静态疲劳分析示例 - CAESAR II - 帮助

CAESAR II 用户指南

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中文 (大陆)
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CAESAR II
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帮助
CAESAR II Version
13

以存在几种不同循环荷载变化的工作任务为例:

  • 从 70°F 环境温度到 500°F 的操作循环,预计循环次数为 12,000 次

  • 停车时,环境温度从 70°F 变至 -20°F,预计循环次数为 200 次

  • 加压至 1800 psig,预计循环次数为 12,000 次

  • 在 1800 psig 基础上 +/- 30 psi 压力脉动波动,预计循环次数为 200,000 次

为了进行正确的疲劳分析,须对荷载进行成对分组,以考虑极端情况间的最苛刻应力范围组合工况。这些荷载变化可用图形表示。下图为该管系经历的各种操作范围草图。每一条横线代表一操作范围。每条横线末端注明界定范围的温度和压力。每条横线中间标注了各个范围的循环次数。

通过该操作范围草图,确定了四个疲劳荷载工况。工况 1:绝对极端范围:从 -20°F,0 psi 到 500°F,1830 psi。发生了 200 次。鉴于工况 1,指定范围的循环系数须减去 200。第一个范围(-20, 0 至 70, 0)减至零,对其它荷载工况不起作用。第二个范围(70, 0 至 500, 1800)循环次数减至 11,800 次。第三个和第四个范围循环次数均减至 199,800 次。

用同样的步骤可确定工况 2~4,每一步减去已考虑的循环次数。这个过程概括如下表。

阶段

-20, 0 至 70, 0

70, 0 至 500, 1800

500, 1700 至 500, 1800

500, 1800 至 500, 1830

工况

初始

200

12,000

200,000

200,000

工况 1 后

0

11,800

200,000

199,800

工况 2 后

0

0

200,000

188,000

工况 3 后

0

0

12,000

0

工况 4 后

0

0

0

0

依据上表,将下列荷载值之间的荷载工况定为循环工况:

  • -20°F, 0 psig 与 500°F, 1830 psig 之间(200 次)

  • 70°F, 0 psig 与 500°F, 1830 psig 之间(11,800 次)

  • 500°F, 1770 psig 与 500°F, 1830 psig 之间(188,000 次)

  • 500°F, 1770 psig 与 500°F, 1800 psig 之间(12,000 次)

相应地,输入上述温度和压力作为操作条件:

然后,输入材料的疲劳曲线数据。单击疲劳曲线(Fatigue Curves),出现材料疲劳曲线(Material Fatigue Curve)对话框。然后在对话框中输入材料的疲劳曲线。

对于 IGE/ TD/12,只需要输入疲劳类别 D、E、F、G 和 W 的五组疲劳曲线。

  1. 输入八组循环次数 - 应力(Cycle versus Stress)数据点,定义曲线。数据点之间以对数方式进行插值。

  2. 按升序形式成对输入循环次数/应力

  3. 输入的应力值为许用应力范围,而不是许用应力幅值。

SHARED Tip 用户也可点击从文件读取(Read from file),从文本文件读取疲劳曲线数据。软件将显示所有 \CAESAR\SYSTEM\*.FAT 文件列表。

下面是 CAESAR II 附带的疲劳曲线文件。用户也可创建其它的疲劳曲线文件。疲劳曲线文件的详细情况参见下面的附件 A:

  • 5-110-1A.FAT ASME 第八卷第 2 分篇图 5-110.1,UTS < 80 ksi

  • 5-110-1B.FAT ASME 第八卷第 2 分篇图 5-110.1,UTS = 115-130 ksi

  • 5-110-2A.FAT ASME 第八卷第 2 分篇图 5-110.2,曲线 A

  • 5-110-2B.FAT ASME 第八卷第 2 分篇图 5-110.2,曲线 B

  • 5-110-2C.FAT ASME 第八卷第 2 分篇图 5-110.2,曲线 C

在这种情况下,对于在 500°F 温度下工作的 A106B 低碳钢,5-110-1A.FAT 是合适的选择。对话框中将填充相应的疲劳曲线数据:

进行工作项进行错误检查,并设置荷载工况。

静态荷载工况编辑器提供了新的应力类型 FAT(疲劳分析)。选择 FAT 应力类型,并进行以下操作:

  1. 定义荷载工况的循环次数。把 FAT 应力类型拖到荷载工况中,或点击荷载循环(Load Cycles)按钮,打开荷载循环(Load Cycles)栏。

  2. 按相关规范的疲劳应力(Fatigue Stress)法计算应力范围。除 IGE/TD/12 规范外,均为应力强度。

  3. 比较计算应力范围与疲劳曲线中的取值。指定需纳入累积使用(Cumulative Usage)报告的荷载工况。

最后四种荷载工况即表示先前定义的成对荷载组。

运行该工作项后,由于 FAT 应力类型的存在,软件在可用报告列表中增加了累积使用(Cumulative Usage)报告。

选择单个荷载工况和应力报告,用户可查看各个荷载工况下疲劳应力范围与疲劳曲线许用值的比较。检查各荷载工况,确认所有应力均已通过。

但是,这不是真正的情况评价,因为工况不是独立起作用的。在预期设计寿命过程中,管道系统受到所有这些荷载工况的作用,而不是仅其中之一。因此必须检查累积使用(Cumulative Usage)报告,其给出了管系在设计寿命中所有疲劳荷载工况或用户定义组合的共同作用。该报告列出了每种荷载工况的预期循环次数、许用循环次数(依据计算应力)及占用比率(实际循环次数除以许用循环次数)。然后将所有选定荷载工况的占用比率进行求和。总和超过 1.0 说明系统超过疲劳承受能力。示例中,很显然系统最大累积使用比率为 0.87 在节点 115 处,这表明系统不会因为疲劳而失效: