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大煙道管道的應力計算

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發表于 2016-12-7 11:04:46 | 只看該作者 回帖獎勵 |倒序瀏覽 |閱讀模式
中鋼設計院(512119954) 8:52:37
還是上次的問題,優易可以計算大煙道管道的應力計算嗎
技術支持部經理陳百煉(75988405) 2016/12/7 9:04:59
你提出的煙氣管道,在AutoPSA支持的規范內,可以進行應力計算?梢灾苯邮褂肁utoPSA建立管道計算模型,或從AutoPDMS、AutoPDS導出教據到AutoPSA進行應力分析。
這是張博士的回答
中鋼設計院2016/12/7 9:03:09
是的,但是上次跟您說的,這個不是屬于薄壁管嘛,用優易不知計算還精確不

AutoPSA張博士11:02:59
@中鋼設計院 AutoPSA采用梁單元計算管道載荷、位移和應力應變,只要管道比較細長,即高跨比一般應小于1/5,就可以比較準確地計算出來。而且AutoPSA采用鐵木辛克(Timoshenko)梁單元,允許橫向剪切變形,可以計算高跨比大于1/5的梁。目前AutoPSA只能計算圓形管道,以后可能加入其他形狀管道計算能力。計算時要保證管道不能局部失去穩定,即要加固肋和內撐桿加強管道剛度,不要癟了。
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發表于 2016-12-7 12:14:00 | 只看該作者
AutoPSA和CAESARII使用梁單元計算管道單元載荷和應力、應變,因此只要煙風道管道布置符合梁單元假定就可以使用AutoPSA或CAESARII計算載荷或應力。梁單元要求管道比較細長,可以簡化為一根線處理,即梁的高跨比要小于1/5,而與梁的外徑壁厚比關系不大。
雖然從理論上說AutoPSA或CAESARII可以計算煙風道等薄壁管道載荷與應力,但由于一般在煙風道薄壁管表面沿著周向加設扁鋼環形加固肋,沿表面軸向加設扁鋼或角鋼、槽鋼等縱向加固肋,甚至大口徑管內部還加設了鋼管或角鋼構成的內撐桿,以增大薄壁管剛度,防止管道失去穩定,這些加固肋或內撐桿改變了管截面的剛度和均布載荷,必須考慮這些因素,才能準確計算管道應力。因此,可能要增強管道設計軟件AutoPDMS10或AutoPD9或者管道應力分析軟件AutoPSA處理這些截面因素的能力,才能比較精確地計算煙風道載荷和應力。如果不考慮這些因素,僅僅把這些加固肋或內撐桿當作附加載荷,也可以計算,但誤差可能大一些。
壓力載荷作用下的管道斷面軸向應力和徑向、周向應力計算公式,是按材料力學理論從圓形厚壁管道在內壓和外壓作用下推導出來的(詳見參考文獻2,3,帖子在http://uesoft.com/forum.php?mod= ... 5006&extra=page%3D2)。因此,該公式適合厚壁管和薄壁管。ASME B31.1使用了Pi*D/4/tn作為管道截面軸向應力公式,這是從拉美公式簡化來的,精確的描述圓管截面軸向應力的拉美公式如下:
sigma=(pi*Ri*Ri-po*Ro*Ro)/(Ro*Ro-Ri*Ri)------(1)
式中,
Ro,外半徑
Ri,內半徑
設壁厚為s,外徑為Do,內徑為Di,壁厚外徑比為a,半徑外內比為K,則
Ro=Do/2-----(2)
Ri=Di/2-----(2.1)
Ri=Ro-s-----(3)
K=Ro/Ri-----(4)
a=s/Do------(5)
在(1)式右端分子分母同除以Ri^2,得:
sigma=(pi-po*(Ro/Ri)^2)/((Ro/Ri)^2-1)----(6)
式(4)代入(6)得:
sigma=(pi-po*K^2)/(K^2-1)----------------(7)
聯立(2)、(3)、(4)、(5)構成方程組,解得:
