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1、CAESAR II 局部应力分析,AECSOFT北京艾思弗计算机软件技术有限责任公司2010,2019/11/24,AECsoft,概述,局部应力分析贯穿于整个管道应力分析及压力容器的设计分析工作当中。理解局部应力在管道及设备当中的成因和影响，对分析设计工作至关重要。,2019/11/24,AECsoft,概述,Part 局部应力的应用Part 局部应力计算方法,2019/11/24,AECsoft,一、局部应力的应用,管道专业的应用 压力管道应力分析采用的是梁单元有限元法来分析。但是大口径薄壁管道的应力分析比较特殊，其管道单元属性已经超过梁单元定义范围，其既具备梁单元属性也具备壳单元属性，此
2、类管道的柔性设计往往只能保证管道自身强度，对于一些管口、特殊弯头、法兰、变径段、三通、管道支架等局部失效无法进行更为精确的强度评定。此外这些管件在管道应力分析中所使用的SIF也规范中的常规计算方法已不适用。因此我们需要采取其它手段（规范）来进行局部应力校核。（WRC107/297、有限元）,管道专业的应用 设备专业的应用,2019/11/24,AECsoft,设备专业的应用,压力容器在压力、温度、外部集中力、风载、地震等载荷作用下可能导致管口、支撑件与壳体局部连接处失效，这些问题常规分析方法往往已不适用，应采用WRC107/297/PD5500或有限元法来进行局部应力分析以确保局部连接处在设备
3、运行时安全可靠。,2019/11/24,AECsoft,管道系统常见局部失效,2019/11/24,AECsoft,管道系统常见局部失效,2019/11/24,AECsoft,管道系统常见局部失效,2019/11/24,AECsoft,压力容器接管处引发的局部失效,2019/11/24,AECsoft,应力增大系数,应力增大系数Stress Intensification Factor，用于表示弯头、三通等几何变形不光滑（或几何不连续）处的应力增大现象，其值等于直管应力与相同条件下弯头、三通等管件的应力之比，其值通常大于1：,2019/11/24,AECsoft,应力增大系数,规范对应力增大系
4、数的考虑：B31.1B31.3,2019/11/24,AECsoft,应力增大系数,2019/11/24,AECsoft,弯头的应力增大系数,2019/11/24,AECsoft,三通的应力增大系数,应力增大系数的大小与管件的直径、壁厚、是否补强、弯曲半径等因素有关。,2019/11/24,AECsoft,管道系统中SIF的局限性,上述针对管道的应力增大系数的研究均是以梁单元为模型进行实验得到的。换言之，上述SIF的计算公式及软件的计算过程均针对D/t100，当D/t100时，管道进入薄壁系列，其局部失稳特性开始表现出来，此时再按照管道标准进行计算将引起误差。因此，应用于大直径薄壁管、管道-设
5、备连接点的局部应力分析准则应运而生。,2019/11/24,AECsoft,应力增大系数的确定方法,确定应力增大系数可采用疲劳试验和数值分析两种方法。其中疲劳试验方法是确定应力增大系数的直接方法，也是基本方法。数值分析方法一般建立在现有疲劳试验基础之上。1、疲劳试验法按照一系列不同应力幅对直管和管件进行一系列疲劳试验，并根据试验结果，通过拟合得到直管和管件疲劳曲线表达式：式中 直管/管件中的循环应力幅，等于破坏点的弯矩幅值除以直管的抗弯的抗弯截面模量； N - 达到破坏时的循环次数； C、n - 材料常数。,2019/11/24,AECsoft,2、数值分析法 应用计算机程序进行详细的局部应力
6、分析确定应力增大系数，有限元法是最为有效的一种方法。一般步骤如下：采用有限元法对特殊管件进行分析，得到应力集中系数；应力增大系数等于应力集中系数的一半。应力增大系数应用的注意事项！ 根据GB 50316、ASME B31.1和ASME B31.3的规定，计算二次应力时应采用应力增大系数。这是由于采用应力增大系数的目的，是考虑局部应力集中的影响，而局部应力集中主要对管件的疲劳破坏产生作用。因为局部的高应力循环，将使材料产生裂纹并不断扩展，最终导致破坏。校核二次应力的目的正是为了防止疲劳破坏，因此在计算二次应力时必须考虑应力集中的影响，应该采用应力增大系数。另外，根据ASME B31.3的标准释义
