CAESARⅡ的管道動(dòng)態(tài)分析應(yīng)用探討

張懌 王新偉

摘 要：管道應(yīng)力分析軟件CAESARⅡ是一個(gè)高效、經(jīng)濟(jì)和快捷的分析工具，使設(shè)計(jì)者能夠洞悉管線運(yùn)行中各處的應(yīng)力和位移狀況，減輕設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度，縮短設(shè)計(jì)周期，確保工程的設(shè)計(jì)質(zhì)量，被石化、燃?xì)狻㈦娏υO(shè)計(jì)單位所使用。本文以往復(fù)壓縮機(jī)的管道振動(dòng)為例，對管系的應(yīng)力進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析，從單向約束，動(dòng)靜載荷，疲勞破壞等角度分析管系的穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：CAESARⅡ；應(yīng)力計(jì)算；動(dòng)態(tài)分析

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.17.057

1 CAESARⅡ軟件的功能介紹

自1984年以來，由美國公司開發(fā)的CAESARⅡ軟件就成為石油化工及電力行業(yè)應(yīng)用最為廣泛的應(yīng)力分析軟件。它可以實(shí)現(xiàn)獨(dú)立區(qū)域輸入相關(guān)計(jì)算參數(shù)、模型錯(cuò)誤檢查、三維模型演示及在線幫助；能夠進(jìn)行多種操作條件、工況下的應(yīng)力分析（包括靜態(tài)分析和動(dòng)態(tài)分析），載荷、位移計(jì)算；能夠利用自身的數(shù)據(jù)庫或用戶定義的數(shù)據(jù)庫進(jìn)行膨脹節(jié)和阻尼器的計(jì)算，最終生成完整的計(jì)算報(bào)告，并將模型的約束形式以單線模式輸出到AutoCAD軟件上。

2 動(dòng)態(tài)分析在受力分析中的應(yīng)用實(shí)例

對于石油化工行業(yè)，動(dòng)態(tài)分析主要包括以下部分：往復(fù)壓縮機(jī)和往復(fù)泵管道的振動(dòng)分析、管道計(jì)算系統(tǒng)在地震載荷、沖擊載荷（安全閥沖擊功以及氣錘等）作用下的振動(dòng)分析。進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析時(shí)，首先輸入動(dòng)態(tài)分析工況的具體參數(shù)，整個(gè)系統(tǒng)在不同部位的質(zhì)量參數(shù)、強(qiáng)迫振動(dòng)的具體載荷參數(shù)、膨脹節(jié)及阻尼器的型號和頻譜定義等詳細(xì)的邊界條件，之后選取正確的校核規(guī)范，來評價(jià)最終的計(jì)算結(jié)果。

2.1 動(dòng)態(tài)分析的振型和自然頻率的計(jì)算

動(dòng)態(tài)分析首先進(jìn)行管道系統(tǒng)的振動(dòng)型式和管系自然頻率的計(jì)算。對系統(tǒng)振動(dòng)振型做計(jì)算后，能夠初步判斷系統(tǒng)的振動(dòng)是否合理，縮短整體管系詳細(xì)計(jì)算的時(shí)間；通過計(jì)算整體管系的自然頻率和位移，得出整個(gè)計(jì)算模型的阻尼系數(shù)和在諧振力或位移作用下的振動(dòng)響應(yīng)參數(shù)，最終計(jì)算出機(jī)械和聲學(xué)的振動(dòng)的模型。

軟件用戶也可以自定義計(jì)算方法：①力頻圖譜分析法——例如安全閥泄放的沖擊功、水錘、汽錘、地震荷載和風(fēng)荷載等常見的沖擊載荷，它計(jì)算隨著時(shí)間變化的荷載，并將計(jì)算的結(jié)果轉(zhuǎn)化成對應(yīng)的頻率響應(yīng)參數(shù)。②時(shí)程分析響應(yīng)法——把動(dòng)載荷作用的時(shí)間當(dāng)作計(jì)算參數(shù)輸入，計(jì)算軟件根據(jù)設(shè)定的作用時(shí)間，分析管系的振型及響應(yīng)參數(shù)，用動(dòng)畫形式顯示在不同作用時(shí)間的振型，并分析計(jì)算模型的固有頻率，得到最終的評價(jià)結(jié)果。

2.2 動(dòng)態(tài)分析的結(jié)果呈現(xiàn)

CAESARII 的報(bào)表輸出非常的靈活，用戶可根據(jù)工程項(xiàng)目的需要，選擇包括：輸入的基礎(chǔ)參數(shù)、安裝及工作狀態(tài)下的應(yīng)力與許用應(yīng)力的比較、各個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)的力、力矩、位移的具體數(shù)值和彈簧的具體選型參數(shù)等。用戶可以通過電腦屏幕查看選擇的技術(shù)報(bào)告，也可以通過定制的模板另存為完整的設(shè)計(jì)文件。

