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文檔簡介
CAESARII_管道應力分析_理論2024/3/28CAESARII管道應力分析理論緒論3D梁單元的特征僅說明了總體的行為。沒有考慮局部的作用(表面沒有碰撞)。忽略了二次影響。(使轉角很小)遵循Hook’s定律。CAESARII管道應力分析理論基本應力 使用局部坐標系可以將管系應力(以及產(chǎn)生這些應力的載荷)theloadsthatcausethem)分為下面幾種:縱向應力-SL環(huán)向應力-SH徑向應力-SR剪切應力-
CAESARII管道應力分析理論縱向應力分量沿著管子的軸向。軸向力軸向力除以面積(F/A)壓力Pd/4torP*di/(do2-di2)彎曲力矩Mc/I最大應力發(fā)生在圓周的最外面。I/半徑
Z(抗彎截面系數(shù));使用M/ZCAESARII管道應力分析理論由于壓力產(chǎn)生的環(huán)向應力垂直于半徑(圓周)Pd/2t再一次用薄壁的近似值。環(huán)向應力很重要,盡管它不是“綜合應力”的一部分。環(huán)向應力根據(jù)直徑、操作溫度下的許用應力、腐蝕余量,加工偏差和壓力用來定義管子的壁厚。根據(jù)Barlow,Boardman,Lamé來計算。CAESARII管道應力分析理論由于壓力產(chǎn)生的徑向應力垂直于表面。內表面應力為-P。外表面應力通常為0。由于最大的彎曲應力發(fā)生在外表面,所以這一項被忽略。CAESARII管道應力分析理論剪切應力平面內垂直于半徑。剪切力這個載荷在外表面最小,因此在管系應力計算中省略了這一項。在支撐處要求局部考慮。扭矩最大的應力發(fā)生在外表面。MT/2ZCAESARII管道應力分析理論“綜合應力”中的基本應力評價3-D應力S=F/A+Pd/4t+M/Z軸向、環(huán)向壓力和縱向彎曲所產(chǎn)生的應力之和。根據(jù)規(guī)范和載荷工況的不同上式將發(fā)生變化。CAESARII管道應力分析理論Basisfor“CodeStressEquations”失效理論變形能或八面體剪切應力(根據(jù)米賽斯理論和其它的理論)。最大剪應力理論(Columb理論)
。大多數(shù)理論都根據(jù)這個理論。由于剪切影響而限制最大主應力(Rankine理論)。CAESARII132列輸出應力報告中顯示了米賽斯或最大剪應力強度理論。應力報告由configuration設置來決定。CAESARII管道應力分析理論規(guī)范要求的載荷工況規(guī)范要求使用兩個主要失效方式的失效理論。一次失效。二次失效。(第三種失效方式是偶然失效,它與一次失效相似。)CAESARII管道應力分析理論規(guī)范要求的載荷工況一次失效情況力所引起。非自限性。重量、壓力和集中力所產(chǎn)生。CAESARII管道應力分析理論規(guī)范要求的載荷工況二次失效情況位移所引起。自限性。溫度、位移和其它變化載荷——例如,重力。CAESARII管道應力分析理論規(guī)范要求的載荷工況(1)=W+T1+P1(OPE)(2)=W+P1(SUS)(3)=DS1-DS2(EXP)操作工況,用于:約束&設備載荷最大位移計算EXP工況持續(xù)工況,用于一次載荷下規(guī)范應力的計算。膨脹工況,用于“extremedisplacementstressrange”工況3的位移是從工況1的位移減去工況2的位移而得到。CAESARII管道應力分析理論規(guī)范要求的載荷工況膨脹工況說明Whatdoes“DS1-DS2(EXP)”mean?Isaloadcasewith“T1(EXP)thesamething?CAESARII管道應力分析理論規(guī)范要求的載荷工況膨脹工況說明Thecodestatesthattheexpansionstressesaretobecomputedfromthe"extremedisplacementstressrange".Theseareallveryimportantwords.Considertheirmeaning…EXTREME:Inthissenseitmeansthemost,orthelargest.RANGE:Typicallyadifference.Whatdifference?Thedifferencebetweentheextremes.Whatextremes?DISPLACEMENT:Thisdefineswhatextremestotakethedifferenceof.STRESS:Whatweareeventuallyafter.CAESARII管道應力分析理論規(guī)范要求的載荷工況膨脹工況說明Puttingeverythingbacktogether,wearetoldtocomputestressesfromtheextremedisplacementrange.Howcanwedothis?Considertheequationbeingsolved;[K]{x}={f}.Inthisequation,weknow[K]and{f},andwearesolvingfor{x},thedisplacementvector.InCAESARII,whenwesetupanexpansioncase,wedefineitas"DS1-DS2",wherethe"1"and"2"refertothedisplacementvector({x})ofloadcases1and2respectively.CAESARII管道應力分析理論規(guī)范要求的載荷工況膨脹工況說明(Obviouslytheloadcasenumbersaresubjecttochangeonajobbyjobbasis.)Whatdoyougetwhenyoutake"DS1-DS2"?Well{x1}-{x2}yields{x'},apseudodisplacementvector.