应力分析理论基础-new

08-06-10

CAESAR II应力分析理论主讲人：金红伟 2008 jhw@http://doc.guandang.net

2013-7-30

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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。2013-7-30

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静态分析目的 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。

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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； – 管道地震分析-----防止管道地震力过大。2013-7-30

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绪论 3D 梁单元的特征 无限薄的杆。 描述的所有行为都是 根据端点的位移。

弯曲是粱单元的主要特征。

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绪 论 3D 梁单元的特征– 仅说明了总体的行为。 – 没有考虑局部的作用 (表面没有碰撞)。 – 忽略了二次影响。(使转角很小)

– 遵循Hook‘s 定律 F=K*x。

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载荷种类 Load Type

一次荷载Primary load 二次荷载Secondary load 偶然荷载Occational load

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一次荷载Primary load 该荷载伴随结构的变形而不消失

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二次荷载Secondary load 该荷载伴随结构的变形而消失。

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偶然荷载Occasional load 类似一次荷载，不持续发生，偶尔会发 生作用

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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 - 2013-7-30

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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 )= Z (抗弯截面模量);使用 M/Z2013-7-30

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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, Lamé来计算。2013-7-30

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由于压力生的径向应力 垂直于表面。 内表面应力为 -P。 外表面应力通常为 0。 由于最大的弯曲应力发生在外表面，所以这一项被忽略。

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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/2Z2013-7-30

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“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。2013-7-30