压力管道应力分析理论.ppt

前言 我们为什么要进行管道应力分析? 我们需要做什么？ 我们如何模拟一个管道系统？ 我们如何来分析计算的结果？ 我们为什么要进行管道应力分析? 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。 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连的机器、设备以及土建结构的安全。 什么情况下需要对管道进行力学分析？ 1.管径大于75mm的管道 2.与转动、往复设备连接的管道（泵、压缩机 等） 3.与空冷器、汽轮机、换热器相连的管道 4.温度高于300°C的所有尺寸管线 5.管径大于150mm，设计温度高于175°C的焊接管线 6.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 7.大直径薄壁管（450mm以上），或直径与壁厚比超过90的管线 8.使用特殊补偿的管线（使用膨胀节） 9.埋地管线 10.夹套管线 11.位于关键区域的管线 12.超压保护管线（安全阀） 13.压力骤增管线（水锤、气锤） 14.等等… 管道应力分析的分类 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。 静态分析 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。 动态分析 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。 分析之前我们需要做什么？ 1.确认需要计算的管线； 2.选用正确的校核规范，确认校核工况（载荷）； 3.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）。 应力的概念 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。 力学模型——3D梁单元 管道模型最终能够简化为纯力学模型 主要的变形特征为弯曲 力学模型——3D梁单元 主要的变形特征为弯曲 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 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… 3D梁单元的力学假设 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； 3D梁单元的力学假设 梁单元上纯弯曲的概念： 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） 如果不使用纯弯曲假设，则上式不一定适用。 3D梁单元示例 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： 如何评定管道的应力？ 通过节点分析； 管道截面上存在3向主应力： 轴向 环向 径向 基本应力分类 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）； 环向应力： PD/2t； 径向应力：0（在外表面上不存在）； 剪切应力：T/2Z（在主应力截面上，剪切应力为0） 应力状态的简化 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（即忽略下图中的σR）； 载荷的转化 应力乘以单位面积=载荷 静态下，任意截面上均应保持静力平衡； 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； 摩尔应力圆 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： 主应力及最大剪