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1、CAESAR IICAESAR IICAESAR IICAESAR II 膨胀节基础应用膨胀节基础应用膨胀节基础应用膨胀节基础应用 王大辉王大辉 北京艾思弗计算机软件技术有限责任公司北京艾思弗计算机软件技术有限责任公司 2010 膨胀节基础应用膨胀节基础应用 ?膨胀节基本介绍膨胀节基本介绍 ?内压推力（盲板力） 专用术语及相关公式?专用术语及相关公式 ?膨胀节的分类 ?自由式 ?拉杆式 铰式?铰式 ?万向式 模拟方法?模拟方法 ?详细建模 数据库调用 2010/11/6AECsoft ?数据库调用 ?简单建模 管道补偿设计源于材料的热膨胀管道补偿设计源于材料的热膨胀 以20#钢 为例： 100
2、米长，100摄氏度下热 胀量约为90mm胀量约为90 100米长，21摄氏度下，作为基 准值准值 100米长，-100摄氏度下，热胀 量约为 75（冷缩）量约为-75mm（冷缩） 2010/11/6AECsoft 吸收热胀变形的各种方式吸收热胀变形的各种方式吸收热胀变形的各种方式吸收热胀变形的各种方式 膨胀弯结构变形橡胶垫 滑动铰金属软管 2010/11/6AECsoft 波纹管波纹管波纹管波纹管 其特性包括： ?薄壁（0.015-0.075英寸） ?根据不同工艺流程，最终由若干 单波连接而成 ?常用合金钢作为材料?常用合金钢作为材料 2010/11/6AECsoft 波纹管的轴向变形波纹管的
3、轴向变形波纹管的轴向变形波纹管的轴向变形 2010/11/6AECsoft 波纹管的轴向变形波纹管的轴向变形波纹管的轴向变形波纹管的轴向变形 ?整体补偿能力均分到每个波上 ?当在压缩作用下相邻波不再发生弹性变 形时，补偿轴向压缩能力达到最大 ?在拉伸作用下整体波纹管极易产生整体 失稳变形 2010/11/6AECsoft 膨胀节的弯曲变形膨胀节的弯曲变形膨胀节的弯曲变形膨胀节的弯曲变形 波纹管发生弯曲变形时： ?整体结构呈扇形变化 ?当相邻波之间在载荷作用下?当相邻波之间在载荷作用下 接触时，弯曲补偿量达到极 限限 ?弯曲变形时所产生的载荷较 小小 ?尽管确实存在，但在实际中 很少出现完全的纯
4、弯曲变形很少出现完全的纯弯曲变形 通常，允许的角度变形量一 般为5-10 2010/11/6AECsoft 般为5 10 膨胀节的弯曲变形膨胀节的弯曲变形膨胀节的弯曲变形膨胀节的弯曲变形 2010/11/6AECsoft 波纹管的横向变形波纹管的横向变形波纹管的横向变形波纹管的横向变形 当发生横向变形时： ?剪切作用引发相邻波出现横 向位移 ?整体波纹管体现为两个部分 的反向变形的反向变形 ?相邻波之间存在最小间隔， 当变形等于此间隔时横向当变形等于此间隔时，横向 补偿量达到最大 如果个波纹管无法满足强?如果一个波纹管无法满足强 度要求，成对使用 2010/11/6AECsoft 波纹管的横向
5、变形波纹管的横向变形波纹管的横向变形波纹管的横向变形 2010/11/6AECsoft 波纹管的横向变形波纹管的横向变形波纹管的横向变形波纹管的横向变形 单式波纹管补偿单式波纹管补偿 复式波纹管补偿 2010/11/6AECsoft 波纹管的横向变形波纹管的横向变形波纹管的横向变形波纹管的横向变形 2010/11/6AECsoft 波纹管的扭转变形波纹管的扭转变形波纹管的扭转变形波纹管的扭转变形 波纹管抗扭转变形能力很弱 ?波纹管材料在扭转作用下极 易出现裂纹或失稳，人们通 常不会使用波纹管的扭转刚 度 ?制造商一般会在出厂前进行?制造商般会在出厂前进行 扭转强度校核，并在产品样 本中给出额定
6、扭转强度本额转 2010/11/6AECsoft 波纹管的扭转变形波纹管的扭转变形波纹管的扭转变形波纹管的扭转变形 2010/11/6AECsoft 波纹管的平面外柱失稳波纹管的平面外柱失稳波纹管的平面外柱失稳波纹管的平面外柱失稳 过多的波数或者过大的内压都?过多的波数或者过大的内压都 有可能引发平面外的柱失稳 此有波产生较大变?此时所有波均产生较大变形量 2010/11/6AECsoft 扭转导致的平面外柱失稳扭转导致的平面外柱失稳扭转导致的平面外柱失稳扭转导致的平面外柱失稳 2010/11/6AECsoft 扭转导致的平面内柱失稳扭转导致的平面内柱失稳扭转导致的平面内柱失稳扭转导致的平面内
