压力管道应力分析理论资料课件.ppt
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1、CAESAR II管道应力分析理论管道应力分析理论AECSOFT北京艾思弗计算机软件技术有限责任公司北京艾思弗计算机软件技术有限责任公司2010前言前言l我们为什么要进行管道应力分析?l我们需要做什么?l我们如何模拟一个管道系统?l我们如何来分析计算的结果?*AECsoft我们为什么要进行管道应力分析我们为什么要进行管道应力分析?l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。l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
2、连的机器、设备以及土建结构的安全。*AECsoft什么情况下需要对管道进行力学分析?什么情况下需要对管道进行力学分析?l1.管径大于75mm的管道l2.与转动、往复设备连接的管道(泵、压缩机 等)l3.与空冷器、汽轮机、换热器相连的管道l4.温度高于300C的所有尺寸管线l5.管径大于150mm,设计温度高于175C的焊接管线l6.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l7.大直径薄壁管(450mm以上),或直径与壁厚比超过90的管线l8.使用特殊补偿的管线(使用膨胀节)l9.埋地管线l10.夹套管线l11.位于关键区域的管线l12.超压保护管线(
3、安全阀)l13.压力骤增管线(水锤、气锤)l14.等等*AECsoft管道应力分析的分类管道应力分析的分类l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。*AECsoftl静力分析是指在静力载荷的作用下对管道进行力学分析l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;l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;l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;l管道支吊架的受力计算未支吊架设计提供依据;l管道上法兰的受力计算防止法兰泄漏;l管系位移计算防止管道碰撞和支吊点位移过大。静态分析静态分析*AECsoft动态分析
4、动态分析l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。l往复压缩机(泵)管道气(液)柱固有频率分析-防止气(液)柱共振;l往复压缩机(泵)管道压力脉动分析-控制压力脉动值;l管道固有频率分析-防止管道系统共振;l管道强迫振动响应分析-控制管道振动及应力;l冲击荷载作用下管道应力分析-防止管道振动和应力过大;l管道地震分析-防止管道地震力过大。*AECsoft分析之前我们需要做什么?分析之前我们需要做什么?l1.确认需要计算的管线;l2.选用正确的校核规范,确认校核工况(载荷);l3.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
5、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)。*AECsoft应力的概念应力的概念l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。*AECsoft力学模型力学模型3D梁单元梁单元l管道模型最终能够简化为纯力学模型l主要的变形特征为弯曲*AECsoft力学模型力学模型3D梁单元梁单元l主要的变形特征为弯曲l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l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*AECsoft3D梁单元
6、的力学假设梁单元的力学假设l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;*AECsoft3D梁单元的力学假设梁单元的力学假设l梁单元上纯弯曲的概念:l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)l如果不使用纯弯曲假设,则上式不一定适用。*AECsoft3D梁单元示例梁单元示例
7、l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:*AECsoft如何评定管道的应力?如何评定管道的应力?l通过节点分析;l管道截面上存在3向主应力:l轴向l环向l径向*AECsoft基本应力分类基本应力分类l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);l环向应力:PD/2t;l径向应力:0(在外表面上不存在);l剪切应力:T/2Z(在主应力截面上,剪切应力为0)*AECsoft应力状态的简化应力状态的简化l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
8、图中的R);*AECsoft载荷的转化载荷的转化l应力乘以单位面积=载荷l静态下,任意截面上均应保持静力平衡;l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摩尔应力圆摩尔应力圆l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:*AECsoft主应力及最大剪应力主应力及最大剪应力l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;l最大剪应力则是指在某个截面上的剪切应力最大;*AECsoft主应力及最大剪应力主应力及最大剪应力l对于三向应力状态,存在三个主应力,如下图所示,由图可知,最大剪应力
9、与主应力的关系为?*AECsoft主应力及最大剪应力主应力及最大剪应力l任何复杂的应力形式都能够通过主应力或最大剪应力来表示l那么,以上叙述和管道的失效及应力分析有什么关系?*AECsoft管道的失效形式管道的失效形式l破裂由于压力导致l垮塌由于过载导致l腐蚀破坏材料的选择l疲劳破坏加载次数*AECsoft其他失效形式其他失效形式l碰撞大变形导致;l泵或法兰的过载管口连接破坏、法兰泄漏;*AECsoft材料的失效材料的失效l材料的失效由载荷引起。规范通常将重量、压力、温度、风、地震、土壤等各种各样的载荷进行分类,根据失效形式的不同进行区分。*AECsoft载荷种类载荷种类 Load Type持
10、续性荷载Deadweightloads热胀荷载Thermalloads活荷载Liveloads*AECsoft持续性荷载持续性荷载Deadweight loadsl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。*AECsoft持续性荷载持续性荷载Deadweight loadsl非自限性,持续作用,不随结构变形而消失。*AECsoft热胀荷载热胀荷载Thermal loadsl热胀荷载属于非垮塌性荷载,主要由温差及管道-设备连接管口的初始位移引发,其特征
11、是自限性,伴随着结构的热胀变形而消失,如果变形不能得到吸收则转化为结构的局部屈服及二次应力。热胀荷载与疲劳密切相关。*AECsoft热胀荷载热胀荷载Thermal loadsl该荷载伴随结构的变形而消失。*AECsoft活荷载活荷载Live loadsl类似于垮塌性荷载,不持续发生,偶尔会发生作用,例如风、雪、地震等。*AECsoft强度理论强度理论l我们如何来评价失效?通过强度理论l第一强度理论:最大主应力理论(Rankine)l第二强度理论:最大伸长线应变l第三强度理论:最大剪应力理论(Tresca)l第四强度理论:最大变形能理论(Vonmises)*AECsoft强度理论强度理论l第三强
12、度理论:l第四强度理论:*AECsoft强度理论强度理论l我们通常使用哪些强度理论?l最大变形能理论的计算结果最接近实际,但是最大剪应力理论的形式更为简单,结果更为保守。*AECsoft强度理论强度理论l管道应力分析程序通常计算应力强度(不同于规范应力,以“StressIntensity”表示)lCAESARII按照Tresca或Mises屈服条件来计算应力强度,用户可以在配置菜单下选取;l规范默认使用Tresca最大剪应力理论来进行计算;*AECsoft理论联系实际理论联系实际l我们如何从理论引申到实际工程计算?l首先我们需要理解材料的特性。*AECsoft材料的拉伸实验材料的拉伸实验l我们
13、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材料特性材料特性l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失效界限的考虑失效界限的考虑l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/al于是最大剪应力为:TmaxSy/2*AECsoft应力的失效应力的失效l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规范公式与理论的关联规
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