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1、CAESAR II CAESAR II 工况编辑器工况编辑器工况编辑器工况编辑器 何耀良 北京艾思弗计算机软件技术有限责任公司 何耀良 北京艾思弗计算机软件技术有限责任公司 2010 2010-11-6AECsoft 定义工况的设计目的 ?为了考虑各种载荷的组合形成的冷态、热态、偶 然及所有可能工况； ?为了计算各种工况下的约束力、弯矩； ?为了计算各种工况下的位移； ?为了计算规范应力； 2010-11-6AECsoft Code stresses-规范应力规范应力 ?Inclusion or exclusion of loads for convenience ?为了分析的需要，应该包含或
2、者排除某些载荷 ?May represent a range, rather than absolute ?规范应力可能代表了特定的范围，并不是一个绝对值。 ?Loading type segregated and analyzed separately ?载荷的形式应该进行独立的分析 ?Magnification due to local variations ?考虑了弯头、三通等管件的局部应力增大现象 ?Code committee tradition ?规范应力是规范委员会的传统惯例。 2010-11-6AECsoft CAESAR II 中所有的原始载荷中所有的原始载荷 ?W, WNC
3、, WW 管子加保温加介质重量, 空管重量, 管子中带水的重量 ?T1, T2, , T9 操作温度 ?HP, P1, P2, , P9 水压试验压力和管道操作压力 ?H, F1, F2, , F9 弹簧, 集中力/弯矩 ?D1, D2, , D9 附加位移 ?CS 冷紧或冷拉 ?U1, U2, U3 均布载荷/地震加速度 ?WIND1, WIND2, , WIND4 风载荷 ?WAVE1, WAVE2, , WAVE4 波浪载荷 2010-11-6AECsoft 工况的组成工况的组成 ?在真实世界中，管道系统是多种载荷综合作用的整 体，为了能够准确评价管道的应力水平及其是否安 全，必须将载荷
4、进行分类。 ?一次载荷：必须满足静力平衡，否则导致垮塌失效。 ?诸如重量、压力、集中力、均布载荷、弹簧荷载、风载 荷及海浪载荷等等 ?二次载荷：变形引发，导致疲劳失效。 ?诸如温度、初始位移量等 2010-11-6AECsoft 工况的组成工况的组成 ?载荷分类之后可进行组合形成特定工况，不同工况 对应不同的应力标签，如下所示： Ope-操作工况 Sus-持续工况 Exp-热膨胀工况 Occ-偶然工况 Hyd-水压试验工况 HGR-弹簧设计工况 FAT-疲劳工况 2010-11-6AECsoft 工况的组成工况的组成 ?OPE-包含所有出现在操作状态下的原始载荷。 ?如：OPE=W+P1+T1
5、+H+D1+CS ?SUS-仅包含持续性的原始载荷。 ?如：SUS=W+P1+WIN1 ?EXP-为冷态热态的变化过程。 ?如：EXP=OPE-SUS 2010-11-6AECsoft 工况的组成工况的组成 ?HGR-弹簧选型工况，一般分为两个： ?HGR1-W 仅包含重量，用于求解工作载荷 ?HGR2-W+P1+T1+D，用于求解工作位移 ?HYD-水压试验工况。 ?如：HYD=WW+HP ?FAT-疲劳工况，必须给定循环次数。 2010-11-6AECsoft 组合工况组合工况 Used to add or subtract results from previously defined
6、primitive load cases. 通过基础工况的加减获取特定的载荷要求。如在非线 性系统中重新计算风和地震载荷。 Necessary for proper EXP and OCC code stress definition. 考虑二次应力及偶然应力的工况组合。 Not used for restraint or equipment load definition, nor for displacement reporting. 有些特定的中间设计工况既不是计算推力也不是计算 位移，如弹簧设计工况 因此我们需要对工况进行组合编辑 2010-11-6AECsoft 工况编辑器工况编辑器
