Pipe Stress Analysis Using CAESAR II
Pi St A l i U i CAESAR II
AECsoft
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 Objectives
z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。
z载荷形式—独立处理并独立分析
z应用SIF放大局部变化（弯头、三通）
z规范委员会的传统和惯例
如何正确评定管道应力？
3D梁单元特征
z弯曲主导变形
对大多数分析来说是高
z
效的。
z对与系统分析来说精度是足够了。
3D梁单元
这种分析方法遗漏了什么
z这种分析方法遗漏了什么？
z没有考虑局部效应（壳体扭转）
z没有考虑二阶效应（2阶效应是柱子等构件由于端部位移大，重心偏离轴线而引起的柱子底部的弯矩~~一般称为P—△效应，在建筑结构分析中指的是竖向荷载的侧移效应。当结构发生
水平位移时，竖向荷载就会出现垂直于变形后的的竖向轴线分量，这个分量将增大水平位移量，同
时也会增大相应的内力，这在本质上是一种几何非线性效应。考虑构件或结构变形对受力的影响。）z没有考虑大转动几何变形
z没有考虑碰撞
z默认所有管道支架都是中心线支撑
z不考虑壳体直径/壁厚（即不含管道单元径向方向的影响）
应力分类
正应力（法向应力）
z-纵向--正应力是作用在材料晶体结构正面方向的应力，通常是拉伸或压缩。
F ax
=F/A
S L F ax/ A m
S L=Pd o/(4t)
特定载荷: 压力，弯矩
:
SL =Fax/ Am+Pdo/4t+Mb/Z
应力分类
z Normal stresses –hoop法向应力（正应力）-环向：它的方向是垂直于轴向的。其中之一就是内压引起的正应力叫作环向应力。
垂直于轴向的其中之就是内压引起的正应力叫作环向应力
周向应力的方向平行于管壁园周的切线方向。
S H= P(D x l) / (2 t x l)
=P(D)/(2t
载荷: Pressure压力
S H=P(r i2+r i2r o2/ r2) / (r o2-r i2)拉美公式（厚壁圆筒内压计算）
S H Pd o/2t 或Pdi/2t薄膜理论（薄壁）近似为
=Pd/2t
应力分类
径向径向应力是作用在管壁上的第三种正应力
z正应力（法向应力）-径向：径向应力是作用在管壁上的第三种正应力，它与管子的半径方向平行并作用于第三垂直方向上，径向应力是由内压引起的。它的变化范围是从等于管子内壁表面上的内压到等于管子外壁表面起的它的变化范围是从等于管子内壁表面上的内压到等于管子外壁表面上的大气压之间。
大气压力
=P
S R= -P
特定载荷: 压力一般忽略不计
应力评定应力分类
剪切应力：剪应力作用在与材料晶体结构平面相平行的方向，井z
且可能使晶体相毗邻的平面相互产生滑动的趋势，剪应力的产生不仅仅是一种载荷引起的。
τ= VQ / A
应力评定应力分类
z剪切应力
M T
τ= M T R o/ 2I
特定载荷扭矩
:
三维应力状态
z纵向应力
z F/A, PD/4t, M/Z (管道外表面最大) z环向应力
z PD/2t
z径向应力
P>0(
z-P -> 0 (外表面最小)
z剪切应力
z T/2Z, VQ/A (外表面最大，最小)
从三维向应力状态至两维应力状态z无径向其它应力均在一个平面内
受力平衡
z应力X受力面积=力
任意面均保持受力衡
z任意平面均保持受力平衡
面内存力剪力分z平面内存在正应力和剪应力分量
莫尔应力圆
z通过莫尔应力圆求解各应力分量
应力命名（定义）
z主应力-平面内无剪切应力存在，只有正应力（莫尔圆中心±莫尔圆半径）
z最大剪切应力-最大剪切应力可能出现在任意平面，任意方向
z管壁中的小立方体有无数个方向可供选择，且每个方向上都有表面上的正应力和剪应力的不同组合。
z例：一个方向是垂直于应力轴时正应力最大，而另一方向正应力最小，在两种情况下立方体的剪应力都为零。在剪应力为零的方向上，正应力各分量的和才是所说的应力。从三维空间分析，它们的三个分量分别为S1(最大). S2 和S3(最小)，注意不考虑应力轴的方向时，垂直方向上的应力总和总是等于:
z SL +SH+SR=S1+S2+S3
z方位转换到剪应力分量最大的位置(同样存在一个剪应力最小的位置，但这点常被忽略了，因为剪应力的最大、最小值在数值上相等)。此位置称为最大剪应力方位。此三维状态下的应力的最大剪应力的方位。此三维状态下的应力的最大剪应力等于最大和最小主应力(S1和应力的最大剪应力的方位此三维状态下的应力的最大剪应力等于最大和最小主应力
S3)差值的一半。
莫尔应力圆
z主应力和剪应力的最大值可以通过莫尔圆法来确定。莫尔圆分析法因忽略径向应力而简化，因而只考虑应力的简单状态(即二维状态)。莫尔圆能够以二个已知方向的正应力和剪应力描绘，(轴向应力，剪切应力和周向应力)且从二点构成一个圆。圆上的点与应力轴相交代表着正应力和剪应力无穷的组合。
z管子外径上的不同点(此处弯曲和扭转应力均最大，而径向应力和剪切应力一般为0)要考虑，二维的平面应力和主应力可通过如下的莫尔圆进行计力般为要考虑维的平面应力和主应力可通过如下的莫尔圆进行计
算: