AutoPSA与CAESARⅡ在管道应力分析中的比较.pdf

第 3 7 卷第 1 期 2 0 0 8年 1月 石油化工设备 P ETRo CHEMI CAL EQUI PMENT Vo l 。37 NO。 1 J a n ．2 0 0 8 文章编号 1 0 0 0 7 4 6 6 2 O O 8 O l 一 0 0 6 7 0 4 Au t o P S A与 C A E S A R I I 在管道应力分析 中的比较 张书俊 ，李国斌 长沙优易软件开发有 限公 司， ，陈百炼 湖南 长沙4 1 0 0 1 3 摘要考虑到管道静力分析 中的难点如单向约束、 埋地管道等 问题 ， 探讨 了 Au t o P S A 的非线性分 析功能， 并结合实际的工程例题 ， 比较了 Au t o P S A与 c AE S AR I I 的计算结果 ， 算例表明 Au t o P S A 与 C AE S AR I 1 分析结果非常吻合。针对管道动力分析中的模 态分析 、 谐波分析、 谱分析及 时间历 程分析， 采用合适的方法保证 了 Au t o P S A分析结果的稳定可靠。在管道应力分析 中， Au t o P S A精 度很 高、 通 用性 强 ， 能够满足 电力、 石化 等行业 的 工程 应 用 。 关键 词 管道；应力分析； 单向约束 ； 模态分析；谐波分析； 谱分析；时间历程分析 中图分类 号 TP 3 1 1 ． 5 2 ；T Q 0 5 5 ． 8 文 献标志 码 B Pi p e S t r e s s An a l y s i s Co m p a r i s o n b e t we e n Au t o PS A a n d CAES AR I I Z HANG S h u - j u n，L I Gu o - b i n，C HEN Ba i l i a n UE S o f t Co r p ． ，Ch a n g s h a 4 1 0 0 1 3 ，Ch i n a Ab s t r a c t Th e r e s u l t s o f Au t o P S A a n d CAE S AR I I a r e c o mp a r e d wi t h s o me a c t u a l e n g i n e e r i n g e x a mpl e s ． The c omp a r i s on r e s u l t a b o ut n on l i ne a r a na l y s i s s uc h a s s i n g l e d i r e c t i o n a l r e s t r a i n t s a n d bu r i e d p i p e mo de l i ng a r e p r o v i d e d． I n c o ns i d e r a t i on o f t he m o d a l a n a l ys i s ， ha r mo ni c a na l ys i s ， s p e c t r u m a n a l y s i s a nd t i m e hi s t o r y a na l y s i s i n p i pe s t r e s s a n a l ys i s ， s ui t a bl e t e c hn i qu e wa s a pp l i e d t o i n c r e a s e t he e f f i c i e nc y a n d s t a b i l i t y o f d y na m i c a n a l ys i s ．Au t o PS A i s a c c u r a t e a nd un i v e r s a l ， t hus be i n g s ui t a b l e f o r e ng i ne e r i n g a pp l i c a t i o n i n p o we r ， oi l a n d g a s ， c he mi c a l i nd us t r y e t a 1 ． The r e s ui t s of e v a l ua t e d e xa m p l e s de mon s t r a t e t ha t A u t o PSA i s c o mpa r a bl e wi t h CAESAR I I ， a nd e x c e e d t h e l a t t e r i n s o m e d o m a i n． Ke y wo r d s p i p e ； s t r e s s a n a l y s i s ； s i n g l e d i r e c t i o n a l r e s t r a i n t ； d y n a mi c a n a l y s i s ；h a r mo n i c a n a l ys i s ； s pe c t r u m a na l y s i s ； t i me hi s t o r y a n a l ys i s 参 考 文 献 [ 1 3 龚高平． 