軟件用戶也能通過動(dòng)態(tài)顯示功能查看時(shí)程分析的結(jié)果。通過計(jì)算管道系統(tǒng)高頻率模態(tài)響應(yīng)來改善動(dòng)態(tài)解的正確度，并考慮動(dòng)靜混合工況，同時(shí)允許用戶任意組合靜態(tài)和動(dòng)態(tài)載荷，以及附加在管到系統(tǒng)的臨時(shí)載荷，計(jì)算動(dòng)態(tài)推力載荷和提高瞬態(tài)壓力，最終動(dòng)態(tài)顯示時(shí)程分析結(jié)果。軟件設(shè)置了多種的計(jì)算結(jié)果傳輸接口，也能夠?qū)⒘黧w分析軟件的計(jì)算的結(jié)果自動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)镃AESARⅡ可使用的響應(yīng)譜數(shù)據(jù)，并顯示計(jì)算結(jié)果。

2.3 動(dòng)態(tài)分析的結(jié)果校核

計(jì)算完成后，需根據(jù)不同行業(yè)相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，如石油化工選用ASME B31.1，并對結(jié)果進(jìn)行校核。管道應(yīng)力的校核的目的是為了防止管道的受力超過其對應(yīng)溫度的許用應(yīng)力，導(dǎo)致管道破裂。類型不同的載荷的作用形式有所區(qū)別，形成的應(yīng)力對管道系統(tǒng)的影響也不盡相同。若根據(jù)系統(tǒng)的綜合應(yīng)力進(jìn)行應(yīng)力校核會(huì)過于保守，造成整個(gè)系統(tǒng)的投資增大，因此我們根據(jù)不同的應(yīng)力分類去專項(xiàng)校核。危險(xiǎn)小的應(yīng)力，計(jì)算時(shí)放寬許用值；危險(xiǎn)大的應(yīng)力，特別是高溫高壓的管線，計(jì)算值控制在許用值的50%以下。計(jì)算時(shí)，軟件根據(jù)不同的應(yīng)力形式及作用方式將其進(jìn)行分類組合，從而單一類型的應(yīng)力不一定是實(shí)踐中能夠測量的。對于振動(dòng)管系，需盡量提高自身的固有頻率，避免引起共振。同時(shí)也需要校驗(yàn)各種計(jì)算分析方法下的許用應(yīng)力，相關(guān)的計(jì)算公式如下：

靜力分析：

σ1≤[σ]h （1）

式中σ1 -管道系統(tǒng)受力點(diǎn)在各個(gè)工況下最大的靜應(yīng)力（kpa）；

[σ]h -管道元件材料在相應(yīng)工況溫度下的許用應(yīng)力（kpa）。

動(dòng)應(yīng)力校核：

σh≤σa=f（1.25[σ]L+0.25[σ]h） （2）

式中σh指管道系統(tǒng)在各個(gè)工況下最大的間接應(yīng)力，kpa；

f指許用應(yīng)力幅度減弱系數(shù)；

σa指各個(gè)工況許用應(yīng)力的范圍；

[σ]L指管道系統(tǒng)在20℃時(shí)的許用應(yīng)力；

[σ]h指管道系統(tǒng)在設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力（kpa）。

3 軟件使用經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

CAESARⅡ能夠針對多種復(fù)雜工況組合的管道系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析，并分析得出的響應(yīng)時(shí)間和自然頻率，對比管道系統(tǒng)的固有頻率，選擇最合適的管道約束。具體的分析計(jì)算可分為以下6個(gè)步驟：①輸入外界載荷參數(shù)——時(shí)間作用曲線（響應(yīng)圖譜）；②計(jì)算管道系統(tǒng)固有振動(dòng)頻率（模態(tài)分析得出的結(jié)果）；③得到DLF曲線；④計(jì)算靜態(tài)響應(yīng)（系統(tǒng)響應(yīng)）；⑤計(jì)算動(dòng)態(tài)響應(yīng)圖譜；⑥綜合對比計(jì)算結(jié)果，若有偏差則返回修改計(jì)算模型，重復(fù)步驟①和②，直至得出正確的計(jì)算結(jié)果。

綜上所述，軟件不僅可以進(jìn)行非線性靜力分析，還可以進(jìn)行諧波分析、模態(tài)分析，反應(yīng)譜分析，時(shí)間歷程分析等分析方法。利用這些方法，用戶可以對計(jì)算模型進(jìn)行定性的分析，并得到解決方案；可有效的防止管道系統(tǒng)因風(fēng)載荷、地震荷載、機(jī)械振動(dòng)、流體錘（水錘、蒸汽錘）、壓力脈動(dòng)及安全閥泄放等動(dòng)載荷造成的管道振動(dòng)及破壞，保證管道系統(tǒng)的本質(zhì)安全。

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