压力管道应力分析基础理论

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力学模型——3D梁单元
• 主要的变形特征为弯曲 • 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…
2020/12/28 Monday
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3D梁单元的力学假设
将切向应力称为剪应力；
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应力的概念
• 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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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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CAESAR II 管道应力分析理论
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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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。
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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：
P L3
3EI
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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
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基本应力分类
• 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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应力状态的简化
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； • 管道上法wenku.baidu.com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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• 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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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，
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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
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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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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。
• 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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• 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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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…
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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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