分为静力分析和动力分析。
静力分析包括：1）压力荷载和持续荷载作用下的一次应力计算——防止塑性变形破坏；2）管道热胀冷缩以及端点附加位移等位移荷载作用下的二次应力计算——防止疲劳破坏；3）管道对设备作用力的计算——防止作用力太大，保证设备正常运行；4）管道支吊架的受力计算——为支吊架设计提供依据；5）管道上法兰的受力计算——防止法兰泄露。
动力分析包括：l）管道自振频率分析——防止管道系统共振；2）管道强迫振动响应分析——控制管道振动及应力；3）往复压缩机（泵）气（液）柱频率分析——防止气柱共振；4）往复压缩机（泵）压力脉动分析——控制压力脉动值。
3．管道上可能承受的荷载（1）重力荷载：包括管道自重、保温重、介质重和积雪重等；（2）压力荷载：压力载荷包括内压力和外压力；（3）位移荷载：位移载荷包括管道热胀冷缩位移、端点附加位移、支承沉降等；（4）风荷载；（5）地震荷载；（6）瞬变流冲击荷载：如安全阀启跳或阀门的快速启闭时的压力冲击：（7）两相流脉动荷载；（8）压力脉动荷载：如往复压缩机往复运动所产生的压力脉动；（9）机械振动荷载：如回转设备的振动。
4．管道应力分析的目的1）为了使管道和管件内的应力不超过许用应力值；2）为了使与管系相连的设备的管日荷载在制造商或国际规范（如NEMA SM-23、API-610、API-6 17等）规定的许用范围内；3）为了使与管系相连的设备管口的局部应力在ASME Vlll的允许范围内；4）为了计算管系中支架和约束的设计荷载；5）为了进行操作工况碰撞检查而确定管于的位移；6）为了优化管系设计。
5．管道柔性设计方法的确定一般说来，下述管系必须利用应力分析软件（如CAESAR II）通过计算机进行计算及分析。
用CAESARⅡ做直接空冷主管道整体应力分析
用CAESARⅡ做直接空冷主管道整体应力分析摘要：用CAESARⅡ对直接空冷主管道进行整体应力分析，提出各种荷载工况组合，详细阐述CAESARⅡ对直接空冷主管道计算、分析、结果评判的流程，。
关键词：主管道排汽管道直接空冷应力分析空冷电站中采用最广泛的冷却形式是直接空冷，而主管道（也称排汽管道）是直接空冷系统中较为重要的部件，它是从低压缸排汽出口至空冷凝汽器蒸汽分配管入口的管道。
主管道的设计是否合理，其刚度、强度、稳定性是否满足设计和使用要求，直接关系到电厂的运行的可靠性和安全性。
目前，国内有100MW 空冷机组、300MW空冷机组、600MW空冷机组在运行，甚至有1000MW空冷机组在设计、制造，相应的主管道直径有2m，3m，6m，8m等等，而且管道的走向也错综复杂。
这样，就必须对管道做整体应力分析，而目前国内外普遍采用的分析软件是CAESARⅡ。
1、利用CAESARⅡ做整体应力分析的目的和意义直接空冷主管道与其他热力管道不同，它不仅直径大、壁厚薄，而且是真空状态下运行。
采用CAESARⅡ可以很好地解决这个问题。
通过利用CAESAR Ⅱ计算、分析，可以解决波纹补偿器及减振器的选择和受力分析问题，也可以解决与主管道连接的设备接口受力及力矩问题，还可以解决支吊架（包括弹簧类）的荷载和位移问题，从而为设备和材料的控制提供了依据，有利于在保证主管道安全的前提下降低生产制造成本。
2、分析前的准备工作(1)明确主管道的概念，确定计算分析范围：主管道是指从汽轮机低压缸排汽出口（国内绝大部分是汽轮机低压缸排汽装置出口，也有少量的是汽轮机低压缸出来不设置排汽装置，直接给一方法兰出口，需要主管道设计者自己设计一个方圆过渡段，由于后者所占比例不大p3.1 材料及材料特性管道采用Q235B碳钢制造。
这种材料的性能参数如下：弹性模量：E = 208000 N/mm2泊松比：μ=0.3材料密度：р=7850 Kg/m3膨胀系数：α=1.142×10-51/℃屈服强度：σs = 235 MPa抗拉强度：σb = 375MPa3.2 确定管径、壁厚和加强圈的尺寸根据汽轮机排汽参数，可以确定管径，本文的主管径是DN5800，支管径是DN2600。
2010年11月CAESARII高级培训讲义-_应力分析理论(精)
Pipe Stress Analysis Using CAESAR II Pi St A l i U i CAESAR IIAECsoft综述z应力分析的目的z应力分类z失效理论z应力增大系数介绍z规范应力公式归纳综述Course Objectives培训课程目标Course Objectivesz掌握管道柔性设计方法和应力分析基础理论z正确建立分析模型z正确理解结果阐述与解释z高效地改造管道系统z熟悉CAESAR II的操作与实际应用其a其它……?为什么要做管道应力分析?z为了保持管道应力在规范许用应力范围以内。
z为了使持设备管口载荷在许用值以内或符合制造商或公认的标准。
(如,等等NEMASM23 ,API610 , API617 。
z为了使与管道相连接的容器应力保持在ASME 第八部分容器设计规范的许用范围内的许用范围内。
z计算出各种支撑及约束的设计载荷,为支架设计提供载荷依据。
z查看管道位移进行碰撞检查解决管道动力学问题例如它们是机械振动声频振动流体锤脉z解决管道动力学问题。
例如它们是:机械振动,声频振动,流体锤,脉动,瞬间流动,安全阀的泄放。
z优化管道设计应力分析前期所需准备的资料z系统信息: 应力轴侧图--应力分析轴测图是一简图,画着与应力轴相同的系统,它给观察者个明显的管系三维印象。
进行管道应力分析需获得的系统它给观察者一个明显的管系三维印象进行管道应力分析需获得的设计数据包括管子的材料及尺寸,操作参数,如:温度、压力、流量等:规范的应力许用值及载荷参数,包括:保温、重量,外部设备的运动及风和地震的影响。
z设计规则:选择准确的管道设计规范如何准确理解应力/规则?z规范应力--计算出的应力并不是真正的应力(无法用应变测量仪实测出来。
而是相对于“规范”的应力“规范”应力的计算是基于特定的方程式,这些方程式是经过长时间的权衡和简化而得来的z便于叠加或分离载荷。
z代表一个范围,没有绝对值。
z载荷形式—独立处理并独立分析z应用SIF放大局部变化(弯头、三通z规范委员会的传统和惯例如何正确评定管道应力?3D梁单元特征z弯曲主导变形对大多数分析来说是高z效的。
利用CAESAR II高效准确的进行管道模型应力分析
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CAESAR II 的其它功能
*与鹰图的CADWorx和Smart Plant工厂设计软件的双向接口
管件与三维设计软件具有双向接口，您 可以快速地从三维软件中导入模型，节 省大量时间，同时减少手输可能带来的 错误。
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化工、电力和海事（PP&M）部门概览
PP&M 的战略与所承担的义务是为整个工厂生命周期提供全方位的工程 设计管理系统 为整个工厂初步设计、详细设计、采购、 施工、最终交付，以及其 后的运行维护阶段提供支持 为客户提供海量的工程、流程方面的咨询与服务。对于客户来说，我 们既是一个软件供应商，同时也是服务提供商！
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概述
鹰图公司简介 CAESAR II 概述 CAESAR II 具体功能 CAESAR II 小结 技术交流
CAESAR II管道应力分析理论解析
2018/10/15
载荷种类 Load Type
持续性荷载Deadweight loads
热胀荷载Thermal loads
活荷载Live loads
AECsoft
2018/10/15
持续性荷载Deadweight loads
持续性荷载最大的特征是伴随结构的变形而不 消失。重量、压力等持续性荷载均为此类。垮 塌性荷载需要满足静力平衡条件，一旦平衡打 破，材料发生不可逆转的屈服变形，最终导致 垮塌性失效。其危害最为严重。
材料的拉伸实验
我们对某种材料进行机械拉伸实验，如图所示。然 后我们可以得到这种材料的应力与应变关系即应力应变曲线。
AECsoft
2018/10/15
材料特性
从拉伸实验得到的材料特性曲线中，我们能够获取 一种材料的弹性模量、屈服极限和拉伸极限，但是 需要注意的是，这些极限数值是随温度的变化而变 化的。
