CAESAR_II_管道应力分析_理论
国内电力行业压力管道利用CAESARII软件应力分析的问题及探讨
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国内电力行业压力管道利用CAESARII软件应力分析的问题及探讨国内电力行业压力管道利用CAESAR II软件应力分析的问题及探讨引言:随着我国电力行业的快速发展,压力管道在电力设备中扮演着重要角色。
为了确保电力设备的安全运行,对压力管道进行应力分析是必不可少的。
CAESAR II软件作为压力管道应力分析的主要工具,已经广泛应用于国内电力行业。
本文将探讨国内电力行业压力管道利用CAESAR II软件进行应力分析时面临的问题,并提出相应的解决方案。
I. CAESAR II软件及其应用CAESAR II是一款应用广泛的压力管道分析软件,可以对各种复杂的管道系统进行分析和设计。
该软件具有强大的计算能力和友好的用户界面。
国内电力行业已经广泛使用CAESAR II软件对压力管道进行应力分析,以确保其安全运行和设计合理性。
II. 国内电力行业压力管道应力分析存在的问题然而,在实际应用中,国内电力行业利用CAESAR II软件进行应力分析时还存在一些问题,主要表现在以下几个方面:1. 参数准确性问题CAESAR II软件的应用需要输入各种参数,如管道尺寸、材料参数、荷载等。
但是,在实际操作中,这些参数往往由设计人员提供,并存在一定的误差,这会影响到应力分析的准确性。
2. 模型建立问题CAESAR II软件需要建立管道的三维模型,以进行应力分析。
但是,在国内电力行业中,缺乏对CAESAR II软件的使用培训,设计人员对模型建立不熟悉,导致建模过程中存在一定的困难。
3. 多参数耦合分析问题实际电力行业的压力管道系统通常存在多种参数的耦合作用,如温度、压力、力矩等。
而CAESAR II软件在进行应力分析时,往往是单一参数的分析,难以模拟实际情况,存在一定的局限性。
III. 解决方案及探讨为了解决国内电力行业压力管道应力分析中存在的问题,可以从以下几个方面进行改进:1. 参数精确度的提高设计人员需要准确提供各种参数,并在输入过程中加强验证和校对,以确保参数的准确性。
CAESAR_II_管道应力分析_理论
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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行 为。
基本应力理论 & CAESAR II 的实施
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。
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 Putting everything back together, we are told to compute stresses from the extreme displacement range. How can we do this? Consider the equation being solved; [K] {x} = {f}. In this equation, we know [K] and {f}, and we are solving for {x}, the displacement vector. In CAESAR II, when we setup an expansion case, we define it as "DS1 - DS2", where the "1" and "2" refer to the displacement vector ({x}) of load cases 1 and 2 respectively.
基本应力理论 & CAESAR II 的实施
由于压力产生的径向应力
• 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。
压力管道应力分析基础理论
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疲劳失效
温度的变化导致结构可能在冷热两个状态下产生屈 服变形;
疲劳失效
与垮塌性荷载不同的是,当材料发生屈服时,如果 应力峰值满足一定条件下,并不会立即发生非自限 性的失效,而是系统停止运行后,产生自限性的残 余应力。
强度理论
我们如何来评价失效?——通过强度理论 第一强度理论:最大主应力理论(Rankine) 第二强度理论:最大伸长线应变 第三强度理论:最大剪应力理论(Tresca) 第四强度理论:最大变形能理论(Von mises)
强度理论
第三强度理论: 第四强度理论:
S13
S 1 21 2 2 2 3 2 3 1 2
CAESAR II 管道应力分析理论
AECSOFT
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?
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。
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。
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:
应力计算式:
S 1 F A / X A m M / Z P / 4 t d S h
一次应力通常暗示了支架跨距是否满足要求;
CAESARⅡ动态分析在管道应力分析中的应用
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CAESARⅡ动态分析在管道应力分析中的应用【摘要】本文以往复压缩机的管道振动为例,对管道的应力进行动态分析,具体考虑了单向约束,动静载荷,疲劳破坏等问题。
通过具体实例,说明CAESAR Ⅱ对管道的应力分析作用十分显著,它能直接生成图形和计算结果,便于分析,特别是对于动态分析,能直接生成变化图形,且操作简单,便于初学者掌握。
【关键词】CAESARⅡ;管道应力;动态分析1.CAESARⅡ简介CAESARⅡ是由美国COADE工程软件公司研制的一款专门对管道应力分析的软件,与中国长沙优易软件开发有限公司开发的AutoPSA7.0各有优劣,CAESARⅡ采用了以有限元分析为基础的专用CFD求解器Ployflow,它能通过使用简单梁为最基本单元建立管系模型,并在此基础上定义系统中的载荷,计算生成系统中的位移、荷载、应力表示结果。
更因为它能通过屏幕或表格进行数据输入,形成管系模型,使用方便,计算快捷,受到当今世界工程界的极大欢迎,是目前世界上用户最多的应力分析软件。
CAESARⅡ软件的管道应力分析包括静力分析和动力分析两种。
静力分析包括:①压力荷载和连续续荷载的平均应力分析;②管道对设备的作用力的分析;③管道支吊架的受力分析;④管道法兰所受压力的分析。
动力分析包括:①管道强迫振动的响应分析;②往复压缩机的频率分析;③管道自振频率的分析;④往复压缩机的压力脉动分析。
2.CAESARⅡ动态分析在受力分析中的应用实例CAESARⅡ软件可以进行静力分析和动力分析,本文以往复压缩机的管道振动为例进行管道振动的动态应力分析。
管道振动及应力分析主要有管道系统的静力分析和动力分析。
静力分析由管道支吊架及法兰的受力分析,压力载荷和持续压力作用下的一次应力计算校核等,动力学分析包括管道系统的模态分析,受迫振动的响应分析等。
根据力学性质分类可分为直接应力,间接应力和峰值应力。
直接应力是由管道的自重,外部载荷和内部压力等直接载荷所引起的正应力和剪应力,直接应力随着载荷的增加而增加,因此,在系统的应力分析中,必须首先满足直接应力的许用值。
CAESARII 应力分析基础理论讲义
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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_管道应力分析_培训解读](https://img.taocdn.com/s3/m/b0f9ee2916fc700abb68fcea.png)
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。
利用CAESAR II高效准确的进行管道模型应力分析
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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
Intergraph CADWorx & Analysis Solutions, Inc.
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
![CAESAR II 教程之应力分析概述](https://img.taocdn.com/s3/m/4747363e915f804d2b16c199.png)
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
2010年11月CAESARII高级培训讲义- 应力分析理论及规范应力
![2010年11月CAESARII高级培训讲义- 应力分析理论及规范应力](https://img.taocdn.com/s3/m/279d1e6527d3240c8447efec.png)
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。
论CaesarⅡ软件在高温高压管道应力分析中应用
![论CaesarⅡ软件在高温高压管道应力分析中应用](https://img.taocdn.com/s3/m/db5cdaddafaad1f34693daef5ef7ba0d4a736d93.png)
论CaesarⅡ软件在高温高压管道应力分析中应用摘要:caesarⅱ管道应力分析软件是国际较为流行的管道应力分析软件之一,具有输入数据简单,图形生成和计算结果直接明了,容易被初学者掌握的特点。
但caesarⅱ软件同时又是工程性很强的应用软件,在计算模型的建立时往往需要一定的工程经验作为依据。
笔者根据五年应力分析的经验,对高温高压管道应力分析的一些实践进行了总结。
关键词:caesarⅱ软件;管道应力;计算模型;高温高压管道近年来,随着我国国民经济的快速发展,石油、化工发展迅猛。
高温高压管道大量铺设,设计水平成为衡量一个设计单位能否在激烈的市场竞争中获胜的关键,这里,核心技术之一的管道应力分析是比较复杂的。
为此,设计部门都已经用计算机进行管道的应力分析。
caearii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国际权威的专业软件,它既可以进行计算静态分析,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,软件使用方便快捷。
本文将结合该软件在实际应用中的优势和问题,进行探讨。
一、caesarⅱ软件与管道柔性分析我从2004年开始使用由美国coade inc,公司编制而成的caesarⅱ管道应力分析软件。
至今已有5年的历史,目前我所做的高温高压管道柔性分析都是采用该软件进行的。
所谓高温高压管道的柔性是指反映管道变形难易程度的一个物理概念,指管道通过自身变形吸收热胀、冷缩和其他位移变形的能力。
指进行高温高压管道设计时,在保证管道具有足够的柔性来吸收位移应变的前提下,使管道的长度尽可能短或投资尽可能少。
在管道柔性设计中,除考虑管道自身的热胀冷缩外,还要考虑管道端点的附加位移。
通过管道的柔性计算可以达到如下目的:使高温高压管道应力在规范的许用范围内;使设备管口载荷符合制造商的要求或公认的标准;计算出作用在管道支架上的负荷;辅助设置合理的支吊架;解决高温高压管道动力学问题;帮助配管优化。
CAESAR II管道应力分析理论解析
![CAESAR II管道应力分析理论解析](https://img.taocdn.com/s3/m/8d29d32a79563c1ec5da71b7.png)
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
CAESAR-II 管道应力分析简版使用手册
![CAESAR-II 管道应力分析简版使用手册](https://img.taocdn.com/s3/m/4cbe70bef121dd36a32d8299.png)
北京市艾思弗计算机软件技术有限责任公司
6
CAESARII-管道应力分析简版使用手册
其中栏内提示符含义:
From To DX DY DZ Offsets Diame Temp2 Temp3 Pressure1 Pressure2 Bend Rigid Expansion Joint
CAESARII 软件还具备相当优良的使用性能,突出表现在输入输出方面。工具条菜单 输入采用全屏幕填表方式,辅以求助信息、编辑命令和图形显示,使用户感到十分方便。 输出方面也很具特点,融入许多编辑命令,诸如翻页、查找、打印等,图形显示直观明 了。CAESARII 软件具备这样的性能就使得用户无需掌握太多 DOS 命令,也不必死记程 序操作步骤和数据输入格式。该程序在解题能力方面没有严格限制,只须保证有足够的 外存容量。
