CAESAR II应力分析理论

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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。

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

间历
Intergraph CADWorx & Analysis Solutions, Inc.
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

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

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

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。

CAESARII管道应力分析理论

为
偶然应力，对应于风载等偶然载荷下产生的应力
ｈ＋４簇ＫＳｃ式中：。为偶然载荷引起的总的弯矩，＂；，＝５Ｎｍ５。
Ｓ＿
ＺＺ
０７ｉ．５ＭＡ
０７ｉ．５ｍｙ八ｔｎ
、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（ＥＡＭ３Ａ１０１７如ＮＭＳ２，６Ａ６等标准）Ｐ１Ｐ１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
ＡＭ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（ｒＭＺ；ｈ材在计度的用，
应力
＝ａ二Ｍｈ２２ｍ、ＲＩ＝ＭＴＺｏ／／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ＣＥＡＩ中ＥＰ工况下的应ＡＳＲＩＸ
２２１基本应力定义．．
式中：ｔ二为最大剪应力，Ｐ；ＭａＶ为剪切力，；ＦＱ为剪
切系数。
轴向应力（ｘｌｓ是由作用于管道轴向力引Ａｉｓｅ）ａｔｓｒ起的平行于管子轴线的正应力，表达式为
收稿日期２０－１１０３－３０
由扭矩引起的剪切力
万方数据
Ｓ＝Ｐｒ一：ｒｒ｝ｒ一：）（ｚ，（Ｚ子ｏｚｏ）｝剪应力（ｅｉｔｓ是由ａｎｓｅ）作用在截面上的剪切ｓｒｇｓｈｒ

基于CAESARⅡ的二次应力超标管道应力分析与优化

机械工程师
MECHANICAL ENGINEER
基于CAESAR域的二次应力超标管道应力分析与优化
何明1，李有佳2 （1.哈尔滨汽轮机厂有限责任公司，哈尔滨 150046；2.中国船舶重工集团公司第七〇三研究所，哈尔滨 150078）
摘要：管道承受自身的热胀冷缩，以及来自于相连设备的附加位移作用，当管系比较刚硬时，管口应力会较大，甚至会超
exceed the standard. Therefore, the piping should be designed to be flexible enough. Taking a pipeline as an example, the
empirical formula is used to judge whether the flexibility is sufficient. The CAESARII software is used to carry out
CAESAR域是目前研究管道应力的常用软件，它是以材料力学、结构力学以及有限元法为理论基础，可对管道进行静力分析和动力分析，计算一次应力、二次应力和峰值应力，得到设备管口受力、约束点受力、弹簧选型、约束点位移、管道自振频率等[1-2]。该软件操作简单，实用性强，广泛应用在化工领域和电力领域。管道应力分析的步骤为：按介质流向逐个单元地建立管道模型，输入完整的单元基本参数（包含管子的外径、壁厚、长度、材料性能数据；介质的压力、温度、密度；保温层的厚度、密度；水压试验压力），输入合理的管件特征参数（包含阀门、法兰、弯头、异径管、三通、膨胀节），正确加载边界条件（包含附加位移、外部荷载、各类支吊架约束等），检查计算模型，按照载荷类型编辑合理的计算工况组合（包含持续荷载工况、工作状态荷载工况、热胀荷载工况、偶然荷载工况、弹簧工况及其他最不利条件组合的工况），根据荷载类型进

人力资源CAESARII管道应力分析培训

人力资源CAESARII管道应力分析培训CAESAR II是一种专业的管道应力分析软件，广泛应用于石油、化工、电力、热力等工业领域的管道工程设计。

CAESAR II的分析结果能够为管道的设计、安装和维护提供可靠的依据。

而人力资源CAESAR II管道应力分析培训则是指通过对CAESAR II软件的学习和使用，提高人力资源和企业工程师的工程水平和职业素养，从而为企业的发展和竞争提供有力支持。