日本 I HI VS 2 ,1 } T 速磨煤机 密封结 构改造方案[ J ] ． 电 力建设 ， 2 0 0 6 ， 2 7 7 2 9 3 2 ． [ 2 3 沈涌清． 解 决密炼机轴封问题的新途径E J 2 ． 润滑与密封 ， 2 0 0 1 ， 1 5 1 3 4 9 5 0 ． [ 3 ] 江镇海． Z MU8型 耐腐蚀 、 抗颗粒密封件 [ J ] ． 化工设备 与防腐 蚀 ， 2 0 0 1， 1 2 0 ． [ 4 ] 朱高涛 ， 刘卫华． 迷宫密封泄漏量计算 方法 的分析 [ J ] ． 润滑与 密封 ． 2 0 0 6 ， 1 7 6 4 1 1 3 - 1 1 6 ． E 5 ] 何立东． 叶小强 ， 刘锦南 ． 蜂窝密封及其应用的研究[ J _ ． 中国机 械 [ 程 ， 2 0 0 5 ， 2 0 1 6 1 8 5 5 - 1 8 5 7 ． [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] Yu c e l U， Ka z a k i a J Y．An a l y t i c a l Pr e d i c t i o n Te c h n i q ue s f o r Ax i s y mme t r i c F l o w in G a s L a b y r i n t h S e a l s[ J ] ． J o f En g n g f o r Ga s Tur b i n e s a n d P o we r ， 2 0 0 1， 1 2 3 5 2 5 5 - 2 5 7 ． E g l i A． Th e L e a k a g e o f S t e a m t h r o u g h L a b y r i n t h S e a l s [ J ] ． Tr a n s a c t i o n o f AS M E， 1 9 3 5， 5 7 3 1 1 5 1 2 2 ． Ke a r t o n W J ．Le a ka g e o f Ai r t h r ou gh La b y r i nt h Gl a n d s o f S t a g g e r e d Ty p e[ J ] ． P r o c ． I Me c h ． E， 1 9 5 2 ， 1 6 6 2 1 8 9 1 9 5 ． Kwa nk K． Dy na mi c Co e f f e c i e nt s o f S t e p p e d La b y r i n t h e Ga s S e a l s [ J ] ． J o u r n a 1 O f E n g i n e e r i n g f o r Ga s T u r b i n e s a n d P o we r ， 2 0 0 0， 1 2 2 5 4 7 3 - 4 7 7 ． 许编 收 稿 E t 期 2 0 0 7 0 9 0 3 作者简介 张书俊 1 9 7 6 一 ， 男 ， 河南内乡人 ， 助理研究员 ， 博士 ， 从 事有 限元 C AE软件的开发研究工作。 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 6 8 石油化工设备 2 0 0 8 年第 3 7 卷 由长沙 优易软 件开发有 限公 司成 功开发 的优易 管道 应力分 析程序 Au t o P S A7 ． 0可用 于 管道 静 力 、 动力计 算 ， 已于 2 0 0 2年 1 2月 2 0日通过 由中国勘察 设 计协会 工程设 计计 算机应 用协会 组织 的有 国内 电 力 、 化工行 业权威 应力 分析专 家参加 的鉴定 l_ 1 ] ， 其 输 入格式 、 输 出格 式兼 容 中国 电力 行业 最 流 行 的管 道 应力分析 程序 G L I F， 与 Gl l F的最大计 算误 差低 于 千 分之一 ， 与 C AE S AR I I 、 ANS YS的计算结 果也 十 分 吻合 。 Au t o P S A7 ． 