2 单击<开始>—<设置>—<控制面板>。从控制面板中选择<添加/删除程序>,出现添 加/删除程序对话框,然后点击<安装>,开始安装程序。接着提示用户选择目录一安装 CAESARII,也可通过选择<Browse>来改变安装目录。
3 单击<下一步>,用户选择安装类型。缺省的选项为“安全安装”建议多数用户使用 这个选项。
1.4 管内流体密度
输入此值是为了计入流体的质量。当存在气液两相流体时,应输入平均密度。在 Spreadsheet 的 Fluid Density 处输入。
1.5 腐蚀裕量
CAESARII 认为腐蚀量降低管道承受持续荷载的能力,而并不啬管道柔性。此值在 Spreadsheet 的 Corrosion 处输入。
1.6 保温层
对保温层,输入厚度和质量密度,在 Spreadsheet 的 Insul 和 Insulation 处输入。
CAESARII管道应力分析理论
![CAESARII管道应力分析理论](https://img.taocdn.com/s3/m/9accc2aadd3383c4bb4cd2b7.png)
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
基于CAESARⅡ的二次应力超标管道应力分析与优化
![基于CAESARⅡ的二次应力超标管道应力分析与优化](https://img.taocdn.com/s3/m/422e95746c85ec3a87c2c59d.png)
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
CAESAR II管道应力分析理论解读
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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。
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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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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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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:
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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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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;
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分析之前我们需要做什么?
CaesarII应力分析模型设计解读
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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在管道应力分析中的应用
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【 摘 要】 随 着 石化企 业 管道 系统 对安 全性 和规 范化 要求 的提 高 , C A E S AR I 1 管道应 力 计算 软件 在管 道应 力分 析 中已 坡广泛 认 可 和使用 。 文 章 根据 石化 行业 静道 设计 的特 点 ,简 要介绍 了石 化行 业 中管 道应 力分 析 的要点 及 C AE S A RI I 软 件 在管 道应 力分 析 中的应 用 。 【 关 键 词】 管 道应 力分 析 :C A E S A R I h 化工 设 计
l管道应力分析 的 目的
管道 应 力分析 的 目的 主要 是…: ( 1 ) 使管 道和 锊 什 内的应 力不 超过许 用应 力 值 ; ( 2 ) 使 与管 系丰 } l 连 的 设备 的 管道 荷 载 在 制造 商年 I j 连 的 设 符 f 1 的 局部 麻 力 AS ME Vl I 1 的 允 许范 内;
[ L { 1 图分类号】 T H
【 文献标识码] A
f 文章编号] 1 0 0 7 — 1 8 6 5 ( 2 0 1 4 ) 1 5 0 2 1 3 — 0 2
Th e Appl i c a t i on o f CAES AR I I t o Pi pe Pt r e s s Ana l y s i s
( 4 ) 汁锌 管 系r I 】 支架 和约 束的 改汁荷 裁 ; ( 5 ) 进行 操作 工 况碰撞 检 查而 确 定管于 的位 移 ( 6 ) 优 化管 系设 计 。
2管道应力分析 的主要 内容及 载荷种类
2 . 1竹道 府 力分析 的 内存 铃道 力分析 分为静 力分 析和 动力 分析 。 骨 道 内 J 丘 和 持 续外 载( 管 及其 附 件的 重量 、 管 内介 质 的重 量和 箭 外保温 重 量 、支 吊架 的反作 用 力 以及 其 他集 中和 均布 的持 续俯 戟1 : 的麻 力属 于 一 次 应力 ,其 特征 是非 f t 限性 。即 应力 随 有倚 载 的增加 J 面 增 加 ,且 其作 用将 ’ 直 持 续到 构件 破坏 为止 。所 以 ‘ 次 力 得超 过材 料 计算温 度 的许 用应 力值 。 僻道 由安 装状 态过 渡 到运 行状 态时 , 介 质的温 度 变化 而热 胀 冷 缩 , 与’ 砹备 卡 } l 连接 的管道 由f设 备的温 度 变化 出现端 点位 移 。这些 变 形使 锊道 承受 弯 曲、扭 转 、拉仲 和 剪切 等应 力 ,这种 麻 力属 十 次应 力 ,其特 征是 自限性 的 。 二次 麻力 使管 材达 到 服 点时 ,符材 4 会尤 限变 形 去 ,产 性变 形后 ,应 力值 会 降 下来 。埘 次J 避力 的限定 是采 用控 制 一 定 交变 力 范 围和交 变循 环 次数 。 2 . 1 . 1静力 分析 静 分析 包括 : ( 1 ) 』 K 力 荷 载 和持 续 衙 载 作 『 } 】 卜的 一 次 应 力 汁算— — 防 I }
CAESARII 管道应力分析 培训
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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。
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基本应力理论 & CAESAR II 的实施
由于压力产生的环向应力
垂直于半径 (圆周) Pd / 2t 再一次用薄壁的近似值。 环向应力很重要,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。 • • • •
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行 为。
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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。
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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
– Mc/I – 最大应力发生在圆周的最外面。 – I/半径 Z (抗弯截面系数);使用 M/Z
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规范要求的载荷工况