作为一种专业的管道应力分析软件，CAESAR II在实际使用过程中需要结合实际工程案例进行分析，配合实际的运用能力和工程专业知识才能更好地运用。

因此，在进行CAESAR II培训的过程中，除了软件操作的教学，也需要在工程知识体系上进行补充和加强。

在人力资源CAESAR II管道应力分析培训中，操作培训的内容包括软件的安装和基本界面操作，如菜单栏、工具栏、状态栏、视图等的基本介绍，容器的创建、材质、力学性质的设置和边界条件等的操作，以及结果的输出和报告的生成等操作。

此外，还需结合实际工程案例，在实际工程项目中运用CAESAR II软件进行实操。

在工程知识体系的培训方面，需要涉及到管道的材质选择、管道的设计和基础知识、管道施工和安装、管道维护和保养等方面。

这些知识体系的加强能够让企业工程师和人力资源在实际工程中更好地运用CAESAR II软件，有效提高工程设计的准确性、安全性和可信度。

此外，人力资源CAESAR II管道应力分析培训还需要结合企业实际的发展和工作需要，进行量身定制的培训内容和培训方法。

例如，对于石油企业或电力企业来说，需要加强基础知识和应用知识，注重实际工程案例的操作和分析；而对于化工企业来说，则需要重点关注管道材质和管道的设计和安装等方面的知识。

总之，对于企业而言，人力资源CAESAR II管道应力分析培训是提高企业工程师和人力资源水平的重要手段，有效提高企业工程设计的质量和可信度，从而提高企业的市场竞争力。

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；
AECsoft
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；
AECsoft
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
AECsoft
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？

CaesarII应力分析模型设计解读

5 Weldolet整体加强的座焊支管
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。

CAESARⅡ软件在管道应力分析中的应用

中国化工贸易China Chemical Trade China Chemical Trade 中国化工贸易025 中国化工贸易网CAESARⅡ软件在管道应力分析中的应用王继锋摘要：CAESARⅡ软件是一款对管道进行应力分析的专业软件，它有着经济、快捷和高效的突出特点，广泛地被设计人员所采用。

在具体的应用中CAESARⅡ软件还能够直接生成图形并计算出结果，便于研究人员对其进行分析，还能够生成动态变化的图形，操作过程简单易学，在化工、燃气等行业的工程项目设计中有着广泛的应用，为提高设计精度，保证工程质量提供了帮助。

关键词：CAESARⅡ软件应力分析应用（四川天一科技股份有限公司 610225）一、CAESARⅡ软件的管道应力分析CAESARⅡ管道应力分析软件是美国COADE公司研发的针对管道进行应力分析的软件，它在对管道进行应力的验算中采用的是美国标准，并基于材料力学、结构力学、有限元、管道应力分析等理论基础研发的。

现在对其应用开发最多的是管道应力分析和设备管口载荷校核，在该软件对管道的应力分析中又包括静力分析和动力分析，其中静力分析含有管道的压力和连续载荷的平均应力分析，管道对设备、支架、法兰的作用力分析，动力分析中含有管道的振动响应、自振频率分析等。

静力计算结果中含有管道各对应点应力、各约束位置的受力、各点位移等。

对管道应力进行分析保证了管道和管件内的应力在许用应力值范围之内，使管系相连的设备管道载荷达到了国际规范规定的范围，使相连接设备的管口应力达到规范值，使各约束各支架载荷得到更精确计算，明确了各种应力情况下管口的位移情况，对管道的设计做到优化精细。

管道的应力根据其性质又分为一次应力、二次应力和峰值应力三种情况。

管道内的压力、管道的自重和其它外部载荷产生的应力是一次应力；管道变形受阻产生的正应力和剪应力是二次应力；在管道局部结构不连续的情况下产生的集中应力附加到一次或二次应力的总和称之为峰值应力。