7、，计算一次应力可不考虑应力增大系数。这主要是因为校核一次应力是为了控制管道的整体破坏，局部的应力集中对管道的整体破坏影响不大。另外一次应力采用弹性分析方法，认为某一点达到屈服管道失效，已经非常保守，如果在考虑应力集中的影响将导致过分保守。,2019/11/24,AECsoft,WRC107、297概述,WRC107及297美国焊接研究委员会第107号公报及其增补297公报，给出了外载作用下壳体局部应力的计算原则及其计算公式。CAESARII 内置的WRC107/297分析模块能够完全按照公报的要求，自动进行局部应力的计算，并能出具校核报告。需要注意的是，WRC107未考虑介质内压的影响，在计算
8、局部应力时，对于实心附件，一般额外叠加壳体的整体膜应力PD/2t 。对于空心附件，还需要叠加由结构不连续引发的附加应力（K-1）PRm/2t。,2019/11/24,AECsoft,WRC107,适用范围： 对球壳或柱壳形式的容器壁上实心附属元件的局部应力 附属元件可以为圆筒形、方形、矩形,2019/11/24,AECsoft,WRC107,计算原理规范选择附属元件、接管与壳体连接处为分析对象，并在连接部位定义八个点，AuDu为外表面点，AlDl为内表面点（所有点为壳体上的点），对该8个点进行应力分类 应力合成 应力评定,2019/11/24,AECsoft,WRC107,作用在壳壁上附属元件
9、的外加基本载荷有： 压力P、拉力T、剪切力V、沿壳体轴向的弯矩ML、沿壳体圆周方向作用的弯矩MC、作用在附属元件上的扭矩MT。,2019/11/24,AECsoft,外载荷会首先在连接点造成一次局部膜应力；弯矩可简化为大小相等、方向相反的力偶，而这个力偶则会生成局部弯曲应力；介质压力对壳体产生一次总体膜应力,WRC107,2019/11/24,AECsoft,仅由介质压力p所引起的薄膜应力为一次总体薄膜应力Pm；由外加载荷所引起的薄膜应力的叠加为一次局部膜应力PL；由外载荷所引起的弯曲应力为二次应力Q；如果连接处存在过渡圆弧，可能引起附加应力（K-1）PRm/2t，如果进行疲劳分析，则应带入相
10、关应力集中系数，当没有参考值时，按照K=1.0计算（即不考虑）。附加应力在WRC107当中划分为Q的一部分。,WRC107,2019/11/24,AECsoft,校核准则：PmhPm+PL 1.5hPm+PL+Q3h,WRC107,2019/11/24,AECsoft,WRC297,WRC297是WRC107的增补，与WRC107起到相互补充的作用；WRC107以球壳或柱壳上的圆形或方形实心体为基本力学模型，因而能够计算附近有支座、接管作用下筒体的局部应力，但是不能计算圆形空心附件（接管）的局部应力WRC297则以球壳或柱壳上开孔的圆形空心元件作为基本力学模型，因此可以计算连接处筒体周围的局部
11、应力（这一部分与WRC107基本相同），以及接管上的局部应力。,2019/11/24,AECsoft,WRC297,与WRC107相同的，WRC297遵循 ASME -2中对应力进行分类的原理，在外载荷及介质压力作用下，在局部四个点产生薄膜应力、弯曲应力、剪切应力等。对于接管局部应力的计算，由于不考虑接管和筒体连接处引发的应力集中，因此不计算附加峰值应力。,2019/11/24,AECsoft,举例,2019/11/24,AECsoft,输入参数,2019/11/24,AECsoft,输入参数、计算,2019/11/24,AECsoft,查看报告,2019/11/24,AECsoft,局部应力
12、计算的局限性,尽管WRC107、297及其他类似文献提供了局部应力的算法，但是两者并非万能，他们存在一定的应用局限性，在某些条件下计算结果与实际相差较大。,2019/11/24,AECsoft,WRC107应用范围及限制条件,对于WRC107而言，其局限性包含以下一些方面：1.不能进行接管补强板的详细分析，只能通过增大补强区域来进行近似计算2.不能计算非标准形式下的局部应力（例如斜接管、非径向接管等）3.不能计算设备顶部接管及偏移接管形式下的局部应力,2019/11/24,AECsoft,WRC107应用范围及限制条件,4.仅计算连接处筒体内外平面的八个点的局部应力，不能考虑完整情况5.不能全