• • • 膨胀工况说明 Consider the question again; "Is DS1-DS2 the same as a load case with just T1?". The answer to this is maybe. If you have a linear system (from a boundary condition point of view), then the answer is yes. You will get exactly the same results. However, if the system is non-linear (i.e. you have +Ys, or gaps, or friction), then the answer is no. You will get different results - how different depends on the job. The reason for this can be found by examining the equation [K] {x} = {f} for the two different methods.
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 However, these element forces are also pseudo forces, i.e the difference in forces between two positions of the pipe. Similarly, the stresses computed are not real stresses, but stress differences. This is exactly what the code wants, the stress difference, which was computed from a displacement range. As to whether or not this stress difference is the extreme, well that depends on the job.
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由于压力产生的径向应力
• 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。
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••Biblioteka 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}
• (2) = W + P1 (SUS) • (3) = DS1 - DS2 (EXP)
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规范要求的载荷工况
膨胀工况说明 • What does “DS1 - DS2 (EXP)” mean? • Is a load case with “T1 (EXP) the same thing?
• 扭矩
– 最大的应力发生在外表面。 – MT/2Z
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“综合应力”中的基本应力 综合应力” 综合应力
评价 3-D 应力 • S = F / A + Pd / 4t + M / Z • 轴向、环向压力和纵向弯曲所产生的应力之和。 • 根据规范和载荷工况的不同上式将发生变化。
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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 以及产生这些应 力的载荷) 分为下面几种: 力的载荷)the loads that cause them) 分为下面几种:
• 纵向应力 - SL • 环向应力 - SH • 径向应力 - SR • 剪切应力 - τ
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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。
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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。
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• • •
规范要求的载荷工况
• • • • 膨胀工况说明 (Obviously the load case numbers are subject to change on a job by job basis.) What do you get when you take "DS1 - DS2"? Well {x1} - {x2} yields {x'}, a pseudo displacement vector. {x'} is not a real set of displacements that you can go out and measure with a ruler, rather it is the difference between two positions of the pipe. Once we have {x'}, we can use the same routines used in the OPE or SUS cases to compute element forces, and finally element stresses.
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 • The code states that the expansion stresses are to be computed from the "extreme displacement stress range". These are all very important words. Consider their meaning … • EXTREME: In this sense it means the most, or the largest. • RANGE: Typically a difference. What difference? The difference between the extremes. What extremes? • DISPLACEMENT: This defines what extremes to take the difference of. • STRESS: What we are eventually after.
• • • •
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 Can we simplify the above equation as follows? EXP: {xexp} = {W + T1 + P1} / [K] - {W + P1} / [K] Canceling like terms (the ones in red) yields: {xexp} = {T1} / [K] The assumption here is that [Kope] is the same as [Ksus]. This assumption is only true for linear systems. For non-linear systems, the stiffness matrix is unique for each load case and the above cancellation of loading terms is incorrect. You get the wrong stress results for the expansion case if you setup load cases this way. & 基本应力理论