管道应力分析报告概述

管道应力分析概述CAESARII软件介绍CAESARII管道应力分析软件是由美国COADE公司研发的压力管道应力分析专业软件。

它既可以分析计算静态分析，也可进行动态分析。

CAESARII向用户提供完备的国际上的通用管道设计规范，使用方便快捷。

交互式数据输入图形输出，使用户可直观查看模型（单线、线框，实体图）强大的3D计算结果图形分析功能，丰富的约束类型，对边界条件提供最广泛的支撑类型选择、膨胀节库和法兰库，并且允许用户扩展自己的库。

钢结构建模，并提供多种钢结构数据库.结构模型可以同管道模型合并,统一分析膨胀节可通过标准库选取自动建模、冷紧单元/弯头，三通应力强度因子（SIF）的计算、交互式的列表编辑输入格式用户控制和选择的程序运行方式,用户可定义各种工况。

一、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。

二、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。

三、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。

原油管道CAESARⅡ应力分析计算

原油管道CAESARⅡ应力分析计算摘要:本文根据国内某石化公司长输站场原油管道的工况条件，使用CAESARⅡ应力分析软件进行管道应力分析计算。

通过对工况条件下管道的应力分析，确定出管道的应力分布状况，并进行应力评定，这将对管线的安全运行提供可靠的依据，具有较大的工程意义。

关键词：应力caesarⅡ原油管道1 应力分析CAESARⅡ应力分析软件是由美国COADE公司研制开发，在国际石油、化工、石化、电力等行业领域广泛应用的国际公认管道应力分析软件。

