壓力管道局部應(yīng)力分析

1、CAESAR II 局部應(yīng)力分析,AECSOFT北京艾思弗計算機軟件技術(shù)有限責(zé)任公司2010,2024/3/30,AECsoft,概述,局部應(yīng)力分析貫穿于整個管道應(yīng)力分析及壓力容器的設(shè)計分析工作當(dāng)中。理解局部應(yīng)力在管道及設(shè)備當(dāng)中的成因和影響，對分析設(shè)計工作至關(guān)重要。,2024/3/30,AECsoft,概述,Part Ⅰ局部應(yīng)力的應(yīng)用Part Ⅱ局部應(yīng)力計算方法,2024/3/30,AECsoft,一、局部應(yīng)力的應(yīng)用,管道專業(yè)

2、的應(yīng)用 壓力管道應(yīng)力分析采用的是梁單元有限元法來分析。但是大口徑薄壁管道的應(yīng)力分析比較特殊，其管道單元屬性已經(jīng)超過梁單元定義范圍，其既具備梁單元屬性也具備殼單元屬性，此類管道的柔性設(shè)計往往只能保證管道自身強度，對于一些管口、特殊彎頭、法蘭、變徑段、三通、管道支架……等局部失效無法進行更為精確的強度評定。此外這些管件在管道應(yīng)力分析中所使用的SIF也規(guī)范中的常規(guī)計算方法已不適用。因此我們需要采取其它手段（規(guī)范）來進行局部應(yīng)力校核。

3、（WRC107/297、有限元）,管道專業(yè)的應(yīng)用 設(shè)備專業(yè)的應(yīng)用,2024/3/30,AECsoft,設(shè)備專業(yè)的應(yīng)用,壓力容器在壓力、溫度、外部集中力、風(fēng)載、地震……等載荷作用下可能導(dǎo)致管口、支撐件與殼體局部連接處失效，這些問題常規(guī)分析方法往往已不適用，應(yīng)采用WRC107/297/PD5500或有限元法來進行局部應(yīng)力分析以確保局部連接處在設(shè)備運行時安全可靠。,2024/3/30,AECsoft,管道系統(tǒng)常見局部失效,2024/3/30

4、,AECsoft,管道系統(tǒng)常見局部失效,2024/3/30,AECsoft,管道系統(tǒng)常見局部失效,2024/3/30,AECsoft,壓力容器接管處引發(fā)的局部失效,2024/3/30,AECsoft,應(yīng)力增大系數(shù),應(yīng)力增大系數(shù)——Stress Intensification Factor，用于表示彎頭、三通等幾何變形不光滑（或幾何不連續(xù)）處的應(yīng)力增大現(xiàn)象，其值等于直管應(yīng)力與相同條件下彎頭、三通等管件的應(yīng)力之比，其值通常大于1：,2024

5、/3/30,AECsoft,應(yīng)力增大系數(shù),規(guī)范對應(yīng)力增大系數(shù)的考慮：B31.1B31.3,2024/3/30,AECsoft,應(yīng)力增大系數(shù),2024/3/30,AECsoft,彎頭的應(yīng)力增大系數(shù),2024/3/30,AECsoft,三通的應(yīng)力增大系數(shù),應(yīng)力增大系數(shù)的大小與管件的直徑、壁厚、是否補強、彎曲半徑等因素有關(guān)。,2024/3/30,AECsoft,管道系統(tǒng)中SIF的局限性,上述針對管道的應(yīng)力增大系數(shù)的研究均是以梁單元為模

6、型進行實驗得到的。換言之，上述SIF的計算公式及軟件的計算過程均針對D/t≤100，當(dāng)D/t＞100時，管道進入薄壁系列，其局部失穩(wěn)特性開始表現(xiàn)出來，此時再按照管道標準進行計算將引起誤差。因此，應(yīng)用于大直徑薄壁管、管道-設(shè)備連接點的局部應(yīng)力分析準則應(yīng)運而生。,2024/3/30,AECsoft,應(yīng)力增大系數(shù)的確定方法,確定應(yīng)力增大系數(shù)可采用疲勞試驗和數(shù)值分析兩種方法。其中疲勞試驗方法是確定應(yīng)力增大系數(shù)的直接方法，也是基本方法。數(shù)值分析方