0参 照 C AE S AR I I 算 法 体 系 对 软 件 的结 构和 功能进 行 了非常 大 的 改进 ， 工 况 可 以 自 动组合， 由此实现了单向约束 、 埋地管道、 摩擦力等 非线性 静力 分析 和补偿器计 算及 用户 渴望 的动力分 析功 能 。Au t o P S A7 ． 0以计算 准确 、 结 构完 善 、 逻辑 严密及使用方便 的特点 ， 迅 速影 响了中国电力、 冶 金 、 有 色 、 轻工 、 石油化 工等 设计行业 和 电厂 、 电力试 验 研究所 等企 业 的市 场 。文 中简 要 介 绍 了 Au t o P S A7 ． 0的新增功能和实现方法 ， 就具体的管道实例 进 行 了应 力分 析 ， 并与 C AE S AR I I 、 ANS YS的计 算 结 果进行 了对 比。 1 静力分析 静力 分析 的前 2个工 况一般 默认 为重力 工况 和 热态 无 弹 簧 力 工 况 ， 可 用 于 弹 簧 选 型 。Au t o P S A 7 ． 0 支 持 冷 态 吊零 和热 态 吊零 _ 2 ] ， 并 提 供 了 国 内外 1 5种弹簧标准数据， 同时还可以进行位于两管间的 支吊架设计 使用关联节点 、 支 吊点附近有 固支 的 支吊架设计 使用约束释放 ， 而且能够模拟带摩擦 的弹簧 支架 。 Au t o P S A7 ． 0支持 各 种 约 束 ， 包 括 非线 性 约 束 如取向约束、 导向、 限位及窗 口等， 通过使用关联节 点能够 实现更 复杂 的约束 情 况 如约 束 沉 降 、 管道 之 间的约束 、 容器 和 管模 型 之 间约 束 等 。用 户也 可 以 输入约束方向， 模拟斜双 向约束和斜单 向约束。弯 头可 以在 任意角 度增 加 中间节 点 ， 并 在 该节 点 处施 加荷载或约束， 从而可以模拟弯头上的垂直假腿和 水平假腿 。 Au t o P S A7 ． 0的膨胀节模块可以快速而准确地 模拟许多不同的膨胀节元件 ， 例如拉杆波纹补偿器 、 角向型补偿器等 ， 而且 与其它模块结合可以实现更 复杂的功能， 如与双线性约束结合可 以用来模拟塑 性铰。 1 ． 1 支吊架选型 某锅 炉主蒸 汽 管 道分 析 模 型见 图 1 ， 材 料 采 用 1 0 C r Mo 9 1 0 ， 其 工 作 温 度 为 5 4 0 ℃ ， 工 作 压 力 为 1 3 ． 6 3 2 MP a ， 有 2个 冷 紧 口。Au t o P S A7 ． 0的弹 簧 选 型结果 与 C A E S AR I I 完全相 同 ， 而与 G L I F有 一 定差别。G L I F计算所得的工作荷载与前两者差别 不太大 ， 但 热位 移 的差 别非 常大 ， 最 大差 值接 近 3 8 mm 图 1锅 炉 管 遭 模 型 图 1 ． 2 非线性约束 为考察 非线 性分 析功 能 ， 在 节点 1 0 2 7 0施加 间 隙为 3 mm 的双 向限位 ， 相 当于 在 轴 方 向施 加 了 2 个 单 向约 束 ， 属 于 非 线性 接 触 问 题 。在 操 作 工 况 下， 使用 Au t o P S A7 ． 0得到的节点位移与 C AE S A R I I 吻合。一般来说 ， 非线性约束特别是接触问题由 于迭代次数多 ， 收敛 比较困难， 比线性分 析误 差要 大 。比较可 知 ， 两者 的位 移结果 非常 接近 ， 绝 对误差 小 于 0 ． 2 4 mm。 1 ． 3 埋地 管道应 力 分析 Au t o P S A7 ． 0的埋地管道模块界面操作非常方 便 ， 无需像 C AE S AR I I 在 2个 文件 之 间来 回切 换 ， 通 过界 面 的复 选框 就 可 以决 定 是 否考 虑 埋地 效 应 。 考察 的管系见 图 2 ， 除 1 0 ～1 1管段外， 其余管段埋 地 ， 埋地深度均为 3 ． 6 5 7 6 r n 。在操作工况下 ， 使用 Au t o P S A得到的弯 曲应力与 C AE S AR I I 的对 比见 表 1 。埋 地 管道 的弯 曲应 力 主要 由温 度荷 载 引起 ， 2 种软 件计算 结果 的相对 误差小 于 0 ． 6 8 ％ 。 4 1 0 2 O 图 2 埋地管道模型图 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 1 期 张书俊 ， 等 A u t o P S A与 C A E S A R I I 在管道应力分析中的 比较 表 1 埋地管道弯 曲应力 k P a 起点 末点 起点弯曲应力 末点弯曲应力 号 号 Au t o P S A C AE S AR I I Au t o P S A CAE S AR I I 1 8 3 6 6 2 1 6 3 7 1 6 6 7 6 8 3 1 O O 9 3 6 2 动力分析 2 ． 