K=1/(1-2*a)------------------------------(8)
以(8)代入(7),化簡,得:
sigma=(pi*(1-2*a)^2-po)/(4*a*(1-a))------(9)
在(1)式右端分子分母同乘以4,并以(2)(2.1)式代入,化簡,得:
sigma=(pi*Di^2-po*Do^2)/(Do^2-Di^2)------(10)

sigma=(pi*Di^2-po*Do^2)/(4*s*(Do-s))-----(11)

sigma=(pi*(1-2*a)^2-po)*Do/(4*s)/(1-a)---(12)
假定外壓力po=0,
則式(10)為:
sigma=pi*Di^2/(Do^2-Di^2)-------------(13)
式(12)為:
sigma=pi*Do/(4*s)*(1-2*a)^2/(1-a)--------(14)
當壁厚外徑比a=s/Do<=0.01時,式(14)可簡化為:
sigma=pi*Do/(4*s)------------------------(15)
式(15)正是美國壓力管道規范ASME B31.1-2001版《POWER PIPING》102.3.2(D)節縱向內壓應力第1個公式,也是其104.8.2節式(12A)左邊第一項,可見這是一個近似公式,其值比精確公式大,誤差為e=1-(1-2*a)^2/(1-a)=1-(1-2a)*(1-a-a)/(1-a)=1-(1-2a)*(1-a/(1-a))~=1-(1-2a)*(1-a*(1+a))=1-(1-2a)(1-a-a*a)~=3*a,約大了3%。
美國壓力管道規范ASME B31.1-2001版《POWER PIPING》102.3.2(D)節縱向內壓應力第2個公式或國內電力行業標準DL/T5366-2006《火力發電廠汽水管道應力計算技術規定》8.3節公式(8.3.1)左邊第一項正好是式(13),其值是精確的。
顯然,煙道管直徑很大,一般屬于薄壁管,完全滿足壁厚外徑比<=0.01條件,可以使用AutoPSA或caesarii計算管道載荷及其應力。但要保證煙風道在內撐桿和加固肋作用下保持管斷面圓形形狀,不要癟了。
對于煙風道,內外壓力基本接近于大氣壓,設pi~=po=0.1 MPa,則式(10)可化簡為
sigma=(po*Di^2-po*Do^2)/(Do^2-Di^2)=-po,
可見煙風道管道截面軸向應力為常數,其數值與大氣壓相等,符號相反。
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發表于 2016-12-7 15:51:11 | 只看該作者
1. 梁理論介紹
       應用梁單元之前,首先應當看考察問題是否適合用梁單元建模。梁理論是一維近似三維,近似的前提是細長比假定,即梁的截面尺寸相比于梁軸線方向的典型尺寸足夠小,所謂典型尺寸是一種整體尺寸,而非單元長度。如支座間的距離、發生顯著改變的梁截面間的距離等。
       梁單元是三維或二維空間中的一維線單元,具有一定的抵抗線(梁軸線)變形的剛度。這種變形包含軸向變形、彎曲變形,發生于梁軸線與橫截面間的橫向剪切變形,空間中還包含扭轉變形。ABAQUS/Standard中的部分梁單元還包含翹曲變形(發生在梁橫截面上的不均勻的水平面變形)。梁單元的優勢在于幾何結構簡單,并且自由度較少。它以“參考線”(梁軸線)的運動代替實際上的三維實體梁的運動,這種幾何上簡化的前提是假定梁的全部變形可以僅僅從“參考線”(梁軸線)位置的函數得到。應用梁單元的關鍵在于判斷這種一維建模方法是否合適。
       基本假定是垂直于梁軸線的平面,即梁截面不能在其自身平面內變形(除了梁截面面積的不斷變化,這可能發生在幾何非線性分析中,并且梁截面上各個方向具有相同的應變)。使用任何梁單元前都應仔細考察此假定是否成立,尤其是分析承受大量彎矩或軸向拉、壓荷載的非實體截面,比如管道、I形及U形截面。這些截面可能發生崩潰(section collapse),使截面性能變的很差,不能被梁理論預測。類似地,薄壁彎曲管道的抗彎性能更弱,也不能被梁理論預測,因為管壁很容易在自身平面內彎曲,這是由于上述基本假定導致的梁理論所不能考慮的另一種效應。