13、面而精确的考虑介质内压与外载荷的合成应力6.在球壳下，d/D小于1/3，但当球壳平均直径Dm与球壳壁厚T之比在20-55之间时，则可不用考虑d/D条件一般情况下筒体的d/D应小于0.25，当满足特定条件时，其值可以提高至0.6,2019/11/24,AECsoft,WRC107应用范围及限制条件,2019/11/24,AECsoft,WRC107应用范围及限制条件,2019/11/24,AECsoft,WRC297应用范围及限制条件,WRC297继承了WRC107的一些限制条件，另外，当连接区域的接管壁厚小于补强壁厚时，其局部应力计算值可能过于保守d/t必须在20100之间，除非超范围后接管仍
14、能按照刚性考虑（即梁单元），如能满足后者，则任意比值均可D/T必须在202500之间d/T5d/D0.5（满足D/T前提下），通常应当小于0.33,2019/11/24,AECsoft,WRC297应用范围及限制条件,接管必须为各向同性截面，对容器一侧，计算范围不超出 ，对接管一侧，计算范围不超出 。 当接管一侧应力水平超过2/3许用值时，建议核算容器应力水平；107和297具有不同的计算结果；通常，107用于计算局部应力 ；297通常用于计算柔性,2019/11/24,AECsoft,WRC297应用条件,2019/11/24,AECsoft,小结,WRC107、297为外载荷（不包括内压）
15、作用下的局部应力计算提供了一个粗略的方法，但是其结果在一定范围内是准确的，超出了这个范围，应该使用有限元分析软件进行求解。什么范围可以使用WRC107/297？为什么？,2019/11/24,AECsoft,三、有限元分析(NozzlePro/FEpipe),为了能够表示出WRC107、297计算的误差，使用有限元分析软件(NozzlePro/FEpipe)来进行对比计算。有限元法严格按照理论分析方法，结合ASME -2中的应力分类来对特定结构进行应力计算，当满足理想化假设条件时，其结果与真实应力十分接近，并且有限元分析法不受任何几何条件的限制，计算精度与网格划分的疏密程度相关。,2019/1
16、1/24,AECsoft,有限元分析(NozzlePro/FEpipe),结构的局部区域由于存在应力增大，其峰值应力的精确度决定了局部应力计算的精确度。根据应力增大系数的定义，我们不妨通过求解WRC107、WRC297、有限元法下局部区域的应力增大系数来进行比较。SIF=管件的局部峰值应力等效直管峰值应力=(PL+Pb+Q+F) (M/Z),2019/11/24,AECsoft,有限元分析(NozzlePro/FEpipe),图线表示筒体轴向应力增大系数曲线，当d/D0.5时，WRC 107的应力增大系数与实际接近，从整个d/D范围上看，WRC297的结果更为保守（SIF更大），其值从215进
17、行变化。,2019/11/24,AECsoft,有限元分析(NozzlePro/FEpipe),在不同D/T、d/t数值下的轴向应力增大系数对比曲线,2019/11/24,AECsoft,有限元分析(NozzlePro/FEpipe),图线表示筒体平面内弯曲应力增大系数曲线，由数值上看，WRC107在d/D0.6范围内计算的局部应力偏小，WRC297则在整个范围内应力偏高,2019/11/24,AECsoft,有限元分析(NozzlePro/FEpipe),在不同D/T、d/t数值下平面内弯曲应力增大系数对比曲线,2019/11/24,AECsoft,有限元分析(NozzlePro/FEpip
18、e),图线表示筒体平面外弯曲应力增大系数曲线，由数值上看，WRC107在d/D0.7范围内计算的局部应力与真实值接近，而WRC297则在整个范围内应力偏高,2019/11/24,AECsoft,有限元分析(NozzlePro/FEpipe),在不同D/T、d/t数值下平面内弯曲应力增大系数对比曲线,2019/11/24,AECsoft,综述,从上述对比曲线我们可以发现，在d/D0.7范围内，对于任意D/T 还是d/t，WRC107计算得到的局部应力值与真实值较为接近，而WRC297则在所有范围偏高，且其趋势随d/D的增大而更为明显。由此可知，当使用WRC107及297进行局部应力计算时，如果发