AECsoft
2018/10/15
失效界限的考虑
如果失效发生在屈服阶 段，那么极值应力可以 通过屈服载荷计算： Sy=Py/a
于是最大剪应力为： Tmax≤Sy/2
AECsoft
2018/10/15
应力的失效
如果某个单元上我们所关注的应力（主应力、最大 剪应力、）超出了理论极限值，我们认为这个位置 将发生屈服失效
AECsoft
2018/10/15
载荷的转化
应力乘以单位面积=载荷 静态下，任意截面上均应保持静力平衡； 任意截面上均存在法向应力及切向应力，我们将法 向应力称为正应力，将切向应力称为剪应力；
AECsoft
2018/10/15
CAESARII_管道应力分析_理论
基本应力理论 & CAESAR II 的实施
规范要求的载荷工况
二次失效情况 • 位移所引起。 • 自限性。 • 温度、位移和其它变化载 荷——例如，重力。
基本应力理论 & CAESAR II 的实施
规范要求的载荷工况
• (1) = W + T1 + P1 (OPE) • 操作工况, 用于: – 约束& 设备载荷 – 最大位移 – 计算 EXP 工况 • 持续工况，用于一次载荷下规 范应力的计算。 • 膨胀工况，用于 “extreme displacement stress range” – 工况3的位移是从工况1的 位移减去工况2的位移而 得到。
基本应力理论 & CAESAR II 的实施
•
•
规范要求的载荷工况
• 膨胀工况说明 For this discussion, rearrange the equation to {x} = {f} / [K], where we know we don't really divide by [K], we multiply by its inverse. OPE: {xope} = {fope} / [Kope] = {W + T1 + P1} / [Kope] SUS: {xsus} = {fsus} / [Ksus] = {W + P1} / [Ksus] EXP: {xexp} = {xope} - {xsus} = {W + T1 + P1} / [Kope] - {W + P1} / [Ksus] Can we simplify the above equation as follows? EXP: {xexp} = {W + T1 + P1} / [K] - {W + P1} / [K}
CAESARII管道应力分析理论
偶然应力， 对应于风载等偶然载荷下产生的应力
ｈ ＋４ 簇 ＫＳ ｃ 式中：。为偶然载荷引起的总的弯矩， ＂ ；，＝ ５ Ｎ ｍ ５。
Ｓ ＿
Ｚ Ｚ
０７ ｉ ．５ＭＡ
０７ ｉ ．５ｍｙ 八ｔ ｎ
、 俪弃Ｍ． ｝ 为 然 荷 数 偶 载 发 ； Ｍ ； 偶 载 系 （然 荷 生 ＋ Ｋ
（） １使管道各处的应力水平在规范允许的范围内； （） ２使与设备相连的管口载荷符合制造商或公认 的标准（ Ｅ Ａ Ｍ ３Ａ １ ０ １ ７ 如Ｎ Ｍ Ｓ ２， ６ Ａ ６ 等标准） Ｐ１ Ｐ１ 规定 的受力条件； （） ３ 使与管道相连的容器处局部应力保持在
Ａ Ｍ 第八部分许用应力范围内； ＳＥ （） ４计算出各约束处所受的载荷； （） 工况下管道的位移； ５确定各种
ＪＭ ＋ 卜 Ｍ ）Ｓ 为 料 设 温ห้องสมุดไป่ตู้下 许 （ｒ Ｍ Ｚ ；ｈ 材 在 计 度 的 用 ，
应力
＝ａ二Ｍｈ ２ ２ ｍ 、 Ｒ Ｉ＝ＭＴ Ｚ ｏ ／ ／ 把剪应力的各个分量求和， 作用在管子截面上最大剪
应力为
二次应力对应于 Ｃ Ｅ Ａ Ｉ 中 Ｅ Ｐ工况下的应 Ａ Ｓ ＲＩ Ｘ
２２ １ 基本应力定义 ．．
式中： ｔ 二为最大剪应力， Ｐ； Ｍ ａＶ为剪切力，； ＦＱ为剪
切系数。
轴向应力（ｘ ｌ ｓ 是由作用于管道轴向力引 Ａ ｉ ｓｅ ） ａｔｓ ｒ 起的平行于管子轴线的正应力， 表达式为
收稿 日期 ２０ －１１ ０３ －３ ０
由扭矩引起的剪切力
万方数据
Ｓ ＝Ｐ ｒ一：ｒ ｒ ｝ｒ一： ）（ ｚ ， （Ｚ 子ｏ ｚ ｏ ） ｝ 剪应力（ ｅ ｉ ｔｓ 是由 ａｎ ｓｅ ） 作用在截面上的剪切 ｓ ｒｇ ｓ ｈ ｒ