7、柱失稳 ?右图显示了平面内产生的柱失稳 ?这通常由过大内压引发，且变形 通常伴随压力的释放而消失通常伴随压力的释放而消失。 ?当载荷作用超过安定性条件后， 产生不可逆的局部屈服变形。产生不可逆的局部屈服变形。 2010/11/6AECsoft 扭转导致的平面内柱失稳扭转导致的平面内柱失稳扭转导致的平面内柱失稳扭转导致的平面内柱失稳 2010/11/6AECsoft 术语术语术语术语 2010/11/6AECsoft 术语术语术语术语 ?膨胀节包含： ?波纹管?波纹管 ?框架 ?附属配件 2010/11/6AECsoft 术语术语术语术语 2010/11/6AECsoft 膨胀节的内压推力膨胀节
8、的内压推力（盲板力盲板力）膨胀节的内压推力膨胀节的内压推力（盲板力盲板力） ?内压推力是一个由内压导致的轴向载荷，其值等于：内压推力是个内压导致的轴向载荷其值等于 Pt=P*A ?其中， ?Pt为内压推力?Pt为内压推力 ?P为内压 ?A为有效计算内径 ?例如，48英寸，300Psi的管子产生的盲板力约为： 2010/11/6AECsoft ?A48X300Psi=691，200lbs（313，500kg） 膨胀节的内压推力膨胀节的内压推力（盲板力盲板力）膨胀节的内压推力膨胀节的内压推力（盲板力盲板力） 2010/11/6AECsoft 膨胀节的内压推力膨胀节的内压推力（盲板力盲板力）膨胀节的
9、内压推力膨胀节的内压推力（盲板力盲板力） 膨胀节的内压推力膨胀节的内压推力（盲板力盲板力）膨胀节的内压推力膨胀节的内压推力（盲板力盲板力） 由盲板力引发的载荷是可传递的，一旦遇到管道走 向改变位置、支架位置，其载荷大小就作用在该点改变位支架位，其载荷作在该点 2010/11/6AECsoft 膨胀节的内压推力膨胀节的内压推力（盲板力盲板力）膨胀节的内压推力膨胀节的内压推力（盲板力盲板力） 盲板力 有效面积X内压盲板力=有效面积X内压 2010/11/6AECsoft 膨胀节的内压推力膨胀节的内压推力（盲板力盲板力）膨胀节的内压推力膨胀节的内压推力（盲板力盲板力） ?由于这个载荷异常巨大且一直存
10、在，必须由特定结构或 者支架抵消 2010/11/6AECsoft 膨胀节的内压推力膨胀节的内压推力（盲板力盲板力）膨胀节的内压推力膨胀节的内压推力（盲板力盲板力） 2010/11/6AECsoft 膨胀节的内压推力膨胀节的内压推力（盲板力盲板力）膨胀节的内压推力膨胀节的内压推力（盲板力盲板力） 2010/11/6AECsoft 膨胀节的内压推力膨胀节的内压推力（盲板力盲板力）膨胀节的内压推力膨胀节的内压推力（盲板力盲板力） ?例如，采购部门购买了一种无约束形式、两端配对法兰的 膨胀节然后应用于工程当中膨胀节，然后应用于工程当中。 2010/11/6AECsoft 膨胀节的内压推力膨胀节的内压
11、推力（盲板力盲板力）膨胀节的内压推力膨胀节的内压推力（盲板力盲板力） ?系统基本参数条件： ?3个储罐连接在系统支线上?3个储罐连接在系统支线上 ?支线管径360mm1.2Mpa 2010/11/6AECsoft 膨胀节的内压推力膨胀节的内压推力（盲板力盲板力）膨胀节的内压推力膨胀节的内压推力（盲板力盲板力） ?问题在于：?问题在于： ?单个膨胀节的盲板力为： ?0.36X0.36XpiX1200/4=122KN ?总载荷为3X31 000=366KN?总载荷为3X31,000=366KN 2010/11/6AECsoft 膨胀节的内压推力膨胀节的内压推力（盲板力盲板力）膨胀节的内压推力膨胀节
12、的内压推力（盲板力盲板力） 2010/11/6AECsoft 膨胀节的内压推力膨胀节的内压推力（盲板力盲板力）膨胀节的内压推力膨胀节的内压推力（盲板力盲板力） 2010/11/6AECsoft 膨胀节的内压推力膨胀节的内压推力（盲板力盲板力）膨胀节的内压推力膨胀节的内压推力（盲板力盲板力） 2010/11/6AECsoft E X P A N S I O N J O I N T S E L E C T I O N L O G I C Y e s X - P R E S S O n l y A x i a l M v t R E S T R A I N E D U n r e s t r a i