7、 原始载荷原始载荷 组合工况组合工况工况应力类型工况应力类型 载荷循环次数载荷循环次数 推荐工况 2010-11-6AECsoft CAESAR II 工况设置工况设置 ?进行一次静态计算后，CAESAR II 保存最后 一次运算时的载荷工况设置。 ?注：CAESAR II 不会自动设置偶然工况，用 户需要根据实际情况灵活定义。 ?注：CAESAR的膨胀工况不能直接按照T表示 2010-11-6AECsoft 疑问疑问1-为什么膨胀工况不能以为什么膨胀工况不能以T表示？表示？ ?膨胀工况EXP=OPE-SUS ?OPE=W+P+T，SUS=W+P ?两者之差亦为T Why？ 两种工况设置可能导
8、致截然不同的计算结果 非线性约束支配了载荷的分配 系统中其他载荷的叠加也会造成影响 2010-11-6AECsoft 非线性约束非线性约束 非线性约束的刚度会随着管道的位置或所产生推力的 大小发生改变 例如， ?单向约束（+Y） ?约束的间隙 ?摩擦系数 ?摆杆约束 ?双线性约束 2010-11-6AECsoft 双向约束与单向约束双向约束与单向约束 2010-11-6AECsoft 非线性因素与非线性因素与exp工况工况 ?由上所述，当存在一个非线性约束（如带间隙的横向限位） 时，使用OPE-SUS与单独使用T就将出现区别。 Cii输入的管道位置即管道在不加 载下管道的原始位置 单独加温度T
9、后管道位置 L3=T1（EXP） Total Displacement for T1 (EXP) = 1 x Gap 2010-11-6AECsoft 非线性因素与非线性因素与exp工况工况 L2 = W+P1 (SUS) L1 = W+P1+T1 (OPE) 在持续载荷下，由于约束的限制导 致管道转动，管道挤压左侧限位。 在操作载荷作用下，由于热胀， 管道挤压右侧限位。 2010-11-6AECsoft 非线性因素与非线性因素与exp工况工况 If we subtract the displacements of the SUS case from OPE we get: 如果我们从热工况O
10、PE位移减去SUS冷工况位移，即得到： 总位移： L1-L2 = 2 x Gap 在一个线性系统当中： T1 (EXP) = L1 L2 (EXP) 上述表示在一个非线性系统当中则是不成立的. This represents the effect of temperature in the presence of other loads. 相减获得的温度载荷是考虑了其他载荷的作用效果。 This is a displacement stress range, not starting from the neutral position. 这是一个位移的范围，而不是从输入位置单纯热胀。 2010
11、-11-6AECsoft 疑问疑问2-如何考虑一个偶然载荷？如何考虑一个偶然载荷？ ?根据规范，偶然载荷定义为短时间作用的持续载荷 ，应力校核应与持续载荷归为一类： ?例如：SUS+OCC kS ?但在查看偶然作用下操作工况的载荷大小时，又需 要将之与OPE工况相叠加，如：OPE+OCC ?那么对于风载荷、海浪载荷、地震载荷，均属于偶 然载荷范畴，如何周全考虑？ 2010-11-6AECsoft 偶然载荷工况的定义偶然载荷工况的定义 ?对于大多数管道规范（不包含离岸埋地管道），应 首先新定义一个OPE工况，并将偶然载荷包含其中 ?其次，将新叠加后的OPE工况与软件自动生成的 OPE工况进行减运
12、算，得到包含了非线性因素的纯 偶然载荷，获得新的偶然载荷。 ?最后，将上述重新求解的偶然载荷与SUS工况进行 叠加，以评定其偶然应力OCC。 2010-11-6AECsoft 偶然载荷工况的定义偶然载荷工况的定义 ?假设我们用一个均布载荷来表示静态地震加速度载 荷U1，则其工况的设置应当符合下列形式： ?L1 = W+P1+T1(OPE) 基础操作工况 ?L2 = W+P1(SUS) 冷态工况 ?L3 = W+P1+T1+U1(OPE) 考虑偶然载荷的操作工况 ?L4 = L1-L2(EXP) 使用Algebraic合成 ?L5 = L3-L1(OCC) 合成后的纯偶然载荷 ?L6 = L2+