最新CAESARII-管道应力分析-培训资料
CAESARII软件培训资料北京艾思弗计算机软件公司2002年4月12日1．管道应力分析的原则管道应力分析应保证管道在设计条件下具有足够的柔性，防止管道因热胀冷缩、管道支承或端点附加位移造成应力问题。
2．管道应力分析的主要内容管道应力分析分为静力分析和动力分析。
静力分析包括：1）压力荷载和持续荷载作用下的一次应力计算——防止塑性变形破坏；2）管道热胀冷缩以及端点附加位移等位移荷载作用下的二次应力计算——防止疲劳破坏；3）管道对设备作用力的计算——防止作用力太大，保证设备正常运行；4）管道支吊架的受力计算——为支吊架设计提供依据；5）管道上法兰的受力计算——防止法兰汇漏。
动力分析包括：l）管道自振频率分析——防止管道系统共振；2）管道强迫振动响应分析——控制管道振动及应力；3）往复压缩机（泵）气（液）柱频率分析——防止气柱共振；4）往复压缩机（泵）压力脉动分析——控制压力脉动值。
3．管道上可能承受的荷载（1）重力荷载：包括管道自重、保温重、介质重和积雪重等；（2）压力荷载：压力载荷包括内压力和外压力；（3）位移荷载：位移载荷包括管道热胀冷缩位移、端点附加位移、支承沉降等；（4）风荷载；（5）地震荷载；（6）瞬变流冲击荷载：如安全阀启跳或阀门的快速启闭时的压力冲击：（7）两相流脉动荷载；（8）压力脉动荷载：如往复压缩机往复运动所产生的压力脉动；（9）机械振动荷载：如回转设备的振动。
4．管道应力分析的目的1）为了使管道和管件内的应力不超过许用应力值；2）为了使与管系相连的设备的管日荷载在制造商或国际规范（如NEMA SM-23、API-610、API-6 17等）规定的许用范围内；3）为了使与管系相连的设备管口的局部应力在ASME Vlll的允许范围内；4）为了计算管系中支架和约束的设计荷载；5）为了进行操作工况碰撞检查而确定管于的位移；6）为了优化管系设计。
5．管道柔性设计方法的确定一般说来，下述管系必须利用应力分析软件（如CAESAR II）通过计算机进行计算及分析。
CAESAR II管道应力分析理论解读
复杂管线中可能存在压力、重量、温度、风、海浪、土壤约 束以及地震、动设备的振动、阀门关闭、开启导致的水锤气 锤等外力载荷作用。载荷是管道产生应力问题的原因。 管道应力分析的任务，实际上是在满足标准规范的前提下对 管道进行包括应力计算在内的力学分析，从而保证管道自身 和与其相连的机器、设备以及土建结构的安全。
AECsoft
2019/2/24
主应力及最大剪应力
主应力表示在某个截面上只有正应力而无剪切应力， 这种情况是确实存在的；
最大剪应力则是指在某个截面上的剪切应力最大；
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2019/2/24
载荷的转化
应力乘以单位面积=载荷 静态下，任意截面上均应保持静力平衡； 任意截面上均存在法向应力及切向应力，我们将法 向应力称为正应力，将切向应力称为剪应力；
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2019/2/24
摩尔应力圆
将任意截面上的正应力，剪切应力数值反映在坐标 轴上就得到摩尔应力圆，如下图所示：
2019/2/24
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管道应力分析的分类
一般来讲，管道应力分析可以分为静力分析和动力 分析两部分。
AECsoft
2019/2/24
静态分析
静力分析是指在静力载荷的作用下对管道进行力学分析
压力、重力等荷载作用下的管道一次应力计算——防止塑性 变形破坏；
热胀冷缩以及端点附加位移等位移荷载作用下的管道二次应 力计算---防止疲劳破坏； 管道对机器、设备作用力的计算——防止作用力过大，保证 机器、设备正常运行； 管道支吊架的受力计算——未支吊架设计提供依据；
2019/2/24
分析之前我们需要做什么？
CAESAR-II-应力分析理论基础解析
S 1 2