13、 n e d Y e s M E T A L N o Y e s R U B B E R N o T e m p & P r e s s f o r R u b b e r Y e sN o F A B R I C Y e sM e d i a G a s T i g h t G a s N oY e sP R E S S U R E L e s s t h a n 3 p s i U N R E S T R A I N E D T H R U S T ? P R E S S U R E L a r g e S m a l l Y e sC h e c kS i n g l eT i e dL
14、 a t e r a l M v tL o c a t eC o n s i d e r N o Y e s t h a n 2 4 “ D i a L e s N o y T e m p & P r e s s f o r R u b b e r Y e s N o R U B B E R T i e d U n i v e r s a l U n r e s t r a i n e d U n r e s t r a i n e d S i n g l e L a t e r a l M v t / F o r c e s N o Y e s A n a l y s i s C h e c
15、 kL o c a t eC o n s i d e r H i n g e J o i n tC l o s e t o C r i t i a l P o i n t N o N o Y e s G i m b a l U n i v e r s a l H i n g e U n i v e r s a lI n p l a i n M v t O n l y N o N o Y e sC h e c k A n a l y s i s Y e sC h e c k A n a l y s i s U n i v e r s a l S i n g l e Y e s o r V i b
16、 r a t i o n H v y S p o o lT i e d U n i v e r s a l T i e d S i n g l e/ F o r c e s L a t e r a l M v t t o M a j o r M v t P r e p e n d i c u l a r L o c a t e N o T i e d J o i n t C o n s i d e r N o N o Y e s N o A n a l y s i s C h e c k U n i v G i m b a l C o n s i d e rY e s G i m b a l
17、G i m b a l U n i v e r s a l S i n g l e C l o s e t o L o c a t e C r i t i a l P o i n t C o n s i d e r G i m b a l J o i n t N o N o Y e s H i n g e U n i v e r s a l C o n s i d e r U n i v H i n g e S i n g l e H i n g e C r i t i a l P o i n t G i m b a l N oN o N o A n a l y s i s C h e c k
18、Y e s S p a c e S u f f i c i e n tY e s N o N oN o Y e s S p a c e S u f f i c i e n tM v t s i n O n e P l a i n Y e sL a r g e M v t s S m a l l F o r c e s H i n g e & 2 G i m b a l T h r e e H i n g e N o Y e s A n a l y s i s C h e c k Y e s N o C h e c k A n a l y s i s Y e sA x i a l M v t O
19、 n l y L o c a t e C l o s e t o I n l i n e P B J o i n t N o Y e s Y e s A n a l y s i s C h e c k A n a l y s i s C h e c k N o S i n g l e / F o r c e s U n i v e r s a l L a t e r a l M v t N o L o c a t e P r e p e n d i c u l a r t o M a j o r M v t C o n s i d e r P B E l b o w / T e e X - P