1 模态分析 大型的结构振动如工业管道 ， 系统 自由度较多 ， 但只有少数较低阶的频率和相应的模态振型对系统 的动力 响应起 主要 作 用 。 因此 在有 限元 分 析 中 ， 发 展 了一些 适应上 述 特点 的解 法 ， 其 中应 用 较 广泛 的 是 矩阵反 迭代法 和子 空间迭代 法 。近年来 出现 的里 兹 向量直 接叠加 法和 L a n c z o s 方法 由于 具有 更 高 的 计算效率 ， 已引起有限元工作者的广泛兴趣 。 Au t o P S A7 ． 0采 用 里 兹 向量 直 接 叠 加 法 ， 它 与 L a n c z o s 方法 的精度 和效 率基 本 相 当 ， 一般 情 况 下 ， 和子空间迭 代法 相 比 ， 常常 可 以使 计 算 工 作量 减 少 一 个 量级 _ 3 ] 。此 外 ， 它 克 服 了 L a n c z o s方 法 由于 计 算机截断误差和舍人误差而造成的不稳定性 ， 例如 丢根 、 虚假 的多重特 征值 现象 。 在 Au t o P S A7 ． 0中输入需要 计算 的最 大阶数 或截止频率 ， 就可以得到前几阶较低的频 率和相应 的振 型 。还可 以通 过 在 管 系 中加 入质 量 块 、 减 振器 改善管 系 的动 态 性 能 。对 图 1的 管 系进 行 模 态 分 析， 得到 的前 8阶频 率与 C AE S AR I I的对 比见表 2 。可 以看 出 ， 两者相对 误 差小 于 0 ． 2 7 ， 起 始 频 率 则完全 一致 。 、 表 2 2种软件计算 的低 阶频率值 ’Hz 频率 阶数 Au t o P S A C AE S AR I 1 0 ． 6 4 5 0 ． 7 5 6 L 3 6 7 1 ． 6 4 5 2 ．0 9 2 2 ．3 3 6 2 5 8 5 3 ． 0 4 2 2 ． 2 谐波分析 管道系统最为常见的振动是往复压缩机和往复 泵管道的振动。这种往复运动 ， 常常可以用正弦形 式的力或位移来表示 ， 称之为谐波荷载。 。 谐波分析 把振动问题转化为一个简单 的静力求解过程， 使用 该方 法会 带来很 大 的方便 。 Au t o P S A7 ． 0支持多个谐波荷载同时作用于管 道系统 ， 包括谐波力和谐波位移以及有阻尼的情况。 另外 ， 还可以计算频率 、 相位不同的多个谐波荷载的 组合问题 ， 使用频率增量考察共振现象 ， 在节点 8和 节点 1 3施加 频率 为 1 2 0 Hz 的谐 波荷载 的管 系见 图 3 。由于 1 2 0 Hz 振动 落在结 构共 振频 率 1 1 5 Hz和 1 3 7 Hz 之间 ， 扭 转振 型极有 可 能被激 励 。Au t o P S A 得到 的扭 转应 力 与 C AE S AR I I 对 比 ， 两 者 的 相 对 误 差仍 小 于 0 ． 1 3 。 图 3受谐 波载荷激励 的管道模型 图 2 ． 3反应谱分析 地震 载荷 、 安全 阀排气 载荷 、 水 锤 和栓塞 流载荷 引起 的管 道振 动可 以采用反应 谱 方法来 分析 。反应 谱方法首先根据各种规范或工程参数设计 出反应谱 曲线 ， 再用诸如位移谱、 速度谱、 加速度谱及力谱等 计算结构的最大惯性力作为结构 的等效动力载荷 ， 然后按照静力方法进行管道应力分析。反应谱方法 实质上是一种拟静力方法 ， 与传统 的结构设计方法 比较接近 ， 使用简单方便 ， 能够在一定程度上代表动 力 载荷 对结 构 的作用 ， 已经 在 世界 各 国得 到 了广 泛 的应用 。 Au t o P S A7 ． 0能够计算位移反应谱、 速度反应 谱 、 加速 度反 应谱 和 力 反应 谱 ， 可 以 考察 地 震 、 安 全 阀排汽 、 水锤和栓塞流等各种动力载荷对管道系统 的作用 。管道 系统为多 自由度体 系， Au t o P S A7 ． 0 提 供 了多种反 应谱 振 型组 合 方 法 ， 如 平方 和 的平方 根法 S R S S 、 双 求 和 方 法 D S R S S 、 绝 对 值 法 AB S 、 分组 方法 G ROUP 和百分之 十法 。 图 4所示的管系是在节点 6 5处施加安全阀排 汽载荷， 使用 Au t o P S A得 到的应 力与C AE S AR I I 的对 比， 两 者 之 间 的误 差 很 小 ， 最 大 误 差 低 于 1 ， 在工程允许范围内。 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 石油化工设备 2 0 0 8年第 3 7卷 图 4 受安全阀排汽载荷激励 的管道模型图 2 ． 