{x'}isnotarealsetofdisplacementsthatyoucangooutandmeasurewitharuler,ratheritisthedifferencebetweentwopositionsofthepipe.Oncewehave{x'},wecanusethesameroutinesusedintheOPEorSUScasestocomputeelementforces,andfinallyelementstresses.CAESARII管道應力分析理論規(guī)范要求的載荷工況膨脹工況說明However,theseelementforcesarealsopseudoforces,i.ethedifferenceinforcesbetweentwopositionsofthepipe.Similarly,thestressescomputedarenotrealstresses,butstressdifferences.Thisisexactlywhatthecodewants,thestressdifference,whichwascomputedfromadisplacementrange.Astowhetherornotthisstressdifferenceistheextreme,wellthatdependsonthejob.CAESARII管道應力分析理論規(guī)范要求的載荷工況膨脹工況說明Considerthequestionagain;"IsDS1-DS2thesameasaloadcasewithjustT1?".Theanswertothisismaybe.Ifyouhavealinearsystem(fromaboundaryconditionpointofview),thentheanswerisyes.Youwillgetexactlythesameresults.However,ifthesystemisnon-linear(i.e.youhave+Ys,orgaps,orfriction),thentheanswerisno.Youwillgetdifferentresults-howdifferentdependsonthejob.Thereasonforthiscanbefoundbyexaminingtheequation[K]{x}={f}forthetwodifferentmethods.CAESARII管道應力分析理論規(guī)范要求的載荷工況膨脹工況說明Forthisdiscussion,rearrangetheequationto{x}={f}/[K],whereweknowwedon'treallydivideby[K],wemultiplybyitsinverse.OPE:{xope}={fope}/[Kope]={W+T1+P1}/[Kope]SUS:{xsus}={fsus}/[Ksus]={W+P1}/[Ksus]EXP:{xexp}={xope}-{xsus}={W+T1+P1}/[Kope] -{W+P1}/[Ksus]Canwesimplifytheaboveequationasfollows? EXP:{xexp}={W+T1+P1}/[K]-{W+P1}/[K}CAESARII管道應力分析理論規(guī)范要求的載荷工況膨脹工況說明Canwesimplifytheaboveequationasfollows? EXP:{xexp}={W+T1+P1}/[K]-{W+P1}/[K]Cancelingliketerms(theonesinred)yields: {xexp}={T1}/[K]Theassumptionhereisthat[Kope]isthesameas[Ksus].Thisassumptionisonlytrueforlinearsystems.Fornon-linearsystems,thestiffnessmatrixisuniqueforeachloadcaseandtheabovecancellationofloadingtermsisincorrect.Yougetthewrongstressresultsfortheexpansioncaseifyousetuploadcasesthisway.CAESARII管道應力分析理論規(guī)范要求的載荷工況膨脹工況說明Anotherproofthatthe"DS1-DS2"methodisthecorrectwaytogoistoconsiderajobwithtwooperatingtemperatures,oneaboveambientandonebelowambient.SayT1=+300,andT2=-50.CAESARIIwouldsetuploadcasesasfollows:(1)W+T1+P1(OPE)(2)W+T2+P1(OPE)(3)W+P1(SUS)(4)DS1-DS3(EXP)(5)DS2-DS3(EXP)CAESARII管道應力分析理論規(guī)范要求的載荷工況膨脹工況說明Thesecases,whilecorrect,don'taddressthe"extreme"termofthecoderequirements.ThisisbecauseCAESARIIisn'tlookingatwhattheloadcomponentsrepresent.Tosatisfytherequirementsofthecode,theusermustdefineanadditionalloadcase:(6)DS1-DS2(EXP)Thisloadcasewillbethe"extreme",thatwilltypicallygoverntheEXPstresscriteria.Youcan'tdothisatallusingthe"T1"onlymethod.CAESARII管道應力分析理論規(guī)范要求的載荷工況膨脹工況說明Tosummarize:Wetakethedifferencebetweentwoloadcasestodetermineadisplacementrange.Fromthisrangewecomputeaforcerangeandthenastressrange.Thecoderequirestheextremedisplacementstressrange.Theuseronlyhastoworryaboutwhetherornotthe"extreme"casehasbeenaddressed.CAESARII管道應力分析理論線性vs非線性這個術語指的是邊界條件。