7、法一般建立在現(xiàn)有疲勞試驗基礎(chǔ)之上。1、疲勞試驗法按照一系列不同應(yīng)力幅對直管和管件進行一系列疲勞試驗，并根據(jù)試驗結(jié)果，通過擬合得到直管和管件疲勞曲線表達式：式中 直管/管件中的循環(huán)應(yīng)力幅，等于破壞點的彎矩幅值除以直管的抗彎的抗彎截面模量； N ------ 達到破壞時的循環(huán)次數(shù)； C、n -------- 材料常數(shù)。,2024/3/30,AECsoft,2、

8、數(shù)值分析法 應(yīng)用計算機程序進行詳細的局部應(yīng)力分析確定應(yīng)力增大系數(shù)，有限元法是最為有效的一種方法。一般步驟如下：采用有限元法對特殊管件進行分析，得到應(yīng)力集中系數(shù)；應(yīng)力增大系數(shù)等于應(yīng)力集中系數(shù)的一半。應(yīng)力增大系數(shù)應(yīng)用的注意事項！ 根據(jù)GB 50316、ASME B31.1和ASME B31.3的規(guī)定，計算二次應(yīng)力時應(yīng)采用應(yīng)力增大系數(shù)。這是由于采用應(yīng)力增大系數(shù)的目的，是考慮局部應(yīng)力集中的影響，而局部應(yīng)力集中主要對

9、管件的疲勞破壞產(chǎn)生作用。因為局部的高應(yīng)力循環(huán)，將使材料產(chǎn)生裂紋并不斷擴展，最終導(dǎo)致破壞。校核二次應(yīng)力的目的正是為了防止疲勞破壞，因此在計算二次應(yīng)力時必須考慮應(yīng)力集中的影響，應(yīng)該采用應(yīng)力增大系數(shù)。另外，根據(jù)ASME B31.3的標準釋義，計算一次應(yīng)力可不考慮應(yīng)力增大系數(shù)。這主要是因為校核一次應(yīng)力是為了控制管道的整體破壞，局部的應(yīng)力集中對管道的整體破壞影響不大。另外一次應(yīng)力采用彈性分析方法，認為某一點達到屈服管道失效，已經(jīng)非常保守，如果在考

10、慮應(yīng)力集中的影響將導(dǎo)致過分保守。,2024/3/30,AECsoft,WRC107、297概述,WRC107及297——美國焊接研究委員會第107號公報及其增補297公報，給出了外載作用下殼體局部應(yīng)力的計算原則及其計算公式。CAESARII 內(nèi)置的WRC107/297分析模塊能夠完全按照公報的要求，自動進行局部應(yīng)力的計算，并能出具校核報告。需要注意的是，WRC107未考慮介質(zhì)內(nèi)壓的影響，在計算局部應(yīng)力時，對于實心附件，一般額外疊加殼體的

11、整體膜應(yīng)力PD/2t 。對于空心附件，還需要疊加由結(jié)構(gòu)不連續(xù)引發(fā)的附加應(yīng)力（K-1）PRm/2t。,2024/3/30,AECsoft,WRC107,適用范圍： 對球殼或柱殼形式的容器壁上實心附屬元件的局部應(yīng)力 附屬元件可以為圓筒形、方形、矩形,2024/3/30,AECsoft,WRC107,計算原理規(guī)范選擇附屬元件、接管與殼體連接處為分析對象，并在連接部位定義八個點，Au~Du為外表面點，Al~Dl為內(nèi)表面點（所有點