1 2 2 2 3 2 3 12
• 他认为引起材料屈服破坏的主要因素是材料内的变形能。
亦即不论材料处于何种应力状态，只要其内部积累的变形
能达到材料单向拉伸屈服时的变形能值，材料即发生屈服
破坏。
2023/12/8
2023/12/8
材料的机械性能
一、弹性阶段 二、屈服阶段 将下屈服极限称为屈服极限 三、强化阶段 经过屈服阶段后，材料恢复了抵抗变 形的能力，要使其继续变形必须增加 拉力，这种现象称为材料的强化。 四、局部变形阶段 在试件的某一局部范围内，横向尺寸 突然急剧缩小。
• 通俗来讲管道应力分析的任务，实际上是 指对管道进行包括应力计算在内的力学分 析，并使分析结果满足标准规范的要求， 从而保证管道自身和与其相连的机器、设 备以及土建结构的安全。
• 一般来讲，管道应力分析可以分为静力分 析和动力分析两部分。
2023/12/8
静态分析目的
• 静力分析是指在静力载荷的作用下对管道 进行力学分析
• 平面内垂直于半径。 • 剪切力
– 这个载荷在外表面最小，因此在管系应力计算中 省略了这一项。
– 在支撑处要求局部考虑。
• 扭矩
– 最大的应力发生在外表面。 – MT/2Z
2023/12/8
压力容器和管道中应力
• 剪应力 • 薄膜应力
2023/12/8
压力容器和管道弯曲应力
• 梁单元弯曲应力 • 壳单元弯曲应力
压力容器设计所采用的标准分为两类： 一类是按规则设计；另一类是按分析进行设计。常规设计一般以简化计算公 式为基础，再加上一些经验系数，不进行应力分析。
而分析设计中，首先将应力划分为一次应力和二次应力两大类，二者的 定义相似。 一次应力：为平衡压力与其它机械荷载所必须的法向应力或剪应力。其特点 是非自限性，即当结构内的塑性区扩展达到极限状态，使之变成几何可变的 机构时，即使荷载不再增加，仍将产生不可限制的塑性流动，直至破坏。
CAESARⅡ应力分析及软件应用贴士(全文)
CAESARⅡ应力分析及软件应用贴士(全文) 由美国COADE公司提供的管道应力分析软件CAESER Ⅱ，在工程项目的管道设计中得到广泛的应用。
是目前国内化工、石化等行业进行管道应力分析的首选软件。
一、CAESARⅡ应力分析模型的建立及其分析过程在管道系统静力分析中，需要将计算条件（温度、压力等）、管道材料特性（杨氏弹性模量、线膨胀系数、基本许用应力等）、管道尺寸（直径、壁厚、长度）、空间走向、约束方式等作为基本数据输入计算模型。
这些数据沿管道有所变化，在发生变化的地方设立节点。
这样，整个管系就被划分为若干个单元，CAESAR II采用逐个单元输入的方法，单元的输入以填表的方式完成。
CAESARⅡ软件对输入的管道有图形显示功能，一般包括：节点的编号和位置，管道的外径；管道的壁厚，管道的长度；支吊架对管段的约束，支吊架的位置；固定点的位置；保温材料的厚度；管道承受的集中载荷和均布荷载；管道材料的种类；刚性元件等。
管道应力根据性质大致分为一次应力、二次应力和峰值应力三类。
一次应力指的是由管道的内压、自重和其他外载产生的应力，具有自限性；二次应力指的是由管道变形受阻而引起的正应力和剪应力；峰值应力是管件的局部结构不连续，有应力集中或有局部热应力，附加到一次应力或二次应力上的总和。
管道的静力计算结果一般包括：管道各点的应力、管道上各约束的受力、管道上各点位移等。
二、CAESERⅡ的运算结果如何解读CAESERⅡ的运算结果中，常用的工况组合有三种：一是工作状态（OPE）：一般由重力、压力、均布荷载、端点位移、集中荷载和温度构成的组合；二是安装状态（SUS）：一般由重力和压力构成组合，另还包括集中荷载和均布荷载；三是纯热态（EXP）：为上述工作状态和承载状态的差值。
管道应力校核一般包括一次应力校核和二次应力校核。
一次应力校核工况组合为：（SUS）W+P1。
如果许用值大于或者等于节点应力，表示一次应力校核通过。
2010年11月CAESARII高级培训讲义- 应力分析理论及规范应力
