管道柔性分析与应力计算

今天借这个机会和大家共同学习和探讨一下管道柔性分析与应力计算以及应力计算软件CAESARⅡ。

我们作为管道工程师，配管是我们的主要工作，占据了我们大部分工作时间。

一般情况下，管道工程师在配管完成后，应将临界管系提给管道机械工程师进行管道柔性分析与应力计算，通常也简称为应力分析。

我们在配管完成后，为什么要进行管道应力分析呢？主要有以下几个原因：第一个原因是为了使管道应力在规的许用围，保证所设计的管系及其连接部分的安全性。

第二个原因是为了使管口荷载符合标准规的要求。

第三个原因是为了计算支撑和约束的设计荷载。

第四个原因是为了计算管道位移，从而选择合适的管架。

第五个原因是为了解决管道动力学问题，比如说：机械振动，声频振动，流体锤，压力脉动，安全阀的排放等等。

最后一个原因是为了帮助配管优化设计。

这些原因呢也构成了管机工程师需要完成的工作任务，对这些容呢后面我们会作进一步学习。

今天我们学习的容包括以下五个部分:1.管道应力分析的相关理论和基础知识。

我们简单的学习一下与管道应力分析相关的一些理论和基础知识。

2.管道应力分析的理解和工作任务。

3.实际工作中的管道应力分析的工作过程。

4.管道的柔性设计。

5. CAESARⅡ管道应力计算程序。

我们首先一起学习一下应力分析的理论基础一管道应力分析的相关理论和基础知识。

应力分析的相关理论和基础知识涉及的容是非常广泛的，象是材料力学，结构力学，有限元，弹塑性力学等等。

今天我们只学习和它关系最为密切的一些容。

如果有兴趣的话，大家可以在以后时间里进一步学习其他相关知识。

我们学习的第一点是强度理论在管系上的任一受力点，往往受到多方向应力的作用，例如：轴向应力，环向应力，剪切应力的作用。

这些应力会对管道材料的力学性能产生影响，严重时将使管道材料失效或产生破坏。

这种影响程度通常用“当量应力强度”来衡量，而定量求解应力强度则要依据相应的强度理论。

涉及的强度理论主要有四种：第一种是最大主应力理论。

最大主应力理论指出材料发生断裂破坏时，其受力横截面上的最大主应力既是最危险的应力。

第二种是最大变形理论。

最大变形理论是指材料发生断裂破坏时，最大变形是受力横截面上最危险的情况。

第三种是最大剪切应力理论。

最大剪切应力理论是指材料的破坏或性能失效，仅取决于材料所受的最大剪切应力。

第四种是变形能理论。

变形能理论是指材料的破坏或性能失效，取决于材料单位体积变形所积累的位能（即变形能），当其达到临界值时，则视为最危险的情况。

目前，美国和我国的管道设计规均依照最大剪切应力强度理论编制和实施，也就是我们前面谈到的第三个理论，此理论认为：材料最危险的应力应是当其达到屈服点时的最大均匀剪切应力，而该值正好等于最大主应力与最小主应力之差。