13、L5(OCC) * 偶然应力工况 *使用 scalar 合成方法. 2010-11-6AECsoft 工况组合方法工况组合方法 ?CAESARII中提供了多种工况组合方法，其中最常见 的有两类： ?Algebraic（代数合成）: ?用于两个工况之间的减运算（求解EXP）. ?分别求解相关工况的位移后再进行减运算得到位移差. ?通过最后得到的位移量来求解推力、弯矩、应力. ?Scalar（标量合成）: ?用于两个工况之间的加运算（求解OCC）. ?分别求解相关工况的应力后再进行叠加 ?不再单独计算各工况的位移 2010-11-6AECsoft 注意注意 ?不要尝试用Algebraic方法来对两
14、个工况进行加运算，因为你不 能将偶然载荷的作用效果减弱热态的作用效果 ?不要尝试用Scalar方法来对两个工况进行减运算，因为这个时 候计算得到的二次应力位移范围小 2010-11-6AECsoft 工况组合方法工况组合方法 ?除此之外，软件还提供了多种组合方法： ?SRSS：平方根合成法。相关工况的位移、推力、应 力都将采用先平方和后开方的步骤进行合成，该方 法主要用于静态地震中各方向加速度代表的工况间 进行合成； ?ABS：绝对值加和。所有相关工况的位移、推力、 应力均进行绝对值加和运算，这种合成方法通常得 到一个超乎实际情况的保守结果； 2010-11-6AECsoft 工况组合方法工况
15、组合方法 ?MAX：不对相关工况进行合成，而对各工况位移、 推力、位移的绝对值进行比较，最终显示数值最大 的工况（显示时区分正负）。这种合成方法通常用 于在一系列相关工况中寻找极值工况； ?MIN：不对相关工况进行合成，而对各工况位移、推 力、位移的绝对值进行比较，最终显示数值最小的 工况（显示时区分正负）。这种合成方法通常用于 在一系列相关工况中寻找“最安全”工况； 2010-11-6AECsoft 工况组合方法工况组合方法 ?SignMin：比较各工况的位移、推力、应力数值的较 小者，按照正负区分，例如同样节点号如果L1的位 移为-10mm，L2的位移为2mm，则最终显示L1工况 的位移，
16、以此类推； ?SignMax：同样比较各工况的位移、推力、应力数值 的较大者，但按照正负区分，例如同样节点号如果 L1的位移为-10mm，L2的位移为2mm，则最终显示 L2工况的位移，以此类推； 2010-11-6AECsoft ?疑问3：如果管道在热态出现脱空，如何考虑其持续 应力问题？ 2010-11-6AECsoft 单向约束的非线性因素单向约束的非线性因素 注：当对这两个工况进行Algebraic运算时，将会得到一个正向的载荷（零减 去一个负值），这不是一个实际的载荷（因此我们从不推荐查看EXP工况下 的载荷），但是得到的EXP应力计算是正确的。 2010-11-6AECsoft 单
17、向约束的非线性因素单向约束的非线性因素 ?EXP工况仅仅解决了二次应力问题，通过原始OPE 工况和SUS工况可以查看其冷热位移及推力，问题 是如何考虑在操作状态下的一次应力？ ?类似的，当管道由于热涨出现支架脱空时，是一种 非线性因素。如果说W+P+T表示了持续载荷加温度 后仍然工作的支架点的推力，那么（W+P+T）-T则 表示在这种状态下，持续载荷W+P对支架产生的推 力作用，注意此时的W+P与原始的W+P是有区别的 ！ 2010-11-6AECsoft 单向约束的非线性因素单向约束的非线性因素 ?此时可对工况进行再编辑，增加两个新工况，分别 为“T1（OPE）”及“L4=L1-L3（SUS）” 2010-11-6AECsoft 输出内容输出内容 ?位移 ?通常在基本工况中查看，OPE及SUS； ?推力 ?通常在基本工况中查看，OPE及SUS； ?应力 ?根据规范规定在相关工况中查看，SUS、EXP及 OCC。 2010-11-6AECsoft 关于报告内容关于报告内容 ?HGR工况默认不显示，它是一个弹簧选型过程，不 代表最终计算结果； ?基本工况显示位移/推力，但应参考前文所述； ?软件默认不计算OPE工况应力，因为规范并未对操 作条件下的应力水平进行强制要求（海洋工程、 FRP管道、埋地管道是要求校核热态应力的）； ?应力报告通常只针对组合工况，如：EXP、OCC