Pipe Stress Analysis Using CAESAR IIPi St A l i U i CAESAR IIAECsoft综述z应力分析的目的z应力分类z失效理论z应力增大系数介绍z规范应力公式归纳综述Course Objectives培训课程目标Course Objectivesz掌握管道柔性设计方法和应力分析基础理论z正确建立分析模型z正确理解结果阐述与解释z高效地改造管道系统z熟悉CAESAR II的操作与实际应用其a其它……?为什么要做管道应力分析？z为了保持管道应力在规范许用应力范围以内。
z为了使持设备管口载荷在许用值以内或符合制造商或公认的标准。
(如,等等)NEMASM23 ，API610 , API617 。
z为了使与管道相连接的容器应力保持在ASME 第八部分容器设计规范的许用范围内的许用范围内。
z计算出各种支撑及约束的设计载荷，为支架设计提供载荷依据。
z查看管道位移进行碰撞检查解决管道动力学问题例如它们是机械振动声频振动流体锤脉z解决管道动力学问题。
例如它们是:机械振动，声频振动，流体锤，脉动，瞬间流动，安全阀的泄放。
z优化管道设计应力分析前期所需准备的资料z系统信息: 应力轴侧图--应力分析轴测图是一简图，画着与应力轴相同的系统，它给观察者个明显的管系三维印象。
进行管道应力分析需获得的系统它给观察者一个明显的管系三维印象进行管道应力分析需获得的设计数据包括管子的材料及尺寸，操作参数，如:温度、压力、流量等:规范的应力许用值及载荷参数，包括:保温、重量，外部设备的运动及风和地震的影响。
z设计规则：选择准确的管道设计规范如何准确理解应力/规则？z规范应力--计算出的应力并不是真正的应力(无法用应变测量仪实测出来)。
而是相对于“规范”的应力“规范”应力的计算是基于特定的方程式，这些方程式是经过长时间的权衡和简化而得来的z便于叠加或分离载荷。
z代表一个范围，没有绝对值。
CaesarII应力分析模型设计解读
6 Extruded挤压成型的焊接三通
6.0 膨胀节的模拟
膨胀节模拟有简单模拟和复杂模拟两种，简单模拟请参考CAESARii自带的手册
这里介绍两种常用的膨胀节的复杂模拟法
6
大拉杆横向型膨胀节可以按膨胀单元拆分建模（复杂模型），下图所示，节点20和节点110之间是大拉杆按内外侧均有螺母，膨胀节参数如下：横向刚度：311N/mm，扭转刚度：451279N.m/，波纹管有效直径：775mm，膨胀节重量：851Kg。每个波纹管参数：轴向刚度：783N/mm，横向刚度：12286N/mm，扭转刚度：902557N.m/，波纹管有效直径：775mm。
Avalable Space(neg for can)
若该点由弹簧支撑，可以输入一个负的距离，该距离为支称点与弹簧底板之间的距离
Allowable load Variation(%):
为弹簧的荷载变化率＝（热态载荷－冷态载荷）/热态载荷的绝值乘以100％，
一般弹簧的荷载变化率控制在25％内，但是在一些敏感设备附近，如压缩机，透平管口附近，弹簧的荷载变化率需控制在10％内，这时用户需在此选项中输入10
Rigid Support Displacement Criteria:
在应力计算中，有时软件自选的弹簧热位移很小，例如1mm左右，在不是敏感设备附近，工程上常用刚性支架来代替弹簧支架，用户可以人为输入刚性支架代替弹簧支架热位移标准，如输入1mm，则若软件算出弹簧的热位移小于1mm，软件就自动将该弹簧代替为刚性支架
3.0
板式换热器本体温度按(T1+T2+T3+T4)/4模拟，壳体底部中心作为固定点，用刚性件模拟管口到固定点的相对距离，温度按平均温度模拟。2040为板式换热器支座，E211AH3为管口，T1,T2,T3,T4分别为冷侧与热侧进出口温度。
CAESAR II 教程之应力分析概述
b).机器动平衡差---修改基础设计
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管道应力分析专业的职责及任务
c). 减少脉动和气柱共振的方法：
1）加大缓冲罐---依据API618计算缓冲罐的体积,一般为气缸容积的10 倍以上; 使缓冲罐尽量靠近进出口;但不能放在共振管长位置 2）两台或三台压缩机的汇集总管为进口管面积之和的三倍。 3）孔板消振---在缓冲罐的出口加一块孔板。.