我们学习的第二点是管道承受的荷载及其应力状态分析，这一点是我们作为管道工程师，在工作中经常遇到的。

管道上承受的荷载有很多种，常见的有以下几种：（1）压力荷载化工管道多承受压，也有管道在负压状态下运行，承受外压，如真空，减压装置中的一些管道。

压在管壁上产生环向拉应力和纵向拉应力。

而外压则在管壁上产生环向压应力和纵向压应力（2）重力荷载什么是重力荷载呢？比如象管道自重，保温重，介质重，管道上的积雪重等都属于重力荷载。

重力荷载可使管道产生弯曲应力，扭曲应力，纵向应力和剪切力。

刚才谈到的压力荷载和重力荷载在管道上产生的应力都属于一次应力。

那么什么是一次应力呢？所谓的一次应力，是指由于外加荷载，象刚才提到的压力和重力，他们的作用产生的应力。

一次应力的特点是：它满足与外加荷载的平衡关系，随外加荷载的增加而增加，没有自限性，{没有自限性就是说应力随着荷载的增加而增加。

当管道产生塑性变形时，荷载并不随之减少。

} 当应力值超过材料的屈服极限时，管道将产生塑性变形而破坏。

（3）位移荷载管道由安装状态过渡到运行状态时，由于管介质温度的升高或降低，管道产生热胀或冷缩使之变形。

与设备相连接的管道，由于设备温度的变化，从而热胀冷缩引起端点位移，端点位移也会使管道变形。

以上这些变形使管道承受弯曲，扭曲，拉伸，剪切等应力。

这种应力属于二次应力。

二次应力是由于管道变形受到约束而产生的应力，它不直接与外力平衡。

二次应力的特点是具有自限性。

就是说当管道局部超过屈服极限而产生少量塑性变形时，应力就能降低下来，不再成比例增加。

管道上的二次应力一般由热胀冷缩和端点位移引起。

(4) 偶然性荷载包括：风荷载，地震荷载，水锤冲击及安全阀动作产生的冲击荷载。

这些荷载都是偶然发生的临时性荷载，而且不致于同时发生。

在一般静力分析中，不考虑这些荷载。

如果是大直径高温管，高压剧毒，易燃易爆的管道应予以计算。

从上面的容我们可以看出：压力，重力，风，地震，冲击等外力荷载和热膨胀的存在，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。

以上就是管道承受荷载及其应力状态分析的全部容。

下面我们共同学习一下应力计算方法的分类及应用围应力计算对于简单管系可采用人工计算，对于复杂管系则采用计算机计算。

下面我就介绍一些主要的计算方法：（1）表算法（人工手算）对管系特性要求：适用于一个端点固定，其余端点释放的简单管系。

能够计算出的结果：力矩，应力，位移（2）弹性中心法（人工手算）对管系特性要求：仅适用于无分支且两端点刚性连接，角位移为零的简单管系。

能够计算出的结果：力，力矩，应力。

没考虑管道自重，约束，集中荷载的影响，不能计算斜管，弧形管。

（3）应变能微分法对管系特性要求：适用于环状多分支且始端点固定，末端释放的简单管系。

能够计算出的结果：力，力矩，应力。

不考虑剪切变形和轴向拉压变形。

（4）等值刚度法（程序计算，属位移法）对管系特性要求：适用于非环状多分支复杂管系。

能够计算出的结果：力，力矩，应力，位移。

缺点是：不能计算环状闭合管系。

我国电力系统开发的管道应力计算程序的理论基础就是等值刚度法，此程序可计算管道压，自重，热膨胀，端点位移等荷载所产生的应力和各点位移，还可自动选择弹簧支架。

（5）追赶位移法和始参数位移法，这两种适用于环状多分支复杂管系。

（6）有限单元法（属位移法）对管系特性要求：适用于环状多分支复杂管系。

能够计算出的结果：力，力矩，应力，位移。

（计算结果考虑了剪切变形和轴向拉压变形）CAESARⅡ应力计算软件的理论基础就是有限单元法。

下面我给大家介绍一下有限单元法。

有限单元法的基本思想是，将形状复杂的连续体划分为有限个单元，这些单元形状相对简单，具有一定的规则，并在节点上互相连结，也就是用有限个单元的集合体来代替原来具有无限多个自由度的连续体。

把连续体划分为形状相对简单的单元后，首先对这些单元进行深入研究，得出规律，再将这些单元集合起来进行分析，得到整个连续体的解答。

由于单元的分割和节点的配置比较灵活，即使边界复杂，也可使边界节点落在实际边界上，较好的模拟边界。

在应力集中的区域可以设置较多的节点，这样可提高分析精度。

刚才介绍有限元的时候我们学到了节点，那么怎样设置节点才能合理有效地划分单元呢？通常管系中下列情况下需要设立节点：1）几何定义点，比如：管系的起点，终点，方向的改变点，相交点，管径壁厚改变点等。

