持续应力和非线性约束 - CAESAR II - 帮助

CAESAR II 用户指南

Language
中文 (大陆)
Product
CAESAR II
Search by Category
帮助
CAESAR II Version
12

从 20 世纪 70 年代开始,首次尝试用管道应力分析软件解决非线性约束问题以来,持续应力的正确计算始终是一个问题。现有管道规范鲜少涉及这一问题,因为它们大多是在以绝对线性的方法进行简化分析的年代制订的。

问题产生的原因是规范要求对管系在持续载荷作用下独立分析。因此用户必须清楚哪些荷载产生了哪些应力。持续载荷是假设不变的力载荷,而膨胀载荷是随着系统操作条件的变化而变化的位移载荷。持续荷载的确定比较简单 —— 基本上大家一致认为持续荷载包括重量、压力和弹簧初始荷载。在管道系统的热膨胀过程中,持续荷载作用力相对不变。

但是,当管道从安装状态到操作状态时,非线性约束状态会发生混淆(如管道支架脱空,管架间隙靠拢等)。在这种情况下,必须确定哪些边界条件可用于作用力的评价。或者说,在操作工况下哪部分应力是重量载荷引起的?哪部分是膨胀作用引起的?

膨胀应力的计算问题也相对明确,因为规范明确规定膨胀应力范围是操作应力位置和冷态应力位置(两者均已知)之间的差值。

有些管道应力软件开发者解决该问题的方法显然是用操作或热态边界条件来进行持续应力计算。由于不再支持叠加定律,这种做法会让问题变得更复杂。也就是说,持续(W+P)和热态(T)工况结果相加不等于操作(W+P+T)工况的结果。行业先驱 DYNAFLEX 曾尝试引入“重量的热分量”的概念来解决这一问题,但这在我们看来这是一个矛盾。

其他软件,尤其是那些来自大型机/线性分析领域的应用程序,必须近似模拟这些非线性约束的行为。这类程序解决问题的方式是运行操作工况,获得约束状态结果,然后根据结果修改模型。所有后续的荷载工况分析均采用该约束形式。事实上,希望用户不用关注不支持静态叠加定律的这种情况。换句话说,CAESAR II 代表着个人电脑开发的新技术,已直接考虑了非线性约束的影响。通过独立考虑每一种荷载工况已解决了该问题。根据存在的实际荷载,通过程序运算,可确定每种荷载工况下的约束配置。

有些用户认为实际存在两种持续荷载工况。事实上,B31.3 规范的解释已表明也可用操作状态的约束形式核算持续应力。然而用操作状态的约束计算持续应力会引起一些其他问题:如使用哪个弹性模量?偶然工况使用哪种持续应力?

我们认为,只存在一种持续工况(否则,就不是“持续的”)。然而,可以存在多个持续的应力分布。两个最典型的就是冷态(安装)和热态(操作)条件下的应力分布。然而,它们之间也有许多工况,因为管道系统是从冷态到热态进行加载的。“真”的持续荷载工况发生在安装工况还是操作工况,只是一个参照系问题。如果工程师先关注冷态的系统,再观察其膨胀至操作状态,则第一种工况(因为存在重量和压力,即一次荷载)是持续工况,工程师看到的变化是热作用(加热引起的)-- 因位移引起的二次荷载。如果另一位工程师先关注该管线处于操作工况,并观察其冷却至冷态工况,则工程师可能认为第一个工况(操作工况)是持续工况,从热态到冷态的变化是热膨胀作用(上述两种情况的热应力范围相同)。对于低温管系从安装到操作的变化过程,等同于热管系从操作到安装的过程。然而,当管系发生弹性安定以后,管道在冷态和热态状态下均存在热预应力,问题变得更加含糊。我们认为,只要程序稳定,选择操作工况或安装工况(或介于两者之间的工况)作为持续工况进行分析都是合理的。

我们选择安装工况(除去冷紧的影响)作为参考持续工况,因为在结果中可以完全忽略热效应(正如规范的意图)。这样能最好地体现初始施加持续荷载时支撑的配置。如果管架从安装状态到操作状态时脱空,我们将其视为热效应,这与管道规范将热效应视为管道系统从冷态状态进入热态状态时产生的应力分布变化相一致。在法国石化规范的早期版本中已明确证实了这一点,规范规定管道热膨胀引起的重量应力分布应视为膨胀应力。举例来说,我们觉得刚性支架荷载从 2000 磅到零的变化处理应与从 6000 磅变成 4000 磅的可变弹簧荷载(或从 2000 磅变成 1 磅的另一刚性支架荷载)相同。在前一种工况下,如果管道出现“应力过载”,则管道发生屈服,并重新下垂落向支架,应力降低。该过程与降低管系所有其他膨胀应力的情况相同。

我们相信我们的解释是正确的。但是,我们理解用户不一定认可我们的看法 —— 因此CAESAR II最大程度地允许用户根据自己的具体规定定制分析。如果需要,可以向通常推荐的那些荷载工况中添加两种荷载工况来分析热态持续工况,通过向 CAESAR II正常推荐的载荷工况中添加两种荷载工况,分析“热态持续”工况。即假设管道先膨胀,再施加持续荷载(这当然是理想化的概念,但只能通过分离施加的荷载分离应力,因此,只能在膨胀荷载前面或后面施加持续荷载)。以下是默认的荷载工况及“热态持续”所需的工况。

默认

新建

L1: W+P1+T1(OPE)

L1: W+P1+T1(OPE)

L2: W+P1(SUS)

L2: W+P1(SUS)

L3: L1-L2(EXP)

L3: T1(EXP)

L4: L1-L2(EXP)

L5: L1-L3(SUS)

在新建的荷载工况列表中,第二种工况仍然表示冷态持续工况,而第四种工况表示膨胀工况(注意,考虑非线性效应,L1-L2 或 W+P1+T1-W-P1,等于 T1)。第三种工况表示无重量、无充压管道在非线性约束作用下的热伸长。

第五种工况(L1-L3 或 W+P1+T1-T1,等于 W+P1)表示热态工况的重量和压力,即“热态持续”工况。注意,按上述方式分析管道系统时,已考虑非线性约束的实际作用(而不是随意地从模型中删除),仍然遵从叠加定律。

另一种流派认为“热态持续”工况仅在下列情况下有效:(1)施加了持续即一次荷载;(2)所有弹簧均处于热态荷载设置;(3)删除模型中脱空支架(或因其他不起作用的支架)。实现这种分析的方法是将荷重分配工况(弹簧设计中第一个荷载工况)的保持/禁止状态设为保持,以便如其它荷载工况一样,能查看该工况的结果。荷重分配工况将自动删除在设定操作工况中不起作用的支架约束,并在每一个弹簧位置施加热态荷载。