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1、应力分析讲义,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。,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
2、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。,静态分析目的,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。 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
3、道地震分析-防止管道地震力过大。,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,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： 纵向应力 - SL 环向应力 - SH 径向应力 - SR 剪切应力 - ,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 )=
4、Z (抗弯截面模量);使用 M/Z,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, Lam来计算。,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, Lam来计算。,
5、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。 扭矩 最大的应力发生在外表面。 MT/2Z,“综合应力”中的基本应力,评价 3-D 应力 S = F / A + Pd / 4t + Mc / Z 轴向、纵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。,管道变形的基本形式,管道在外力作用下期尺寸和状态都将发生变化。主要用线位移和角位移来度量。无非轴向拉伸或压缩、剪切、扭转和弯曲四种形式之一，或其组合。 一、轴向拉伸和压缩 二、剪切,管道变形的基本形式,三、扭转,扭转变形的静力关系,截面上的扭矩,
6、抗扭截面模量,剪应力最大值,管道变形的基本形式,四、弯曲 多种载荷都可能在管道内产生弯矩，造成管道弯曲。 横力弯曲：管道截面不但存在弯矩，还有剪力。 纯弯曲：管道两端只有弯矩而无剪力时的弯曲变形。,管道变形的基本形式,四、弯曲 管道横截面上最大正应力发生在距离中性轴最远处。 为弯矩/抗弯截面模量,Iz横截面z轴（中性轴）的截面惯性矩。,Wz抗弯模量,载荷种类 Load Type,一次荷载Primary load 二次荷载Secondary load 偶然荷载Occational load,一次荷载Primary load,该荷载伴随结构的变形而不消失,二次荷载Secondary load,该荷
7、载伴随结构的变形而消失。,偶然荷载Occasional load,类似一次荷载，不持续发生，偶尔会发生作用,管道应力的校核,管道应力的校核主要是为了防止管壁内应力过大造成管道自身的破坏。各种不同载荷引发不同类型的应力，不同的应力对损伤破坏的影响各不相同，如果根据综合应力进行应力校核会导致过于保守的结果。因此管道应力的校核采用了应力分类。危险小的应力，许用值放宽；危险大的应力，许用值严格控制。应力分类是根据应力的性质不同人为进行的，它并不一定是实践能够测量的应力。,规范要求的载荷工况,规范要求使用两个主要失效方式的失效理论。 一次失效。(W+P+F) SUSSh 二次失效。DS1-DS2(T+D
8、)1.25(Sh+Sc)-S1 (第三种失效方式是偶然失效，它与一次失效相似。）,管道应力分类（一次应力）,一次应力是由于压力、重力与其他外力荷载的作用所产生的应力。它是平衡外力荷载所需的应力，随外力荷载的增加而增加。一次应力的特点是没有自限性，即当管道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，即使外力荷载不再增加，管道仍将产生不可限制的塑性流动，直至破坏。,规范要求的载荷工况（一次应力）,一次失效情况 力所引起。 非自限性。 重量W、压力P和集中力F所产生。,管道应力分类（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，它由管道热胀、冷缩、端点位移等位移荷载的作用而引起。
9、它不直接与外力平衡，而是为满足位移约束条件或管道自身变形的连续要求所必需的应力。二次应力的特点是具有自限性，即局部屈服或小量变形就可以使位移约束条件或自身变形连续要求得到满足，从而变形不再继续增大。二次应力引起的疲劳破坏。在管道中，二次应力一般由热胀、冷缩和端点位移引起。,规范要求的载荷工况（二次应力）,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。,CAESAR II输入基本操作,工作流程,主输入区,输入列表区,图形显示区,检查错误运算分析,建模原则,节点号定义原则：10-20-30-40-50-60-70具有连续性（步长用户可以进行自定义设置和更改）,单元使用规
10、则,管道单元信息主体信息,DX,DY,DZ 长度（可以定义坡角和斜管）,Diameter/Sch 直径和壁厚,Corrosion 腐蚀余量,Insul Thk/Density 保温厚度及密度,Temp/Pressure操作温度和压力,Material 材料,Fluid density 介质密度,Bend 弯头,单元辅助信息,SIFs & Tees应力增大系数三通,Reducer大小头,Expansion joint膨胀节,Rigid 刚性件,Restraints 约束,Hangers 弹簧,Displacements 初始位移,Nozzles 柔性管口,元间信息,约束信息,荷载信息,Force
11、s/Moments 集中力弯矩,Uniform Loads 均布荷载,Wind/Wave 风载海浪载,单元的连续性,数据继承性及共性个性数据,在适当的地方，输入的数据自动带给下一个单元。（蓝色数据为共性数据）,延后的各项用红颜色高亮显示。,点数据仅适用于当前这个单元（如红色所示个性数据）。,单元查找、切换,方法1,方法2,使用查找工具如下：,主输入区-管道主要信息,附属元件、约束和荷载信息设置区双击复选框进行添加或删除,保温 & 流体密度,保温 我们一般输入0.0002kg/cu.cm,表示岩棉或者硅酸铝纤维的密度。 如果用户输入一个负的保温层厚度，则可用来模拟衬里。程序在计算体积时，使用管子
12、内表面的厚度而不是外表面的厚度。 流体 流体密度可以直接在数字后面加比重“SG”来输入，例如0.8SG。比重立即转化成密度。,单元个性信息（辅助信息）设置栏,弯头与弯管的定义,在软件辅助状态区定义弯头属性,弯头弯曲半径,弯头内部节点定义,虾米腰弯头、弯头厚度、弯头柔性系数,2,方法二：单击插入弯头按钮添加刚性件,1,弯头节点定义,一个弯头占三个节点（节点位置用户可以更改）,CII 中输入的管长是包含弯头的长度（直管延长线交点到端点的长度）,刚性件定义,在软件辅助状态区定义刚性件属性（刚性件重量）,通常管道应力分析过程中将阀门、法兰等刚性管件都定义为刚性单元给出单元长度和重量（因为刚性件横向刚度
13、无穷大且只传导位移和力）,刚性件的长度（在主输入区输入）,1,2,方法二：单击刚性件按钮添加刚性件,刚性单元特性,刚度根据10倍的壁厚来计算。,如果 重量 0 阀门等 总重 =定义的重量+流体重+1.75*保温厚（根据定义的外径） 如果 重量 = 0 总重 = 0，不考虑定义的流体&保温。,大小头,在软件辅助状态区定义大小头属性,大小头另一端管道直径和壁厚,2,方法二：单击插入大小头按钮添加大小头,1,三通和应力增大系数的定义,双击三通复选框添加三通,在软件辅助状态区定义三通属性,三通形式平面内，平面外的应力增大系数（依据相应规范定义）,2,方法二：单击插入三通按钮添加三通,1,在超过规范定义
14、的标准范围之外的三通和弯头需要自定义应力增大系数,一般的约束定义,注意：其它形式的约束定义我们将在“约束”这一章单独讲解！,弹簧设计,关联节点Node-Cnodes,1,2,这两个模型在结构上是相同的。 右边的模型在节点55固支，并与56节点相连。 55 - 56没有单元。 现在，固支将显示节点55作用在56的“内”载荷。,关联节点Node-Cnodes,打断命令,打断命令将在一个已存在的管子中增加节点；它可以为任何位置处的一个节点或根据节点增量生成等间距的多个节点。,自动获取其它约束点上的约束形式,自动封闭环线,Close Loop 命令用正确的管单元长度自动连接定义的节点（这里为90到15
15、）来生成环线。,插入命令的使用,在当前管道单元前面插入一个新的管道单元,在当前管道单元前面插入一个新的管道单元,注意：插入命令的使用一般是在原有管线上修改时使用（以确保单元序列正确）,三维图形显示功能,检查错误,错误检查栏内红色信息为错误信息； 绿色信息为警告信息； 蓝色信息为备注信息,双击对应警告信息软件会自动切换到相应单元的数据表界面,双击此处警告信息,软件报告解读和输出,用户定义的计算工况（冷态、热态、纯热态等）,计算参数（位移、推力、应力等）,杂项（弹簧报告、输入数据、工况定义等数据）,报告生成器（用户首先在左侧选中需要输出的数据添加到右侧窗口中）,如下确定需要查看的数据报告后点击报告查看按钮,三维管道模型分析功能运用,动态显示,三维管道模型分析,用户可以将管线上各点应力按与许用应力的百分比以不同颜色区分,用户换可以通过静态图形显示将管道冷态或热态的管道变形显示在三维图形上。,总体 vs. 局部坐标系,总体 vs. 局部坐标系,谢 谢,