方程重新被求解:[K]{x}={f}這是彈簧方程。管系邊界條件(例如,約束)指的是剛度或彈簧??梢远x更復雜的邊界條件,此時“線性彈簧”的假設將不適用。CAESARII管道應力分析理論線性Vs非線性線性邊界條件的一個實例是雙向約束,例如:“Y”向支撐。線性邊界條件的另一個實例是彈簧支吊架。這些約束中力與位移的關系曲線是一條直線。所以這些約束是線性的。直線的斜率為剛度。CAESARII管道應力分析理論線性Vs非線性“+Y”支撐是非線性支撐。力與位移的關系曲線不是一直線。剛度僅存在于負位移方向。對于正位移,剛度是零。CAESARII管道應力分析理論線性Vs非線性“間隙”也是一個非線性支撐。力與位移的關系曲線不是一直線。間隙中沒有剛度。CAESARII管道應力分析理論LinearvsNon-Linear摩擦使約束成為非線性。大的旋轉桿也是非線性約束。文件中的非線性約束意味著[Kope]不等于[Ksus]。使用兩個其它載荷工況之間的差值來建立(EXP)和(OCC)載荷工況來說明非線性約束。CAESARII管道應力分析理論OccasionalLoadCaseSetupOccasionalloadsareconsidered“primary”,sincetheyareforcedriven.Occasionalloadsoccurinfrequently.Thecodesemployan“allowableincrease”factorbasedonthefrequencyofoccurrenceinthedeterminationoftheallowable,i.e.k*Sh.Examplesofoccasionalloadsarewindandearthquake.CAESARII管道應力分析理論OccasionalLoadCaseSetupThecodeequationfortheOCCasionalloadcaseis:
MA/Z+MB/Z<kShHere,MAisthemomenttermfromtheSUStainedloads,andMBisthemomentfromtheOCCasionalloads.ThisequationstatesthattheOCCasionalcaseisthesumoftheSUStainedstressesandtheOCCasionalstresses.Sowecan’trunaloadcasewithjusta“WIND”loadandsatisfythiscoderequirement.Whatabout“W+P1+WIND”asaloadcase?CAESARII管道應力分析理論OccasionalLoadCaseSetupThe“W+P1+WIND”casewillworkfor“l(fā)inear”systemsonly.For“non-linear”systems,thisisnotsufficient,forthesamereason“T1”isnotsufficientfortheEXPansionloadcase.ThebestwaytosetupOCCasionalloadcasesis:(1)W+P1+T1(OPE)(2)W+P1+T1+WIND(OPE)(3)W+P1(SUS)(4)DS1-DS3(EXP)(5)DS2-DS1(OPE)(6)ST5+ST3(OCC)CAESARII管道應力分析理論OccasionalLoadCaseSetup(1)W+P1+T1(OPE)(2)W+P1+T1+WIND(OPE)(3)W+P1(SUS)(4)DS1-DS3(EXP)(5)DS2-DS1(OPE)(6)ST5+ST3(OCC)ThisisthenormalOPEratingcaseThisisacombinedOPEratingcasewhichincludestheOCCloadsThisisthestandardSUStainedcaseThisisthestandardEXPansioncaseThisdifferenceyieldstheeffectsoftheOCCasionalloadonthesystem.Thisisnotacodecase,onlyaconstructioncase,therefore(OPE).Thishandlesnon-linearities.ThisisourOCCasionalcodecompliancecase,stressesfromPrimaryplusOccasionalloads.CAESARII管道應力分析理論LoadCaseGeneration&MaintenanceCAESARIIwillrecommendloadcasesfor“new”jobs.By“new”jobs,wemeanjobsthatdonothavea“._J”file.For“old”jobs,havinga“._J”file,CAESARIIreadsinthedefinedloadcasesandpresentsthemtotheuser.Theloadcaseeditingscreenisshownattheright.CAESARII管道應力分析理論LoadCaseGeneration&MaintenanceCAESARIIwillrecommendloadcasesfor“new”jobs.By“new”jobs,wemeanjobsthatdonothavea“._J”file.For“old”jobs,havinga“._J”file,CAESARIIreadsinthedefinedloadcasesandpresentsthemtotheuser.Theloadcaseeditingscreenisshownattheright.CAESARII管道應力分析理論LoadCaseGeneration&MaintenanceOnthisdialog,availableloadtypesarelistedintheupperleftlistbox.Availableloadcasetypesarelistedinthelowerleftlistbox.Loadcases(recommendedorpreviouslydefined)areshowninthegridattheright.Recommendedloadcasescanalwaysbeobtainedbyclickingonthe[Recommend]button.Theanalysiscommencesbyclickingon“therunningman”.CAESARII管道應力分析理論LoadCaseGeneration&MaintenanceSayfora“new”job,theloadcasesattherightarerecommended.Sayyouacceptandruntheseloadcases.Uponreviewingtheoutputyoudiscoverthatpre-defineddisplacementsatnode5wereomitted.Youreturntoinput,addthedisplacements,andstarttheStaticAnalysisprocessoragain.CAESARII管道應力分析理論LoadCaseGeneration&MaintenanceCAESARIIreadstheseexistingloadcasesandpresentsthem.Whatwillyourresultsbeifyouruntheseloadcases?Exactlythesameasbefore,becausetheseloadcasesdon’tincludethepredefineddisplacements.Youmustmanuallyadd“D1”totheOPEloadcase,oraskCAESARIItore-recommendtheloadcases.CAESARII管道應力分析理論LoadCaseGeneration&MaintenanceNoticetheloadtypelistintheupperleftcontains“D1”now.Thecorrectedloadcasesareshownattheright.CAESARII管道應力分析理論LoadCaseGeneration&MaintenanceNoticetheloadtypelistintheupperleftcontains“D1”now.Thecorrectedloadcasesareshownattheright.CAESARII管道應力分析理論LoadCaseGeneration&MaintenanceNoticetheloadtypelistintheupperleftcontains“D1”now.Thecorrectedloadcasesareshownattheright.Anytimeyouaddorremoveacompleteloadtype,theloadcasesareinsufficient.Ifyouaddeddisplacementstonode110,wouldtheloadcasesbesufficient?CAESARII管道應力分析理論InsuringYouAnalyzeWhatYouThinkYou’reAnalyzingRememberCAESARIIisafiniteelementprogram.RememberCAESARIIusesa3Dbeamelement.Rememberyoumusthaveequilibrium:ResultantloadsshouldequalappliedloadsGravity(weightonly)loadcaseshouldequaltheweightofthesystemOtherbasicchecksVerifynodal3DcoordinatesCheckforextremedisplacementsand/orloads(seehandout)CAESARII管道應力分析理論問題解決當不滿意結果時,你應做什么?重新求解方程:
[K]{x}={f} 其中我們求解的{x}是位移。由這些位移,我們可以計算單元力&力矩。由這些力&力矩,使用規(guī)范方程計算出應力。CAESARII管道應力分析理論問題解決當不滿意結果時,你應做什么?如果是應力問題,它可能是由于下面兩個問題引起的:與規(guī)范有關的問題(SIFs、規(guī)范方程等等)極限力和/或力矩如果是力/力矩問題,它可能是由下面兩個問題所引起:不正確的單元特性極限位移CAESARII管道應力分析理論ProblemSolvingWhatdoyoudowhenyoudon’tliketheresults?Ifyouhaveadisplacementproblem,itcanonlybec
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