管道应力分析的分类

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AECsoft
2019/1/7
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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2019/1/7
主应力及最大剪应力
每一个单元的力学行为均通过端点来描述,包括推 力、位移、应力

计算梁单元构造的管道分析模型所需要的材料基本 参数包括:刚度、直径、壁厚、长度、弹性模量、 泊松比、线胀系数、密度等等…
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2019/1/7
3D梁单元的力学假设

梁单元的使用将把管道模拟为刚性杆,其力学特性 需要做以下假设:
忽略局部变形(不考虑大直径管道的失稳); 假设管道任意截面不出现翘曲(即认为管道遵循纯弯曲

取管道截面上一个无限小的微元,并对其进行研究 。每个微元上均有正应力和剪应力,所有微元上正 应力、剪应力的合成即为截面应力。
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2019/1/7
力学模型——3D梁单元

管道模型最终能够简化为纯力学模型
主要的变形特征为弯曲
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2019/1/7
力学模型——3D梁单元

主要的变形特征为弯曲
变形);
假设不考虑管道之间的碰撞影响;
剪切力不是分析的重点;
支撑作用在单元中心线上;
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2019/1/7
3D梁单元的力学假设

梁单元上纯弯曲的概念:
当梁发生纯弯曲时,各截面上的弯矩值唯一(整个 截面的弯矩由唯一值表示),且不存在剪力,截面 发生转动,梁轴线变为弧线,但转动后各截面仍为 平面。在这种假设下,应力S=M/Z.(胡克定律) 如果不使用纯弯曲假设,则上式不一定适用。
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2019/1/7
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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2019/1/7
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:





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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2019/1/7
动态分析

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。

往复压缩机(泵)管道气(液)柱固来自百度文库频率分析-----防止气

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2019/1/7
什么情况下需要对管道进行力学分析?

1.管径大于75mm的管道 2.与转动、往复设备连接的管道(泵、压缩机 等) 3.与空冷器、汽轮机、换热器相连的管道 4.温度高于300°C的所有尺寸管线 5.管径大于150mm,设计温度高于175°C的焊接管线 6.高压管道(高于14MPa),10MPa以上压力的管线也会出现问题,多与支架的设置有关 7.大直径薄壁管(450mm以上),或直径与壁厚比超过90的管线 8.使用特殊补偿的管线(使用膨胀节) 9.埋地管线 10.夹套管线 11.位于关键区域的管线 12.超压保护管线(安全阀) 13.压力骤增管线(水锤、气锤) 14.等等…
(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。
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2019/1/7
分析之前我们需要做什么?

1.确认需要计算的管线; 2.选用正确的校核规范,确认校核工况(载荷); 3.确认计算管线的必须数据及边界条件(管线走向、管道直 径壁厚、长度、材料、操作压力&温度、支架位置及形式、管 口初始位移……等)。
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2019/1/7
应力的概念
2019/1/7
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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。
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2019/1/7
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;
CAESAR II 管道应力分析理论
AECSOFT 北京艾思弗计算机软件技术有限责任公司
2010
前言

我们为什么要进行管道应力分析?
我们需要做什么? 我们如何模拟一个管道系统? 我们如何来分析计算的结果?
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2019/1/7
我们为什么要进行管道应力分析?

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。

轴向应力:F/A ,PD/4t ,M/Z(弯矩导致的最大轴向应 力通常出现在管壁外表面上);
环向应力: PD/2t;



径向应力:0(在外表面上不存在);
剪切应力:T/2Z(在主应力截面上,剪切应力为0)
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2019/1/7
应力状态的简化

当同时考虑轴向、径向、环向应力时,结构处于三 向应力状态,根据前面的叙述,我们略掉径向应力 分量,则应力状态从三维变为二维(即忽略下图中 的σR);

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2019/1/7
3D梁单元示例

这是一个简单的悬臂梁模型:当在自由端作用集中 载荷P之后,其挠度为:
L3 P 3EI
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2019/1/7
如何评定管道的应力?

通过节点分析;
管道截面上存在3向主应力: 轴向 环向 径向
AECsoft
2019/1/7
基本应力分类
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