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管道应力分析专业的职责及任务
C. 动力分析要点: a).振源
①机器动平衡差---基础设计不当 ②气流脉动---气柱共振 ③阻力、流速、流向变化异径管、弯头、阀门、孔板等附近产生激 力 ④共振---激振力频率等于或接近管线固有频率
我们为什么要进行管道应力分析
随着国民经济的发展，化工装置规模越来越大，工况 越来越复杂。人们对安全的重视程度越来越高。应力分析 管线，一般为高温高压，介质易燃易爆的管线。如果管道 发生泄漏或者破坏，将造成严重的生命财产损失，同时污 染环境，并会对企业造成严重的负面影响。 所以，我们要通过管道的应力分析，确保工厂运行的 安全。在设计的过程中，通过计算，我们还可以帮助其它
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管道应力分析专业的职责及任务
B当
t Do 或 P 6
t
0.385时
t的确定应根据断裂理论、疲劳、热应力及材料特性等因素综合考虑确定。 （高压管道的计算）
C 外压直管的壁厚，应根据GB150规定的方法确定。 D 其它的管件（如Y型三通、孔板等）依据相应的规范 （GB50316-2000）或公式进行计算。 E 高压管的应力分析 F 大口径薄壁管的应力分析
利用CAESAR II高效准确的进行管道模型应力分析
间历
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CAESAR II 的其它功能
创建直观的分析模型 高级的图形输出 设计工具和向导 荷载以及可视化管道模型 全面的错误检查 用户自定义报告模板 国际管道应力规范 丰富的材料数据库 钢结构数据库和模型 膨胀节数据库 与鹰图的CADWorx® 和Smart Plant工厂设计软件的双向接口
进行动力分析，防止管道系统因机械振动、流体锤、压力脉 动、安全阀泄放等动载荷造成的管道振动及破坏
软件除了可以进行非线性静力分析， 还可以进行谐波分析、模 态分析，反应谱分析，时 程等分析方法。利用这些 方法，用户可以完成对振 动管线，排放管线，柱塞 流管线，气锤管线等进行 定性的分析，并得到解决 方案。
Intergraph CADWorx & Analysis Solutions Overview
ICAS解决方案包括4个产品: – CADWorx 一款基于AutoCAD平台的三维工厂设计套件， 包括智能的工厂建模模块、创建智能的流程图 表而且可以自动生成用于工厂设计的可交付成 果 – CAESAR II 世界上被最为广泛使用的管道压力分析软件， – PV Elite 帮助全球的工程师、设计人员、费用估算师、 制造人员、产品检查人员等，针对压力容器和 热交换器的设计和分析提供完整的解决方案 – TANK 针对储罐进行设计和分析For the design and analysis of oil storage tanks
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CAESAR II 的应用
计算法兰等连接处受力，进行法兰泄露校核，防止管道连 接处泄露
基于CAESAR II的中低压缸输气管道的设计和应力分析
基于CAESAR II的中低压缸输气管道的设计和应力分析
CAESAR II是一款用于输气管道设计和应力分析的软件，广
泛应用于石化、天然气、电力等行业的管道设计和优化，可以帮助工程师进行工艺流程的模拟和管道设计及优化，保障工程的安全和可靠性。
中低压缸输气管道是压缩机工作的关键部分，如果设计不当，可能会导致管道破裂、漏气等事故，影响工作效率和人员安全。
因此，在设计和应力分析中需要注意以下几个方面。
首先，设计中要充分考虑管道的材质、壁厚、外径等参数，并根据实际工作条件确定管道的长度和路线，以确保管道的传输能力和安全性。
其次，应力分析是设计过程中必不可少的环节。
在进行应力分析时，需要考虑到管道的温度、压力、载荷等因素，并根据应力分析结果进行优化设计。
在优化设计中，可以通过增加管道的壁厚或改变管道的路线等方式来减小管道的应力值，提高管道的承载能力。
最后，还需要考虑到管道的支承和管道间的距离等因素。
在支架设计中，需要考虑管道的挠曲和变形，以确保管道在工作状态下的稳定性；在管道距离设计中，则需要考虑到管道之间的干扰和安全距离等因素，以避免管道之间的冲击和碰撞。
综上所述，中低压缸输气管道的设计和应力分析是一个复杂的过程，在设计中要充分考虑到管道的材质、壁厚、外径等参数，
并进行应力分析和优化设计，最终通过管道支承和管道间的距离设计来保证管道的安全稳定运行。
CAESAR II是一款强大的设计和应力分析软件，可以有效地帮助工程师进行设计和优化，提高管道的安全性和可靠性。
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支架选项中，stif代表支架生根部份的刚度，不输代表无穷大，用户可以把生根部件的刚度输入其中，单位为N/cm
1.2承重支架
1.3导向支架
1.3.1水平管道
若导向支架的挡块与管托之间有间隙，可在图中(Gap:)中输入间隙，不输表示导向的间隙为0
1.3.2垂直管道
第
1.0 普通支架的模拟
1.1U－band
在CAESAII的输入界面找到restraints选项，并双击打勾，
在Node项目，输入该支架位置的节点，
在ty
用户还需输入支架的摩擦系数Mu，
通常规定：钢与钢接触的承重支架摩擦系数输入0.3
再双击restrains,选项，在node一览中输入angle为M的节点，并在type栏中输入支架的形式。
对于靠近敏感设备附近的弯头支架，Caesar II指导说明中给出更为精确的模拟方法
该法称为偏移输入法，该模拟方法可使假腿位置准确定位在弯头曲线上，并且假腿作用在垂直管道的中心线上，缺点是模拟比较复杂.