12、為殼體上的點），對該8個點進行應(yīng)力分類 – 應(yīng)力合成 – 應(yīng)力評定,2024/3/30,AECsoft,WRC107,作用在殼壁上附屬元件的外加基本載荷有： 壓力P、拉力T、剪切力V、沿殼體軸向的彎矩ML、沿殼體圓周方向作用的彎矩MC、作用在附屬元件上的扭矩MT。,2024/3/30,AECsoft,外載荷會首先在連接點造成一次局部膜應(yīng)力；彎矩可簡化為大小相等、方向相反的力偶，而這個力偶則會生成局部彎曲應(yīng)力；介質(zhì)壓力對

13、殼體產(chǎn)生一次總體膜應(yīng)力,WRC107,2024/3/30,AECsoft,僅由介質(zhì)壓力p所引起的薄膜應(yīng)力為一次總體薄膜應(yīng)力Pm；由外加載荷所引起的薄膜應(yīng)力的疊加為一次局部膜應(yīng)力PL；由外載荷所引起的彎曲應(yīng)力為二次應(yīng)力Q；如果連接處存在過渡圓弧，可能引起附加應(yīng)力（K-1）PRm/2t，如果進行疲勞分析，則應(yīng)帶入相關(guān)應(yīng)力集中系數(shù)，當(dāng)沒有參考值時，按照K=1.0計算（即不考慮）。附加應(yīng)力在WRC107當(dāng)中劃分為Q的一部分。,WRC107

14、,2024/3/30,AECsoft,校核準則：Pm<[σ]hPm+PL <1.5[σ]hPm+PL+Q<3[σ]h,WRC107,2024/3/30,AECsoft,WRC297,WRC297是WRC107的增補，與WRC107起到相互補充的作用；WRC107以球殼或柱殼上的圓形或方形實心體為基本力學(xué)模型，因而能夠計算附近有支座、接管作用下筒體的局部應(yīng)力，但是不能計算圓形空心附件（接管）的局部應(yīng)力WRC29

15、7則以球殼或柱殼上開孔的圓形空心元件作為基本力學(xué)模型，因此可以計算連接處筒體周圍的局部應(yīng)力（這一部分與WRC107基本相同），以及接管上的局部應(yīng)力。,2024/3/30,AECsoft,WRC297,與WRC107相同的，WRC297遵循 ASME Ⅷ-2中對應(yīng)力進行分類的原理，在外載荷及介質(zhì)壓力作用下，在局部四個點產(chǎn)生薄膜應(yīng)力、彎曲應(yīng)力、剪切應(yīng)力等。對于接管局部應(yīng)力的計算，由于不考慮接管和筒體連接處引發(fā)的應(yīng)力集中，因此不計算附加峰值應(yīng)

16、力。,2024/3/30,AECsoft,舉例,2024/3/30,AECsoft,輸入?yún)?shù),2024/3/30,AECsoft,輸入?yún)?shù)、計算,2024/3/30,AECsoft,查看報告,2024/3/30,AECsoft,局部應(yīng)力計算的局限性,盡管WRC107、297及其他類似文獻提供了局部應(yīng)力的算法，但是兩者并非萬能，他們存在一定的應(yīng)用局限性，在某些條件下計算結(jié)果與實際相差較大。,2024/3/30,AECsoft,WRC107

17、應(yīng)用范圍及限制條件,對于WRC107而言，其局限性包含以下一些方面：1.不能進行接管補強板的詳細分析，只能通過增大補強區(qū)域來進行近似計算2.不能計算非標準形式下的局部應(yīng)力（例如斜接管、非徑向接管等）3.不能計算設(shè)備頂部接管及偏移接管形式下的局部應(yīng)力,2024/3/30,AECsoft,WRC107應(yīng)用范圍及限制條件,4.僅計算連接處筒體內(nèi)外平面的八個點的局部應(yīng)力，不能考慮完整情況5.不能全面而精確的考慮介質(zhì)內(nèi)壓與外載荷的合成應(yīng)

18、力6.在球殼下，d/D小于1/3，但當(dāng)球殼平均直徑Dm與球殼壁厚T之比在20-55之間時，則可不用考慮d/D條件一般情況下筒體的d/D應(yīng)小于0.25，當(dāng)滿足特定條件時，其值可以提高至0.6,2024/3/30,AECsoft,WRC107應(yīng)用范圍及限制條件,2024/3/30,AECsoft,WRC107應(yīng)用范圍及限制條件,2024/3/30,AECsoft,WRC297應(yīng)用范圍及限制條件,WRC297繼承了WRC107的一些限制條

19、件，另外，當(dāng)連接區(qū)域的接管壁厚小于補強壁厚時，其局部應(yīng)力計算值可能過于保守d/t必須在20~100之間，除非超范圍后接管仍能按照剛性考慮（即梁單元），如能滿足后者，則任意比值均可D/T必須在20~2500之間d/T≥5d/D≤0.5（滿足D/T前提下），通常應(yīng)當(dāng)小于0.33,2024/3/30,AECsoft,WRC297應(yīng)用范圍及限制條件,接管必須為各向同性截面，對容器一側(cè)，計算范圍不超出

20、 ，對接管一側(cè)，計算范圍不超出 。 當(dāng)接管一側(cè)應(yīng)力水平超過2/3許用值時，建議核算容器應(yīng)力水平；107和297具有不同的計算結(jié)果；通常，107用于計算局部應(yīng)力 ；297通常用于計算柔性,2024/3/30,AECsoft,WRC297應(yīng)用條件,2024/3/30,AECsoft,小結(jié),WRC107、297為外載荷（不包括內(nèi)壓）作用下的

21、局部應(yīng)力計算提供了一個粗略的方法，但是其結(jié)果在一定范圍內(nèi)是準確的，超出了這個范圍，應(yīng)該使用有限元分析軟件進行求解。什么范圍可以使用WRC107/297？為什么？？,2024/3/30,AECsoft,三、有限元分析(NozzlePro/FEpipe),為了能夠表示出WRC107、297計算的誤差，使用有限元分析軟件(NozzlePro/FEpipe)來進行對比計算。有限元法嚴格按照理論分析方法，結(jié)合ASME Ⅷ-2中的應(yīng)力分類來對

22、特定結(jié)構(gòu)進行應(yīng)力計算，當(dāng)滿足理想化假設(shè)條件時，其結(jié)果與真實應(yīng)力十分接近，并且有限元分析法不受任何幾何條件的限制，計算精度與網(wǎng)格劃分的疏密程度相關(guān)。,2024/3/30,AECsoft,有限元分析(NozzlePro/FEpipe),結(jié)構(gòu)的局部區(qū)域由于存在應(yīng)力增大，其峰值應(yīng)力的精確度決定了局部應(yīng)力計算的精確度。根據(jù)應(yīng)力增大系數(shù)的定義，我們不妨通過求解WRC107、WRC297、有限元法下局部區(qū)域的應(yīng)力增大系數(shù)來進行比較。SIF=管件的局

23、部峰值應(yīng)力÷等效直管峰值應(yīng)力=(PL+Pb+Q+F) ÷(M/Z),2024/3/30,AECsoft,有限元分析(NozzlePro/FEpipe),圖線表示筒體軸向應(yīng)力增大系數(shù)曲線，當(dāng)d/D＜0.5時，WRC 107的應(yīng)力增大系數(shù)與實際接近，從整個d/D范圍上看，WRC297的結(jié)果更為保守（SIF更大），其值從2~15進行變化。,2024/3/30,AECsoft,有限元分析(NozzlePro/FEpipe),