2）操作条件变化处，比如：温度，压力变化处。

3）定义元素的刚度参数，比如：管子材料的改变，刚性元件或膨胀节4）定义边界条件，比如：约束或附加位移。

5）建立精确的动力模型。

6）定义节点的荷载条件，比如：保温材料重量，附加力，地震作用，风荷载，积雪荷载等等。

7）需要从应力分析中得到计算结果处。

以上这些地方一般情况下需设立节点。

在进入下面容前，我们先学习几个名词解释：1．共振何谓共振？什么是共振？共振是指当作用在系统上的激振力频率等于或接近于系统的固有频率时，振动系统的振幅会急剧增大，这种现象称为共振。

2．气体的压力脉动往复压缩机的活塞在气缸中进行周期性的往复运动，引起吸排气呈间歇性和周期性，管气体压力不但随位置变化，而且随时间作周期性变化，这种现象称为气体压力脉动。

3．疲劳破坏疲劳破坏是指，在循环荷载的作用下，发生在构件某点处局部的，永久的损伤积累过程，经过足够多的循环后，损伤积累可使材料产生裂纹，或是裂纹进一步扩展直到完全断裂。

疲劳损伤一般发生在应力集中处，例如管道的三通，弯头。

这几个名词在下面的容中要用到，所以我们在这里先学习一下。

下面我们进入第二大部分学习容。

二管道应力分析的理解和工作任务1.管道应力分析的理解管道应力分析的直接理解，应该是通过计算得到管道及其附件的应力分布及数值。

但是，通常我们所说的管道应力分析工作却不仅仅是简单计算一下管道的应力，它是一个扩展的概念，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的力学分析，并使分析结果满足标准规的要求，从而保证管道自身和与其相连的机器设备和土建结构的安全，这是一个连续的，系统的工作。

2．管道应力分析的工作任务可分为静力分析和动力分析静力分析是指在静力荷载的作用下对管道进行力学分析，并进行相应的安全评定，使之满足标准规的要求。

管道静力分析的任务主要有四项：第一项：计算管道中的应力并使之满足标准规的要求，保证管道自身的安全。

第二项：计算管道对与之相连的机器设备的作用力，并使之满足标准规的要求，保证机器设备的安全。

第三项：计算管道对支吊架和土建结构的作用力，为支吊架和土建结构的设计提供依据，保证支吊架和土建结构的安全。

第四项：计算管道位移，防止位移过大造成支架脱落或管道碰撞，并为弹簧支吊架的选用提供依据。

动力分析主要指压缩机和泵进出口管道的振动分析，管道的地震分析，水锤和冲击荷载作用下管道的振动分析。

目的是为了使振动和地震的影响得到控制。

管道动力分析的任务主要有五项：第一项任务：管道的地震分析，防止管道在地震中发生破坏。

第二项任务：压缩机和泵连结管道的固有频率和振型分析，防止管道发生机械共振。

第三项任务：压缩机连结管道的强迫振动分析，控制管道的振动应力，防止管道因振动发生疲劳破坏。

第四项任务：往复压缩机连结管道气体压力脉动分析，计算管气体的压力脉动，避免压力脉动值过大。

第五项任务：往复压缩机连接管道气柱频率分析，计算管气体的气柱固有频率，防止气柱共振。

三实际工作中的管道应力分析的工作过程管道应力分析的工作过程和步骤，因项目的大小和复杂程度，以及业主的要求而有所不同，但一般来讲包括以下容：首先要编制专业统一规定其次是确定需要进行应力分析的管道，也称为临界管系的判定。

确定哪些管道需要进行应力分析，是管道应力分析的一项重要容。

所有管道都进行应力分析，即不现实，也没必要。

但如果进行应力分析的管道过少，则可能漏掉某些重要管道，造成安全隐患。

所以合理的确定需要进行应力分析的管道是非常必要的。

在国外许多标准规中都对管道应力分析的围和方法作了规定。