Rigid Support Displacement Criteria:
在应力计算中，有时软件自选的弹簧热位移很小，例如1mm左右，在不是敏感设备附近，工程上常用刚性支架来代替弹簧支架，用户可以人为输入刚性支架代替弹簧支架热位移标准，如输入1mm，则若软件算出弹簧的热位移小于1mm，软件就自动将该弹簧代替为刚性支架
具体模拟方法见application guide hangers Vertical Dummy Leg on Bends:Offset Element Method
4
液压阻尼用来控制管道的振动，模拟液压阻尼器步骤如下
1先运行不带阻尼器情况下该位置的操作工况
2记录上述工况下该点的位移及转角
3输入阻尼器，并在CNode点中输入上述位移和转角
From 1010 to 1000点需输入设备的温度和压力，在直径和壁厚选项中需输入附塔设备的直径和壁厚
3
在装置中，我们经常看到在弯头有支架，如何在CAESARII中弯头上输入支架，
最常见的也是最简单的模拟方法就是在弯头的中点位置输入支架
先双击bend选项，找到angle为M的节点号（该节点号往往自动生成）
1.3.2.1四向导向
1.3.2.2单边导向
1.4限位支架
1.5固定支架
1.6吊架
双击restrains选项，承重吊架为＋Yrod，并在len中输入吊杆的摆动的长度
1.7水平拉杆
1
双击Hangers出现如下图框
Node
输入支架的节点号
Hanger Talbe:
选择弹簧的型号，国内项目选择13-Sinopec(China)
Avalable Space(neg for can)
若该点由弹簧支撑，可以输入一个负的距离，该距离为支称点与弹簧底板之间的距离
Allowable load Variation(%):
为弹簧的荷载变化率＝（热态载荷－冷态载荷）/热态载荷的绝对值乘以100％，
一般弹簧的荷载变化率控制在25％内，但是在一些敏感设备附近，如压缩机，透平管口附近，弹簧的荷载变化率需控制在10％内，这时用户需在此选项中输入10
Allow Short Range Springs:
双击该选项，允许软件选择短量程弹簧
Operating Load Case Design Option:
该选项是让用户设定弹簧热态时的载荷，若为两个弹簧时，应输入总的载荷，而不是每个弹簧的热载荷
Multiple load case design option:
Max.Allowed Travel Limit:
该项定义了可变弹簧最大位移量，若软件算出的热位移量超过该输入值，则软件将自动把可变弹簧替换为恒力弹簧
No。Hangers at Location:
指该点弹簧的个数，有时立管上某个支点往往要2个或4个弹簧支架支撑，这时就可以输入弹簧的个数，软件会通过载荷的分配，自动选出每个弹簧的型号
该选项让用户定义按哪个工况来设计弹簧，默认为T1，即Temp1工况，但是在有一开一备工况下，有时设计弹簧需切换相应工况，确保弹簧是按管道正常操作温度下的工况选择的
Free Restrains at Node:
该选项常用在压缩机，透平，泵的第一个弹簧支架中，由于这些动设备都需要无应力安装，通过该选项可以通过调节弹簧的载荷，确保管口受力最小，比如透平口法兰面节点号为10点，20点为靠近其管口的最近一个弹簧支架，并且使法兰上Y方向受力最小则输入如下
Spring Rate:
此项可以输入弹簧的刚度，此项主要用在模拟已购买好的弹簧
Theoretical Cold(Installation) Load:
此项可以输入弹簧的安装载荷，此项主要用在模拟已购买好的弹簧
Constant Effort Support Load:
此项输入可以输入恒力弹簧的工作载荷。
4将附加位移值加在操作工况下
并在load case editor中找到所有含有动载荷的工况（如地震，风载，安全阀反力等）并激活阻尼器，
5
虾米弯的模拟方法较为复杂，可参考caesarII自带的application guide chapter 2 mitered bends
第二
1.0 法兰和阀门的模拟
2.0
在支架模拟中，附塔管道支架的模拟较为复杂，因为附塔管道支架是生根在塔上面，而塔由于热胀往往有较大的热位移，因此需将该热位移准确模拟到附塔管道的支架上。
双击restrains选项：
说明：
1000点为与该支架同一标高塔中心点位置，1010为塔外壁。
10点为管道上的支架，11点为与10点连接点，
在from 11点to 1010点需输入常温和常压，并双击rigid，在直径和壁厚选项中需输入附塔设备的直径和壁厚，
法兰、阀门为装置中的重要原件，在应力计算中，它们往往是集中载荷，必需对法兰、阀门的重量进行模拟，首先根据阀门、法兰的类型，在对应的标准或样本中找出相应的重量并输入模型，现以阀门带配对法兰为例：
710点到720点为管道上法兰
先输入法兰高度，点击rigid，在rigid weight中输入法兰的重量