CN103020442B - 一种用于工程实际问题的管道应力评定的辅助图形方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及管道应力分析计算技术，具体涉及一种用于工程实际问题的管道应力评定的辅助图形方法。该方法将计算应力中与应力集中无关的量，以及与应力集中有关的量分别的输出。对应力集中有关的量，再分为考虑应力集中前的量和考虑应力集中以后的量，然后利用图形显示出来，用户可以从图形中得到很多信息，并借助图形可以更快的找到解决问题的办法，对于解决工程问题会有很大帮助。

Description

一种用于工程实际问题的管道应力评定的辅助图形方法

技术领域

本发明涉及管道应力分析计算技术，具体涉及一种用于工程实际问题的管道应力评定的辅助图形方法。

背景技术

目前的管道计算通常都采用有限单元法用梁单元计算完成，其应力输出方法很多。但管道计算的结果与一般有限元应力结果不同，主要区别在于管道计算的规范规定决定了其计算应力不是均匀分布的。见下面计算公式：

$S_{SL}=\frac{{\mathrm{PD}}_0}{4t_n}+0.75i\frac{M_A}{Z}\≤S_h$

这只是一个计算公式，实际工程中的计算公式很多，但其形式基本一致。等号右端两项分别是内压引起的应力和管道弯矩引起的应力，MA是弯矩，Z是截面系数，i是应力集中系数，它与焊接类型或管道部件有关，对于角焊缝规范规定其值等于2.1。规范还规定0.75*i要大于1.0。因为这个原因通用的有限单元法程序无法快速、完整的处理工程管道问题。公式中P为内压，D_O为管道外径，t_n为壁厚，S_h是许用应力。

目前的管道专用程序可以显示各种图形，其结果也是最终计算应力，或者计算应力与许用应力的比值。对于考虑与不考虑应力集中的结果，即系数i的影响，目前没有适用的方法将其显示出来。程序用户无法对管道内的应力有深刻的理解，从而在解决管道应力问题时，对问题的认识作到快速、准确、有效比较困难。

现在的计算机速度和容量对于管道题目都不再是问题，可以把计算单元划分的非常细，由此可以看到一些以前看不到的情况。因而还可以得到一些更加深入的信息内容。

下面先对计算过程中的各种数据给与介绍。程序直接计算出的是没有考虑应力集中的结果，称之为名义应力，乘以应力集中系数后得到的是实际应力。实际应力等于名义应力乘以应力集中系数，如下：

Sr＝Sc*i

而工程中关心的计算结果是计算应力与许用应力的比值，通常规范中规定的评定条件是：

Sr<Sa或R0＝Sr/Sa<1.0

其中，

Sr是考虑了应力集中后的真实应力；

Sc是名义应力或管道程序中间的计算应力；

i为应力集中系数；

Sa是给定的许用应力值；

R0是评定应力比，即计算得到的真实应力Sr与许用值Sa的比值。

再定义R1＝Sc/SaR2＝R0-R1

R1是名义应力比，即计算得到的名义应力Sc与许用值Sa的比值；

R2是应力比差值，即考虑应力集中与不考虑应力集中的应力比的差值。

发明内容

本发明的目的是针对工程实际情况，提供一种管道应力评定的辅助图形方法，为用户提供更多的更有深度的计算信息内容输出，帮助用户对计算结果有更加深入的理解。

本发明的技术方案如下：一种用于工程实际问题的管道应力评定的辅助图形方法，包括如下步骤：

(1)将管道在长度方向上进行精细划分，得到若干个计算结点；

(2)对每个结点进行有限元计算和应力计算，计算中区分没有乘以应力集中系数的应力值Sc以及乘以应力集中系数后的实际应力值Sr；

(3)计算没有乘以应力集中系数的名义应力比R1＝Sc/Sa，以及乘以应力集中系数后的评定应力比R0＝Sr/Sa，其中，Sa为给定的许用应力；得到考虑应力集中与不考虑应力集中的应力比的差值R2＝R0-R1；

(4)采用二维或三维图形显示的方式分别显示名义应力比R1和应力比的差值R2，图形中可以清楚的看到有和没有应力集中情况的应力分布；

(5)利用图形对管道应力进行评定，并对起控制作用的应力点进行处理。

进一步，如上所述的用于工程实际问题的管道应力评定的辅助图形方法，步骤(1)中将管道在长度方向上划分时，结点的间隔小于等于1mm。

进一步，如上所述的用于工程实际问题的管道应力评定的辅助图形方法，步骤(4)中采用不同的线段在二维坐标系中分别显示名义应力比R1和应力比的差值R2，二维坐标系中横坐标表示结点，纵坐标表示应力比大小；在应力比为1.0的位置用水平虚线表示边界值。