20、 r e s s I I P r e s s B a l U n i v e r s a l P r e s s B a l S i n g l e 2010/11/6AECsoft C h a n g e L i n e R o u t i n g N o Y e s N o N o A n a l y s i s C h e c k yy C r i t i a l P o i n t I n l i n e P r e s s u r e B a l 膨胀节的分类膨胀节的分类膨胀节的分类膨胀节的分类 ?自由式 拉杆式?拉杆式 ?铰式?铰式 ?万向式 ?压力平衡式 ?自平衡式 2010/1
21、1/6AECsoft 自由式膨胀节自由式膨胀节自由式膨胀节自由式膨胀节 ?自由式膨胀节通常为单个或复式波纹管，使用时应考 虑到对盲板力进行限制。 2010/11/6AECsoft 自由式膨胀节自由式膨胀节自由式膨胀节自由式膨胀节 2010/11/6AECsoft 自由式膨胀节自由式膨胀节自由式膨胀节自由式膨胀节 Lg= 0.131 ( EpIp/ Pc)1/2 2010/11/6AECsoft 自由式膨胀节自由式膨胀节自由式膨胀节自由式膨胀节 ?优点： ?施加外部压力以加强稳定性施加外部压力以加强稳定性 ?提高了变形能力 4寸/8寸/16寸 ?自导向环强制膨胀节仅在轴向上变形 ?可布置在管线的
22、最低点，与排水系统同时安装 2010/11/6AECsoft ?可布置在管线的最低点，与排水系统同时安装 自由式膨胀节自由式膨胀节自由式膨胀节自由式膨胀节 2010/11/6AECsoft 约束式膨胀节约束式膨胀节约束式膨胀节约束式膨胀节 ?为了限制盲板力产生的不良影响，通常有必要使用 波纹管外部的机构来转移盲板力的作用点。这样做波纹管外部的机构来转移盲板力的作用点。这样做 的代价是，膨胀节将失去某些方向上的变形能力 2010/11/6AECsoft 约束式膨胀节约束式膨胀节约束式膨胀节约束式膨胀节 单式拉杆补偿单式拉杆补偿 复式大拉杆补偿 2010/11/6AECsoft 约束式膨胀节约束式
23、膨胀节约束式膨胀节约束式膨胀节 2010/11/6AECsoft 约束式膨胀节约束式膨胀节约束式膨胀节约束式膨胀节 2010/11/6AECsoft 约束式膨胀节约束式膨胀节约束式膨胀节约束式膨胀节 2010/11/6AECsoft 铰式膨胀节铰式膨胀节铰式膨胀节铰式膨胀节 2010/11/6AECsoft 铰式膨胀节铰式膨胀节铰式膨胀节铰式膨胀节 2010/11/6AECsoft 约束式膨胀节约束式膨胀节约束式膨胀节约束式膨胀节 2010/11/6AECsoft 约束式膨胀节约束式膨胀节约束式膨胀节约束式膨胀节 2010/11/6AECsoft 约束式膨胀节约束式膨胀节约束式膨胀节约束式膨胀
24、节 2010/11/6AECsoft 万向式膨胀节万向式膨胀节万向式膨胀节万向式膨胀节 2010/11/6AECsoft 万向式膨胀节万向式膨胀节万向式膨胀节万向式膨胀节 2010/11/6AECsoft 膨胀节的模拟膨胀节的模拟膨胀节的模拟膨胀节的模拟 ?详细模拟 数据库调用?数据库调用 ?简单模拟?简单模拟 ?约束的设置 ?附加重量的设定 2010/11/6AECsoft 膨胀节的详细模拟膨胀节的详细模拟膨胀节的详细模拟膨胀节的详细模拟 膨胀节的细节模拟膨胀节的细节模拟 BellowsBellows Hardware RestraintsRestraints 2010/11/6AECsof
25、t 膨胀节的详细模拟膨胀节的详细模拟膨胀节的详细模拟膨胀节的详细模拟 膨胀节的模拟膨胀节的模拟 BellowsBellows Hardware RestraintsRestraints 2010/11/6AECsoft 膨胀节的详细模拟膨胀节的详细模拟膨胀节的详细模拟膨胀节的详细模拟 BELLOWS INPUT 2010/11/6AECsoft 膨胀节的详细模拟膨胀节的详细模拟膨胀节的详细模拟膨胀节的详细模拟 轴向刚度输轴向刚度输入 2010/11/6AECsoft 膨胀节的详细模拟膨胀节的详细模拟膨胀节的详细模拟膨胀节的详细模拟 横向刚度输横向刚度输入 2010/11/6AECsoft 膨胀