CAESAR Ⅱ以梁单元为模拟基础，可进行静力和动力分析，并可根据国际标准进行应力校核评定，如ASME B31系列标准。

静力分析是针对静力荷载对管道进行力学分析，动力分析是针对地震、振动对管道产生的影响进行控制所进行的分析。

本文所分析原油管道所处地带地震烈度很低，无需进行动力分析，只进行静力分析，以确保管线敷设走向合理，确保管道安全可靠的运行。

1.1静力分析的主要目的[2]1、计算管道中的应力，控制管道各点应力在标准规范要求范围内；2、确定工况下管道位移，防止位移过大造成支架脱落。

3、计算管道对相连结构、设备的作用力，以保证相连设备。

结构的安全。

4、通过对管道应力分析，设计人员对管系进行优化设计。

1.2管道应力分类[1] [2]在应力校核准则中，根据产生应力的荷载不同，将应力划分为一次应力和二次应力两大类。

一次应力没有自限性，随着外荷载的增大而增加，是由重力，压力等外部荷载所作用产生的应力。

当管道达到极限状态即产生塑性流动，导致管道破坏。

二次应力具有自限性，是为满足管道自身变形位移约束条件，由于热胀、冷缩或者端点位移等位移荷载作用所产生的应力。

当荷载超过材料屈服强度时，管道局部屈服或小量变形使位移约束条件要求得到满足，二次应力主要引起的是管道的疲劳破坏，一般情况下只要不连续加载不会导致管道破坏。

1.3管道应力校核条件1、管道一次应力校核条件[3]1）当管件（包括补强）满足壁厚要求时，由于内压所产生的应力应认为安全。

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二次应力：为满足外部约束条件或结构自身变形的连续要求所须的法向应力或剪应力。二次应力的基本特征是具有自限性，即局部屈服和小量变形就可以使约束条件或变形连续要求得到满足，从而变形不再继续增大。
进一步将一次应力划分为一次总体薄膜应力、一次局部薄膜应力和一次弯曲应力，其定义如下：
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薄膜应力：沿截面均匀分布的应力成分，它等于沿所考虑截面厚度的应力平均值。
CAESAR II应力分析理论
为什么要做管道应力分析？
• 压力、重力、风、地震、压力脉动、冲击等外力载荷和热膨胀的存在，是管道产生应力问题的主要原因。其中，热膨胀问题是管道应力分析所要解决的最常见和最主要的问题。
• 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。
一次总体薄膜应力：影响范围遍及整个结构的一次薄膜应力。
一次局部薄膜应力：影响范围仅限于结构局部区域ห้องสมุดไป่ตู้一次薄膜应力，通常其应力水平大于一次总体薄膜应力。
一次弯曲应力：由内压力或其他机械荷载所引起的沿截面厚度线性分布的应力。一次弯曲应力不能简单理解为由弯矩引起的应力，它实际上是值沿厚度线性变化的那一部分应力。
另外在分析设计中还提出了峰值应力的概念，其定义如下。
峰值应力：由局部结构不连续或局部热应力影响而引起的附加于一次加二次应力的应力增量。它不是应力集中处最大应力的全值，而是扣除一次应力与二次应力之后的增量部分。峰值应力的基本特征是局部性与自限性。
• 往复压缩机（泵）管道气（液）柱固有频率分析-----防止气（液）柱共振；
• 往复压缩机（泵）管道压力脉动分析-----控制压力脉动值； • 管道固有频率分析-----防止管道系统共振； • 管道强迫振动响应分析-----控制管道振动及应力； • 冲击荷载作用下管道应力分析-----防止管道振动和应力过大； • 管道地震分析-----防止管道地震力过大。
• 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； • 管道上法兰的受力计算-----防止法兰泄漏； • 管系位移计算-----防止管道碰撞和支吊点位移过大。
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动态分析目的
• 动力分析则主要指往复压缩机和往复泵管道的振动分析、管道的地震分析、水锤和冲击荷载作用下管道的振动分析。
• 扭矩
• 最大的应力发生在外表面。 • MT/2Z
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压力容器和管道中应力
• 剪应力 • 薄膜应力
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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
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压力管道与压力容器应力分类比较
压力容器应力分析人员接触到管道应力分析时往往感到困惑的是，在压力管道应力分析和压力容器分析设计中，均将应力划分为一次应力和二次应力，但其具体分类方法和校核条件却有所不同；管道应力分析人员在接触到压力容器分析设计时同样存在上述问题。由于压力管道和压力容器分别采用了薄壁和厚壁模型，另外压力容器分析设计侧重于局部应力的详细分析，管道应力分析则主要是对管道系统总体的分析。
• 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。
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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
• 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；
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由于压力产生的环向应力
• 垂直于半径 (圆周) • Pd / 2t • 用薄壁的近似值。 • 环向应力用于设计管道壁厚，尽管它不是“综合应力”的一部分。 • 环向应力根据直径、操作温度下的许用应力、腐蚀余量，加工偏差
和压力用来定义管子的壁厚。 • 根据Barlow, Boardman, Lamé来计算。
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。
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由于压力生的径向应力
• 垂直于表面。 • 内表面应力为 -P。 • 外表面应力通常为 0。 • 由于最大的弯曲应力发生在外表面，所以这一项被忽略。
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剪切应力
• 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。
• 纵向应力 - SL
• 环向应力 - SH
• 径向应力 - SR
• 剪切应力 -
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纵向应力分量
• 沿着管子的轴向。 • 轴向力
• 轴向力除以面积 (F/A)
• 压力
• Pd / 4t or P*di / ( do2 - di2 )
• 弯曲力矩
• 最大应力发生在圆周的最外面。 • Mc/I • I/R(半径 )= Z (抗弯截面模量);使用 M/Z
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绪论
• 3D 梁单元的特征 • 无限薄的杆。 • 描述的所有行为都是
根据端点的位移。 • 弯曲是粱单元的主要
特征。
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绪论
•3D 梁单元的特征
• 仅说明了总体的行为。 •没有考虑局部的作用 (表面没有碰撞)。 • 忽略了二次影响。
(使转角很小)
•遵循Hook’s 定律 F=K*x。
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应力、应变、及应力状态
总应力可以分解为垂直于截面正应力和截面相切剪应力的和成。
构件中的线应变
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构件内各点的应力不同。三向，二向，单向应力状态
基本应力
•
使用局部坐标系可以将管系应力 (以及产生这些应力的载荷）
the loads that cause them) 分为下面几种：