更进一步，采用不同颜色的垂直线段分别显示名义应力比R1和应力比的差值R2；或者采用粗细不同的垂直线段分别显示名义应力比R1和应力比的差值R2。

或者，步骤(4)中在管道三维图形的基础上绘制各个结点位置，进行两遍图像输出，第二遍图像输出时把垂直方向位置减去一个单位1.0，而且用虚线绘出该管道图，此线作为应力比的边界值；然后将每个结点的应力比线的下部起始位置设为第一遍三维图形上的对应结点起始位置(X,Y)，采用不同的线段在三维坐标系中分别显示名义应力比R1和应力比的差值R2，得到实际的管道应力比分布情况。

本发明的有益效果如下：本发明将计算应力中与应力集中无关的量，以及与应力集中有关的量分别的输出。对应力集中有关的量，再分为考虑应力集中前的量和考虑应力集中以后的量，然后利用图形显示出来，用户可以得到很多信息，对于解决工程问题会有很大帮助。借助此发明结果，如果仅仅由于一点的焊接位置的改变(通常承插焊的应力集中系数为2.1)，根本没有必要重新进行计算，只需把具体位置的结果简单的手工处理一下就可以知道实际结果。

如果计算结果不满足规范要求，例如最大应力问题在三通处，其应力集中系数为：

其中h为柔性系数，其中t_n为管道壁厚，r为管道平均半径，t_e为补强板壁厚，应力集中系数大于2.0的三通很多。这时，修改t_e就可以减小应力集中系数。有可能使应力结果满足规范要求。可见借助本发明的图形方法可以更快的找到解决问题的办法。

附图说明

图1为采用二维坐标系表示各结点应力比图形的示意图；

图2为实际工程中的管道三维示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

本发明是一种管道应力的图形输出方法，将管道规范应力计算结果分为了三部分：

以该公式为例 $S_{SL}=\frac{{\mathrm{PD}}_0}{4t_n}+0.75i\frac{M_A}{Z}\&le;S_h$

1)与应力集中无关部分，如公式的内压项PD_O/4t_n；

2)与应力集中有关的结果中的没有乘以应力集中系数的部分，或者将0.75i去除的部分，即M_A/Z项；

3)考虑应力集中后增加的部分0.75*i*M_A/Z-M_A/Z，或(0.75*i-1.0)*M_A/Z。

在作管道计算时，要把单元划分的很细，以使有应力集中的结果可以清楚的显示出来。

在把管道单元划分得很细的情况下，从本发明得到的图形中可以清楚的看到有和没有应力集中情况的应力分布。使用者可以知道哪部分应力是管道中的直接计算的名义应力，哪部分是考虑应力集中后的真实应力。

在管道模型单元划分时通常根据动力计算的要求得到最大单元长度：其中公式中，L为最大单元长度，I是管道单元抗弯矩，D_O是管道外径，d_i是管道内径，W是管道单元的线重量。可以令实际采用的管道单元长度l＝L_MAX*f。这里f是单元划分系数，可以将f设定为0.001，以保证单元长度足够小。

实施例

用于工程实际问题的管道应力评定的辅助图形方法的具体步骤如下：

1、首先，作管道计算时，要把单元划分得很细，例如1毫米(甚至更小)一个单元，这可以通过给定单元划分系数来实现。如前所述，当根据题目要求单元长度应为L时，而在划分单元时，用长度l来划分单元，l＝L*f，L为管道长度，可令f等于0.001，甚至更小。

2、接下来进行有限元计算，在得到计算应力结果时，要区分没有乘应力集中系数的应力值Sc和乘以应力集中系数后的值Sr。也可以得到每个点没有乘应力集中系数的应力值Sc，以及对应点的应力集中系数i。

3、因为实际使用者关心的是应力比值R0，即计算值与许用值的比值Sr/Sa。将没有乘以集中系数的应力比结果R1＝Sc/Sa和乘以集中系数后的结果的差R2分别显示，R2＝R0-R1。