26、节的详细模拟膨胀节的详细模拟膨胀节的详细模拟膨胀节的详细模拟 弯曲刚度输入弯曲刚度输入 2010/11/6AECsoft 膨胀节的详细模拟膨胀节的详细模拟膨胀节的详细模拟膨胀节的详细模拟 扭转刚度输扭转刚度输入 2010/11/6AECsoft 膨胀节的详细模拟膨胀节的详细模拟膨胀节的详细模拟膨胀节的详细模拟 有效直径输有效直径输入 Effective ID = (Af 4 / )1/2Effective ID = (Af 4 / )1/2Effective ID = (Af 4 / )1/2Effective ID (Af 4 / ) Af= Effective Area Effective
27、 ID (Af 4 / ) Af= Effective Area Effective ID (Af 4 / ) Af= Effective Area 2010/11/6AECsoft 膨胀节的详细模拟膨胀节的详细模拟膨胀节的详细模拟膨胀节的详细模拟 2010/11/6AECsoft 膨胀节的详细模拟膨胀节的详细模拟膨胀节的详细模拟膨胀节的详细模拟 组件的模拟组件的模拟 BellowsBellows Hardware RestraintsRestraints 2010/11/6AECsoft 膨胀节的详细模拟膨胀节的详细模拟膨胀节的详细模拟膨胀节的详细模拟 ?通过将膨胀节的各个附属元件尽可能全面
28、的模拟， 来建立复杂结构，从而得到尽可能真实的模型。来建立复杂结构，从而得到尽可能真实的模型。 ?可以进行详细模拟的膨胀节包括：铰式膨胀节、万 向式膨力衡型膨横向大拉杆自向式膨胀节、压力平衡型膨胀节、横向大拉杆、自 平衡型膨胀节 2010/11/6AECsoft 膨胀节的详细模拟膨胀节的详细模拟膨胀节的详细模拟膨胀节的详细模拟 HARDWARE - Input 1/4 of joint weight per end 2010/11/6AECsoft 膨胀节的详细模拟膨胀节的详细模拟膨胀节的详细模拟膨胀节的详细模拟 例如建立个带销钉的铰式膨胀节可以按照如?例如，建立一个带销钉的铰式膨胀节，可以按
29、照如 下步骤进行： ?1.建立100-102（直管）、102-104（直管）、104- 106（波纹管）、106-108（直管）、108-110（直106（波纹管）、106 108（直管）、108 110（直 管） ?2.建立端板，分别从102、108建立2个刚性元件表示 ?3 建立拉杆并添加端板拉杆间的约束关系?3.建立拉杆，并添加端板拉杆间的约束关系 ?4.建立铰轴点的约束关系（1020及1040） 2010/11/6AECsoft 膨胀节的详细模拟膨胀节的详细模拟膨胀节的详细模拟膨胀节的详细模拟 ?约束的设置约束的设置 Bellows Hardware Restraints 2010/1
30、1/6AECsoft 膨胀节中约束的设置膨胀节中约束的设置膨胀节中约束的设置膨胀节中约束的设置 ?约束的设置则主要集中在拉杆与端板的限制关系上 ，正确的设置约束关系，膨胀节才能正确的工作。，正确的设置约束关系，膨胀节才能正确的工作。 2010/11/6AECsoft 膨胀节的详细模拟膨胀节的详细模拟膨胀节的详细模拟膨胀节的详细模拟 准确模拟刚性件之间的约束关系准确模拟刚性元件之间的约束关系 Rigid Element Restraint 2010/11/6AECsoft 膨胀节的数据库调用膨胀节的数据库调用膨胀节的数据库调用膨胀节的数据库调用 ?在CAESAR当中，用户还可以调用数据库生成特定
31、 型号的膨胀节型号的膨胀节 2010/11/6AECsoft 膨胀节的数据库调用膨胀节的数据库调用膨胀节的数据库调用膨胀节的数据库调用 2010/11/6AECsoft 膨胀节的数据库调用膨胀节的数据库调用膨胀节的数据库调用膨胀节的数据库调用 2010/11/6AECsoft 膨胀节的数据库调用膨胀节的数据库调用膨胀节的数据库调用膨胀节的数据库调用 ?调用数据库时，选择对应压力等级、波纹管形式、 材质、波数、端面形式、等信息之后，程序自动在材质、波数、端面形式、等信息之后，程序自动在 当前单元上创建该膨胀节。 2010/11/6AECsoft 膨胀节的数据库调用膨胀节的数据库调用膨胀节的数据库调用膨胀节的数据库调用 2010/11/6AECsoft 膨胀节的数据库调用膨胀节的数据库调用膨胀节的数据库调用膨胀节的数据库调用 ?选择布置 方向方向 2010/11/6AECsoft