19、现计算值占许用值比例较高时，很可能说明应力增大系数偏高的情况，应该考虑使用有限元法进行计算。,2019/11/24,AECsoft,相关有限元分析程序,FEP有限元系列软件,2019/11/24,AECsoft,FEP有限元系列软件,严格按照ASME VIII-2应力分类进行局部应力分析及校核。,2019/11/24,AECsoft,FEP有限元系列软件,板壳单元结构局部应力计算,2019/11/24,AECsoft,FEP有限元系列软件,支撑件对薄壁管的局部应力分析,2019/11/24,AECsoft,FEP有限元系列软件,薄壁管（壳单元）模型的局部应力分析,2019/11/24,AECs
20、oft,四、ASME应力分类,一次总体膜应力：由内压或机械载荷引起，用于描述设备整体为平衡外载荷所产生的应力，在分析设计中其失效体现为所有截面应力超出屈服极限,2019/11/24,AECsoft,ASME应力分类,一次弯曲应力：当设备由于外载荷产生弯曲变形时，截面上引发一次弯曲应力，其值通常与膜应力叠加产生应力重分布：,2019/11/24,AECsoft,ASME应力分类,一次局部膜应力：由内压或机械载荷（力或弯矩）引发，用于描述设备局部为平衡外载荷所产生的应力，失效体现为局部截面应力超出许用应力值。一次局部膜应力与二次应力相类似。,2019/11/24,AECsoft,ASME应力分类,
21、二次应力：在材料不连续处，由于外载荷或同一结构中不同区域温差的影响，相连接的结构、元件之间出现相互脱离的趋势，为保证结构的连接性所产生的应力称为二次应力。由于外载荷及温度也可能引发一次应力分量，故二次应力是总应力扣除一次应力及峰值附加应力后的差值。二次应力可以是总体的也可以是局部的。,2019/11/24,AECsoft,ASME应力分类,一次局部膜应力与二次应力的区别在于前者是局部的非自限性的，一旦失效不会恢复，而后者可以是总体的但自限性的，伴随着外载荷的变化而变化。,2019/11/24,AECsoft,ASME应力分类,峰值（附加）应力：主要特征是局部的，自限性的，独立于一次及二次应力之
22、外的特殊应力。典型的发生于几何不连续处，如设备开孔所引发的应力集中、不光滑的过渡区域、结构中的温差均可产生峰值应力,2019/11/24,AECsoft,ASME应力的强度评定,规范中要求，对各种应力强度的评定均应包含更危险成分，因此有一次加二次应力强度评定，但不对单独的二次应力额外评定。按此思想，结合各类应力的大小可以依次排列：,2019/11/24,AECsoft,ASME应力的强度评定,S1：PmS2：PL （PL一般大于等于Pm）S3：PL+Pb（由于PL应力水平更高，不取Pm）S4：PL+Pb+Q（考虑局部二次应力的影响）S5： PL+Pb+Q+F（在S4基础上考虑局部的峰值应力影响
23、）,2019/11/24,AECsoft,ASME应力的强度评定,评定标准：S1Sm，对于一次总体膜应力而言，=1.0，上式变化为S1kSm 其中描述了结构在发生应力重分布时承载能力提升的程度，1.0表示应力不会重分布；k表示载荷组合系数，当不存在偶然载荷（风、地震）时取1.0；Sm表示设计许用应力。,2019/11/24,AECsoft,ASME应力的强度评定,S2 1.5kSm一次局部膜应力总体水平通常高于一次总体膜应力，且一次局部膜应力同时包含一次及二次的效果，标准取保守系数1.5，但这个值并不唯一。K的取值同上，下略。,2019/11/24,AECsoft,ASME应力的强度评定,S3
24、 1.5kSm一次局部（或一次整体）加一次弯曲能够引发应力重分布，故=1.5，即结构存在承载能力提升的可能。,2019/11/24,AECsoft,ASME应力的强度评定,S4 nkSm：表示安定载荷与弹性极限载荷的比值，其原理来自安定性条件S 2Sy，由于一次加二次应力强度包含二次效果Q，故任何情况下=2.0，n表示安全系数，同S2，取1.5，故最终得到： S4 3kSm,2019/11/24,AECsoft,ASME应力的强度评定,S5 SaSa表示由疲劳曲线确定的许用应力值。S5表示峰值应力强度，当S1S4均满足的情况下，可以不考虑S5（相对于S4的增量F应力集中分量，仅在很小的区域内起作用，尽管应力水平很高，但不会对设备整体造成重大影响），当结构加载交变载荷时，应进行疲劳分析，确定Sa，预测疲劳寿命。,2019/11/24,AECsoft,ASME应力的强度评定,右图为等效静力图线，红色线以下所确定的区域表示一次总体膜应力蓝色线以下所确定区域表示弯曲应力（沿壁厚方向线性分布）绿色线以下所确定区域表示非线性应力（包含二次及峰值应力分量）总应力主要为上述三个区域的代数和,