       在動力學分析和特征值分析中,對于細長梁結構,通常梁橫截面的轉動慣量影響并不顯著(繞梁軸線的扭轉除外)。因此,ABAQUS/Standard忽略了歐拉-伯努力(Euler-Bernoulli)梁元彎曲變形時梁截面的轉動慣量。對于較厚的梁,轉動慣量對動力分析有一定影響,但影響程度要比剪切變形小。
       對于鐵木辛克(Timoshenko)梁單元,程序通過橫截面的幾何特性計算慣性特性,與扭轉模態和彎曲模態相關的轉動慣量是不同的。對于非對稱橫截面,轉動慣量在各個彎曲方向也不相同。ABAQUS允許用戶選擇鐵木辛克梁元的轉動慣量公式,如果選擇近似的各向同性公式,在ABAQUS/Standard中,所有的轉動自由度都被賦予和扭轉模態關聯的轉動慣量,而在ABAQUS/Explicit中,則被賦予放大了的彎曲慣量,通過放大系數的選擇使穩定時間增量最大化;梁橫截面的質量中心位于節點處。當采用精確的各向異性公式時,彎曲和扭轉對應的轉動慣量是不同的,而且當梁截面的質量中心不在節點處時,在梁截面定義中包含平動自由度和轉動自由度的耦合。使用精確的轉動慣量公式(默認)時,可以定義附加質量和附加轉動慣量,它們僅影響梁的慣性反應,不增加結構的剛度。
2. 梁單元的選擇
       ABAQUS中的梁單元分為歐拉-伯努力梁元和鐵木辛克梁元兩類,支持實心截面、薄壁閉口截面、薄壁開口截面。
       ABAQUS/Standard中的梁單元包括:
       l 平面及空間的歐拉-伯努力(細長)梁; ·
       l 平面及空間的鐵木辛克(剪切變形)梁; ·
       l 線性、二次、三次插值公式; ·
       l 翹曲(開口截面)梁; ·
       l 管單元;
       l 雜交梁,通常用于具有明顯轉動的非常剛硬的梁;
       ABAQUS/Explicit中的梁單元包括:
       l 平面及空間的鐵木辛克(剪切柔性)梁; ·
       l 線性及二次插值公式;
       (1) 歐拉-伯努利梁
        歐拉-伯努力梁元(B23, B23H, B33, B33H)僅在ABAQUS/Standard中提供。不允許橫向剪切變形;初始垂直于梁軸線的平截面變形后依然保持平面(如果沒有翹曲),并垂直于梁軸線。只能用于模擬細長梁:梁截面尺寸相比于梁軸線方向的典型尺寸,即長細比較小。對于由均一材料構成的梁,只有當典型梁截面尺寸小于梁軸線方向典型尺寸的1/15時,橫向剪切變形才可以忽略。單元不包含由壓力產生的荷載剛度。
       (2) 鐵木辛克梁
       鐵木辛克梁(B21, B22, B31. B32, B31OS, B32OS, PIPE21, PIPE22, PIPE31, PIPE32及對應的雜交單元)允許橫向剪切變形。既可分析厚梁,又可細長梁。對于由均一材料構成的梁,對于截面尺寸達到軸向典型尺寸或對于結構反應有顯著貢獻的最高階振動波長的1/8的梁,剪切變形梁理論能夠提供有用的結果。在這個比例以外,如果還僅僅用梁軸線位置的函數來描述構件的行為,將得不到足夠準確的結果。
       ABAQUS假定鐵木辛克梁的橫向剪切變形是線彈性的,具有固定的模量,因此獨立于梁截面的軸向拉、壓和彎曲反應。
       對于大部分梁截面,ABAQUS會自動計算橫向剪切剛度,用戶也可以自定義。如果程序不能從輸入部分得到剪切模量值,將無法計算缺省的剪切剛度,比如使用子程序(UMAT, UHYPEL, UHYPER, VUMAT)定義材料的情況。對于這些情況,用戶必須自己定義剪切剛度值。