24、在不同D/T、d/t數(shù)值下的軸向應(yīng)力增大系數(shù)對比曲線,2024/3/30,AECsoft,有限元分析(NozzlePro/FEpipe),圖線表示筒體平面內(nèi)彎曲應(yīng)力增大系數(shù)曲線，由數(shù)值上看，WRC107在d/D＜0.6范圍內(nèi)計算的局部應(yīng)力偏小，WRC297則在整個范圍內(nèi)應(yīng)力偏高,2024/3/30,AECsoft,有限元分析(NozzlePro/FEpipe),在不同D/T、d/t數(shù)值下平面內(nèi)彎曲應(yīng)力增大系數(shù)對比曲線,2024/3/30

25、,AECsoft,有限元分析(NozzlePro/FEpipe),圖線表示筒體平面外彎曲應(yīng)力增大系數(shù)曲線，由數(shù)值上看，WRC107在d/D＜0.7范圍內(nèi)計算的局部應(yīng)力與真實值接近，而WRC297則在整個范圍內(nèi)應(yīng)力偏高,2024/3/30,AECsoft,有限元分析(NozzlePro/FEpipe),在不同D/T、d/t數(shù)值下平面內(nèi)彎曲應(yīng)力增大系數(shù)對比曲線,2024/3/30,AECsoft,綜述,從上述對比曲線我們可以發(fā)現(xiàn)，在d/D＜

26、0.7范圍內(nèi)，對于任意D/T 還是d/t，WRC107計算得到的局部應(yīng)力值與真實值較為接近，而WRC297則在所有范圍偏高，且其趨勢隨d/D的增大而更為明顯。由此可知，當(dāng)使用WRC107及297進行局部應(yīng)力計算時，如果發(fā)現(xiàn)計算值占許用值比例較高時，很可能說明應(yīng)力增大系數(shù)偏高的情況，應(yīng)該考慮使用有限元法進行計算。,2024/3/30,AECsoft,相關(guān)有限元分析程序,FEP有限元系列軟件,2024/3/30,AECsoft,FEP有限元

27、系列軟件,嚴格按照ASME VIII-2應(yīng)力分類進行局部應(yīng)力分析及校核。,2024/3/30,AECsoft,FEP有限元系列軟件,板殼單元結(jié)構(gòu)局部應(yīng)力計算,2024/3/30,AECsoft,FEP有限元系列軟件,支撐件對薄壁管的局部應(yīng)力分析,2024/3/30,AECsoft,FEP有限元系列軟件,薄壁管（殼單元）模型的局部應(yīng)力分析,2024/3/30,AECsoft,四、ASME應(yīng)力分類,一次總體膜應(yīng)力：由內(nèi)壓或機械載荷引起，用

28、于描述設(shè)備整體為平衡外載荷所產(chǎn)生的應(yīng)力，在分析設(shè)計中其失效體現(xiàn)為所有截面應(yīng)力超出屈服極限,2024/3/30,AECsoft,ASME應(yīng)力分類,一次彎曲應(yīng)力：當(dāng)設(shè)備由于外載荷產(chǎn)生彎曲變形時，截面上引發(fā)一次彎曲應(yīng)力，其值通常與膜應(yīng)力疊加產(chǎn)生應(yīng)力重分布：,2024/3/30,AECsoft,ASME應(yīng)力分類,一次局部膜應(yīng)力：由內(nèi)壓或機械載荷（力或彎矩）引發(fā)，用于描述設(shè)備局部為平衡外載荷所產(chǎn)生的應(yīng)力，失效體現(xiàn)為局部截面應(yīng)力超出許用應(yīng)力值。

29、一次局部膜應(yīng)力與二次應(yīng)力相類似。,2024/3/30,AECsoft,ASME應(yīng)力分類,二次應(yīng)力：在材料不連續(xù)處，由于外載荷或同一結(jié)構(gòu)中不同區(qū)域溫差的影響，相連接的結(jié)構(gòu)、元件之間出現(xiàn)相互脫離的趨勢，為保證結(jié)構(gòu)的連接性所產(chǎn)生的應(yīng)力稱為二次應(yīng)力。由于外載荷及溫度也可能引發(fā)一次應(yīng)力分量，故二次應(yīng)力是總應(yīng)力扣除一次應(yīng)力及峰值附加應(yīng)力后的差值。二次應(yīng)力可以是總體的也可以是局部的。,2024/3/30,AECsoft,ASME應(yīng)力分類,一次局部膜