4 时间历程分析 在 动力 响应 过 程 中 ， 持 续 时 间对 管系 的破 坏 也 有很大的影响， 而反应谱方法却未能考虑 到这 些。 同时 ， 反应谱 曲线是从 单质点 体系得 到 的 ， 其用组 合 方 法计算 多质点 体系并 不能得 到结构 的真 实位移 和 内力 ， 因此还需要 发展 其他 的动力 响应 分 析方法 ， 比 如我国新抗震规范就要求用时间历程分析方法作为 抗震 计算 的补充 方法l_ 4 ] 。 在有 限元 时 间历 程 分析 中， 求解 方 法 可 以分 为 振型 叠加法 和直接 积分法 两类 。振型叠 加法 先把 系 统分解为非耦合的单 自由度振动方程 ， 采用杜哈梅 积分 得到 系统 响应 。只对较 低 阶的少数 单 自由度运 动方 程进行 积分 ， 即使积分 是精 确的 ， 最 后得 到的 系 统响应也将因忽略高阶振型的成分而引入误差 。 Ne wma r k方 法 隐式 稳 定 的直 接 积分 方 法 在 有限元动力分析中被广泛采用。Au t o P S A7 ． 0采用 HHT方 法 ， 在 保证稳 定可 靠 的前 提 下 ， 进 一 步 改善 了 Ne wma r k方 法 在 高 频 模 态 方 面 的计 算 精 度[ 5 。 由于 C AE S AR I 1只是 采 用模 态 叠 加 方 法 ， 为 此 我 们还将与 ANS YS的计算结果进行对 比。作为大型 通用有限元分析软件， ANS Y S并不能直接模拟各 种 管道元 件 ， 因此采用 图 2的管系作 为考察 对象 ， 它 只包 含 ANS YS可 以直 接模拟 的直管 和 弯头 。此 时 不考虑埋地效应 ， 假定节点 1 0 、 4 0固支， 同时约束节 点 l 1 、 3 0向上方向的位移 。在节点 2 0施加水平方 向的冲击载荷 ， 该载荷值随时间的变化见表 3 ， 计算 所得 的位移值 见表 4 。从 表 中可知 ， Au t o P S A 与 AN S YS结果完全一致， 与 C AE S AR I I 的计算值有 一 定的差别 。但 是， 在 C AE S AR I I中增加模态振 型数量结果 与 Au t o P S A 的误差将会 进一 步减 少， 但易引起 C AE S A R I I 内存溢出错误。 表 3 时间历程载荷 3 结 语 Au t o P S A7 ． 0管道应力分析软件具有简捷方便 和精度较高的显著特点， 非常适合大型复杂管系的 应力分析， 其主要特性有 ①支持各种非线性约束 ， 包括单 向约束 、 埋地、 限位 、 导向及摩擦等。②能够 准确进行模态分析 、 谐波分析及反应谱分析。③时 间历程分析采用直接积分法 。④通用性强， 能够满 足工程需 要 。 需要 指 出 的 是 ， C AE S A R I I 并 不 支 持 中 国标 准 ， 材料 参数 和应 力 验 算方 式 的差 异 给计 算 结果 的 对 比造 成不便 。Au t o P S A7 ． 0除全 面支持 中 国电力 行业标准 、 中国国家标准和其他行业标准外， 还支持 美 国机械 工 程 师 协会 AS ME B 3 1系列 标 准 。文 中 的材料参 数 以及 规范应 力都 是基 于 AS ME B 3 1 ． 1 2 0 0 1版进行 的 比较 。 参考文献 [ 1 ] 李 国斌． 优易管道设计集 成软件 包的主要特点 1 [ J ] ． 热机技 术 ， 2 0 0 5， 2 1 3 57 6 2 ． [ 2 ] 王致祥 ， 梁志钊 ， 孙 国模 ， 等． 管道应力分析 与计 算[ M] ． 北京 水利 电力出版社， 1 9 8 3 ． [ 3 ] 王 勖成． 有限单元法[ M] ． 北京 清华大学出版社 ， 2 0 0 3 ． [ 4 ] 包世华 ， 方鄂华． 高层建筑结 构设 计[ M] ． 北京 清华 大学出版 社 ， 1 9 9 0 ． [ 5 ] C h u n g J ， Hu l b e r t G M． A T i m e I n t e g r a t io n A l g o r it h m { o r S t r u c t u r a l Dy n a mic s wi t h I mp r o v e d Nu me r i c a l Di s s i p a t io n Th e Ge n e r a l iz e d a Me t h o d [ J ] ． J o u r n a l o f Ap p l ie d Me c h a n i c s ， 1 9 9 3 ， 6 0 3 7 1 ． 许编 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m