       鐵木辛克梁元可以承受很大的軸向變形,并假定由扭轉引起的軸向應變很小。在拉(壓)-扭組合荷載下,只有當軸向應變不太大的時候,才能精確計算扭轉引起的剪應變。關于剪切剛度的計算可參考幫助文檔。
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5#
發表于 2016-12-7 20:32:46 | 只看該作者
本帖最后由 api2004 于 2016-12-7 20:46 編輯

看了您的帖子,覺得說的很詳盡確切,很是收益。
您提出的“梁單元只是要求比較管道細長,可以簡化為一根線處理,因此要求梁的高跨比要小于1/5,而與梁的外徑壁厚比關系不大”很正確,看來外徑壁厚比只與應力有關,如果用戶只關心位移和載荷,應該可以使用AutoPSA。
AutoPSA采用的梁單元允許橫向剪切變形,可以計算高跨比大于1/5的梁。但是如你提到的“但要保證煙風道在內撐桿和加固肋作用下保持管斷面圓形形狀,不要癟了”,大口徑薄壁管可能局部失穩,采用梁單元沒法模擬出來。
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6#
發表于 2016-12-11 08:32:12 來自手機 | 只看該作者
優易軟件公司用戶群1(QQ群號:39379062)群成員"破曉"在群提出問題:
問您一個問題,您上次說煙道也能用軟件算應力支吊架么,我沒太看懂,是要求管道很細吧,1/5是指哪個?意思是支吊架間距要大于比管子直徑五倍以上,就可以使用吧?那么彎頭受到的應力超標與否也能算,還有彈簧支吊架?算時候把里面流質的密度設置小點可以了,如果算滿流應該是考慮最不利時候了。其實直管段、風道、煙道、汽水管道應該性質都是一樣的,因為膨脹系數類似,可是因為有不同的彎頭、三通,所以才差異大了起來。如果煙風道用熱壓管件,應該結果完全了行吧? 我們一般采用自然補償方式設計汽水管道,麻煩的是蒸汽吹灰管道,一般和吹灰器連接的地方做補償軟管,可現場采購時經常說買不到。
uesoft回復道:
你理解是正確的。1/5是指梁的高度跨度比上限。這只是簡單表示,其實這個指標1/5還與截面剛度等綜合因素有關?偟脑瓌t就是,采用管道應力計算程序計算管道,要滿足梁單元條件。所謂梁就是沿著高度方向而垂直于管道軸線方向的截面形狀基本不變,橫向且平行于管道軸線方向的截面形狀沿著跨度(即管道軸線)方向發生小的彎曲變形,否則就是板或殼。目前AutoPSA已經內置了熱壓彎頭、焊接彎頭、焊接三通、熱壓三通、大小頭、直管道等圓形截面單元的計算方法,因此可以計算送粉管道、不帶加固肋或內撐桿的圓管道。但是AutoPSA計算送粉管道時假定介質是均勻的,沒有考慮送粉管道內粉顆粒不均勻分布的情況,計算結果可能與實際受力有一些偏差。如果缺少送粉管道焊接彎頭元件庫,除了如你所說采用熱壓彎頭代替,這樣采購成本較高,也可以直接在AutoPSA設置焊接彎頭半徑,但這樣沒法利用管道設計軟件AutoPD或三維工廠設計軟件AutoPDMS來簡化設計過程,也可以和我們合作開發送粉管道或煙風道元件庫,或者直接購買autopdms10提出要求,也許可以提供送粉管道或煙風道元件庫。我沒仔細關注蒸汽吹灰器布置,是否可以在吹灰器與鍋爐壁連接處固定,而在鍋爐外部滑動或自然補償?也許布置比較困難,可以和uksoft一起合作使用AutoPDMS10看如何優化布置吹灰器,如果采用自然補償能滿足優化要求,那是最好了。
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長沙優易軟件開發有限公司(中文簡稱:優易軟件,英文簡稱:UESOFT)是三維管道CAD/CAE一體化設計軟件開發商,也是新一代三維工廠設計管理系統的開創者。公司開發的自主知識產權的管道應力分析軟件AutoPSA居于中國大陸市場前2名。UESOFT于2000年10月23日經湖南省長沙市工商行政管理局核準登記設立。

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