30、應(yīng)力與二次應(yīng)力的區(qū)別在于前者是局部的非自限性的，一旦失效不會恢復(fù)，而后者可以是總體的但自限性的，伴隨著外載荷的變化而變化。,2024/3/30,AECsoft,ASME應(yīng)力分類,峰值（附加）應(yīng)力：主要特征是局部的，自限性的，獨立于一次及二次應(yīng)力之外的特殊應(yīng)力。典型的發(fā)生于幾何不連續(xù)處，如設(shè)備開孔所引發(fā)的應(yīng)力集中、不光滑的過渡區(qū)域、結(jié)構(gòu)中的溫差均可產(chǎn)生峰值應(yīng)力,2024/3/30,AECsoft,ASME應(yīng)力的強度評定,規(guī)范中要求，對各

31、種應(yīng)力強度的評定均應(yīng)包含更危險成分，因此有一次加二次應(yīng)力強度評定，但不對單獨的二次應(yīng)力額外評定。按此思想，結(jié)合各類應(yīng)力的大小可以依次排列：,2024/3/30,AECsoft,ASME應(yīng)力的強度評定,S1：PmS2：PL （PL一般大于等于Pm）S3：PL+Pb（由于PL應(yīng)力水平更高，不取Pm）S4：PL+Pb+Q（考慮局部二次應(yīng)力的影響）S5： PL+Pb+Q+F（在S4基礎(chǔ)上考慮局部的峰值應(yīng)力影響）,2024/3/30,A

32、ECsoft,ASME應(yīng)力的強度評定,評定標準：S1≤λSm，對于一次總體膜應(yīng)力而言，λ=1.0，上式變化為S1≤kSm 其中λ描述了結(jié)構(gòu)在發(fā)生應(yīng)力重分布時承載能力提升的程度，1.0表示應(yīng)力不會重分布；k表示載荷組合系數(shù)，當(dāng)不存在偶然載荷（風(fēng)、地震）時取1.0；Sm表示設(shè)計許用應(yīng)力。,2024/3/30,AECsoft,ASME應(yīng)力的強度評定,S2 ≤1.5kSm一次局部膜應(yīng)力總體水平通常高于一次總體膜應(yīng)力，且一次局部膜應(yīng)力同時包含

33、一次及二次的效果，標準取保守系數(shù)1.5，但這個值并不唯一。K的取值同上，下略。,2024/3/30,AECsoft,ASME應(yīng)力的強度評定,S3 ≤1.5kSm一次局部（或一次整體）加一次彎曲能夠引發(fā)應(yīng)力重分布，故λ=1.5，即結(jié)構(gòu)存在承載能力提升的可能。,2024/3/30,AECsoft,ASME應(yīng)力的強度評定,S4 ≤ηnkSm：η表示安定載荷與彈性極限載荷的比值，其原理來自安定性條件S ≤2Sy，由于一次加二次應(yīng)力強度包含二

34、次效果Q，故任何情況下η=2.0，n表示安全系數(shù)，同S2，取1.5，故最終得到： S4 ≤3kSm,2024/3/30,AECsoft,ASME應(yīng)力的強度評定,S5 ≤SaSa表示由疲勞曲線確定的許用應(yīng)力值。S5表示峰值應(yīng)力強度，當(dāng)S1~S4均滿足的情況下，可以不考慮S5（相對于S4的增量F—應(yīng)力集中分量，僅在很小的區(qū)域內(nèi)起作用，盡管應(yīng)力水平很高，但不會對設(shè)備整體造成重大影響），當(dāng)結(jié)構(gòu)加載交變載荷時，應(yīng)進行疲勞分析，確定Sa，預(yù)測疲