4、如用两种颜色显示。本例中用粗细不同的垂直线段显示。没有乘以集中系数的应力比用细线和乘以集中系数后的应力比差值用粗线表示。用横坐标表示不同结点，纵坐标表示各个点的应力比值。如图1所示，其中下部的细线是名义应力比R1，上部的粗线是应力比差值R2，R0＝R1+R2，R0是起控制作用的比值。图中上部的水平虚线是比值为1.0的边界条件，超过该线的点表示此点应力超过规范要求。工程中要严格控制此比值不能大于1.0，图1中的N点满足规范的要求，而M点超过了规范要求的许用值。所有这些信息也可以用表格形式给出，以帮助用户更精确掌握计算结果。

5、以上图形可以用两维平面绘出，如图1所示。也可以用三维图形显示。将管道三维图形作基础显示，如图2，图上标出了支架和支撑结点号。

6、用三维绘制各个结点位置时，只需将三维结点坐标，投影到给定平面上即可，p(X,Y)＝f(x,y,z,alf,psi,theta)。其中alf,psi,theta是投影方向。但应该作两遍图像输出，第一遍如图2所示，另一遍要把垂直方向(可以是Y)位置减去一个单位1.0，而且要用虚线绘出该管道图，此线为应力比的边界值，意义与图1中上部的水平虚线对应。

7、然后将每点的应力比线的下部起始位置改为第一遍三维图形上的对应结点起始位置(X,Y)，再绘出和前面介绍方法一致的应力比线，这样可以更直接的得到实际的管道应力比分布情况。

以上图形只是考虑应力集中和不考虑应力集中的的情况，对于与应力集中无关的量，如前式中的内压项，在结果处理或绘图时用另一颜色或线形把它标记出来即可，对于结果分析没有重要影响。

管道应力满足规范要求的关键之一是实际工程中具体位置的应力集中系数i，它是与焊接、部件制造等具体工程情况相关的内容。例如焊接方式，对接焊，平焊或承插焊其数值会有很大不同。而对于一些部件其应力集中系数与具体条件有关，如三通补强板的厚度，当明确知道一点名义应力和应力集中系数时，在评定结论不满足要求时，就可以通过改变补强板厚度来减小i值以降低Sr值，使其满足规范要求。

有了这样得到的图形，就可以具体的直接对起控制作用的应力点进行处理，以使整个管道应力都达到一个较平均，而且比较合理的应力水平。

如果管道没有大的修改，只是应力集中系数的改变时，由于有本发明图形的帮助完全可以不重新进行计算，只需改变应力集中系数就能够得到最终的应力分布结果。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (5)

1.一种用于工程实际问题的管道应力评定的辅助图形方法，包括如下步骤：

(1)将管道在长度方向上进行精细划分，得到若干个计算结点；

(2)对每个结点进行有限元和应力计算，计算中区分没有乘以应力集中系数的应力值Sc以及乘以应力集中系数后的实际应力值Sr；

(3)计算没有乘以应力集中系数的名义应力比R1＝Sc/Sa，以及乘以应力集中系数后的评定应力比R0＝Sr/Sa，其中，Sa为给定的许用应力；得到考虑应力集中与不考虑应力集中的应力比的差值R2＝R0-R1；

(4)采用二维或三维图形显示的方式分别显示名义应力比R1和应力比的差值R2，图形中可以清楚的看到有和没有应力集中情况的应力分布；

(5)利用图形对管道应力进行评定，并对起控制作用的应力点进行处理。

2.如权利要求1所述的用于工程实际问题的管道应力评定的辅助图形方法，其特征在于：步骤(1)中将管道在长度方向上划分时，结点的间隔小于等于1mm。

3.如权利要求1或2所述的用于工程实际问题的管道应力评定的辅助图形方法，其特征在于：步骤(4)中采用不同的线段在二维坐标系中分别显示名义应力比R1和应力比的差值R2，二维坐标系中横坐标表示结点，纵坐标表示应力比大小；在应力比为1.0的位置用水平虚线表示边界值。

4.如权利要求3所述的用于工程实际问题的管道应力评定的辅助图形方法，其特征在于：采用不同颜色的垂直线段分别显示名义应力比R1和应力比的差值R2；或者采用粗细不同的垂直线段分别显示名义应力比R1和应力比的差值R2。

5.如权利要求1或2所述的用于工程实际问题的管道应力评定的辅助图形方法，其特征在于：步骤(4)中在管道三维图形的基础上绘制各个结点位置，进行两遍图像输出，第二遍图像输出时把垂直方向位置减去一个单位1.0，而且用虚线绘出该管道图，此线作为应力比的边界值；然后将每个结点的应力比线的下部起始位置设为三维图形上的对应结点起始位置(X,Y)，采用不同的线段在三维坐标系中分别显示名义应力比R1和应力比的差值R2，得到实际的管道应力比分布情况。