文档介绍：管道应力分析基础理论讲义
管道应力分析基础理论
管道应力分析主要包括三方面内容:正确建立模型、真实地描述边界条件、正确地分
析计算结果。所谓建立模型就是将所分析管系的力学模型按一定形式离散化,简化为程序所
要求的数学模型,模型的真实与否是做好应力分析的前提条件。应力分析的根本问题就是边
界条件问题,而体现在工程问题上就是约束(支架)、管口等具体问题的模拟,真实地描
述这些边界条件,才能得到正确的计算结果。要想能够熟练而正确地分析结果,首先会正确
设计支吊架,有一定的相关理论知识如工程力学,流体力学,化工设备及机械等,另外需在
一定时间内不断摸索,总结出规律性的问题。
第一章管道应力分析有关内容
§ 管道应力分析的目的
进行管道应力分析的问题很多 CAESARII 解决的问题主要有:
1、使管道各处的应力水平在规范允许的范围内。
2、使与设备相连的管口载荷符合制造商或公认的标准(如 NEMASM23,API610 API617
等标准)规定的受力条件。
3、使与管道相连的容器处局部应力保持在 ASME 第八部分许用应力范围内。
4、计算出各约束处所受的载荷。
5、确定各种工况下管道的位移。
6、解决管道动力学问题,如机械振动、水锤、地震、减压阀泄放等。
7、帮助配管设计人员对管系进行优化设计。
§ 管道所受应力分类
基本应力定义
轴向应力 Axial stress
轴向应力是由作用于管道轴向力引起的平行管子轴线的正应力,: SL=FAX/Am
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应力分析基础理论讲义
其中 SL=轴向应力 MPa
FAX=横截面上的内力 N
2 2 2
Am= 管壁横截面积 mm =π do -di )/4
管道设计压力引起的轴向应力为 SL=Pdo/4t
轴向力和设计压力在截面引起的应力是均布的,故此应力限制在许用应力[σ]t 范围内。
弯曲应力 bending stress
由法向量垂直于管道轴线的力矩产生的轴向正应力。
SL=Mbc/I
其中:
Mb=作用在管道截面上的弯矩
C-从管道截面中性轴到所在点的距离 mm
4 4 4
I-管道横截面的惯性矩 mm =π(do -dl /64
当 C 达到最大值时,弯曲应力最大
Smax=MbR0/I= Mb/Z
弯曲应力在断面上是线性分布的,截面最外端应力达到最大时,其它地方仍处于弹性状
态,故应力限制在 [σ] 之内。
周向应力 circumferential stress
由于内压在管壁圆周的切线方向引起的正应力。
对薄壁管 SH=Pdo/2t
径向应力 radial stress
由内压在管子半径方向引起的应力
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Sr=P(ri -ri ro /r )/( ro -ri 〕
剪应力 shearing stress
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由作用在截面上的剪切力引起的应力。
tmax=VQ/Am
tmax=最大剪应力, MPa
V=剪切力 F
Q=剪切系数
由扭矩引起的剪切力 tmax=MTC/R
其中, MT -作用在横截面上的扭矩
C-横截面上的点到扭转中心距离 mm
4 4 4
R-抗扭截面模量 mm =2I=π(do -d i)/32
当 C 最大时,扭曲应力也最大,即 C 等于外半径时
τmax=MTRo/2I=MT/2Z
把剪应力的各个分量求和:作用在管子截面上最大剪应力为
τmax=VQ/Am+MT/2Z
CAESARII 计算应力结果中有弯曲应力,轴向应力,
用应力比较。
大多数美国管道规范标准要求应力计算时用以下公式:
轴向应力:SL=Mb/Z+Fmax/Am+Pdo/4t
剪切应力:τ=MT/2Z
周向应力: SH=Pdo/2t
应力分类
管道强度破坏主要由一次应力引起的断裂破坏和二次应力引起的疲劳断裂破坏.
一次应力:由机械外载荷引起的正应力和剪切应力,它必须满足外部和内部的力和力
矩的平衡法则。
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特征:一次应力是非自限性,它始终随所加载荷的增加而增加,超过材料的屈服极限
或持久强度时,将使管道发生塑性破坏或总体变形,因此在管系的应力分析中,首先应使一
次应力满足许用应力值。
二次应力:由于变形受到约束