管道應力疲勞分析的案例
基于WB管道應力疲勞分析及對比
南京安世亞太公司
管道從安裝調試至投入使用期間，長期受到管道內部液體的循環作用力，會造成連接管道的螺栓發生疲勞破壞，造成管道漏液的危險情況 。管道在輸送液體時，連接管道的螺栓承受脈動循環載荷，主要受到了疲勞作用。通過實驗的方法很難準確檢測結構疲勞，因此工程上常用有限元計算來預估結構疲勞。有限元計算耗時少、效率高、節約成本，并且可以準確找到結構在受到循環載荷作用時的最薄弱位置。
管道應力分析規范更新影響ASME B31.3 應力范圍及其對管道設計的影響
B31.3 附錄 W 規則引用了更復雜的 ASME 第 VIII 部分，Div 2 焊接疲勞曲線（因為 B31 參考方程是環向對接焊縫），但產生的斜率和平均曲線與 “Markl 疲勞方法和 ASME 管道應力強化因子的實驗評估”以及上面的公式 3。
準確確定高循環管道系統中的許用應力
斜率從 5 更改為 3，正確降低了許用應力，并消除了循環次數超過 40,000 次的循環管道系統的不保守性質。
應力范圍系數的更改基于“Markl 疲勞方法和 ASME 管道應力強化系數的實驗評估”論文，該論文通過 Paulin 研究小組實驗室使用懸臂梁和非加固預制三通進行的大量疲勞測試進行了驗證。 目的是確定更廣泛的循環范圍以建立更好的曲線擬合。 結果表明曲線的斜率與 A.R.C. 的斜率不同。 馬克最初是通過疲勞測試在他的發現中做出預測的。
圖 2： 環焊縫與 Markl 曲線之間的平均曲線比較
因此，確定了最佳曲線擬合，并表明應力范圍曲線擬合應為 Sf = 2330N-0.335，以獲得最準確的許用應力預測。 這些更新的斜率進一步符合 ASME 第 VIII 部分第 2 部分第 5 部分焊接疲勞曲線以及世界各地使用的大多數其他焊接疲勞曲線。
START管道應力分析軟件和Nozzle FEM局部應力軟件和 B31 一致
START 管道應力分析軟件和Nozzle FEM局部應力分析軟件解決方案實施了 2022 年 B31.3 版本規范中現已發布的斜率更改，用戶可以在 ASME B31.3 和 ASME B31.1 的各種管道規范版本之間切換 。
展開 管道的熱固耦合計算及管道熱應力分析!
右鍵單擊Solution 插入總變形和應力。單擊solve 進行求解。
圖25 結構靜力學計算中導入溫度
圖26 溫度對管道造成的應力
圖27 溫度導致管道的變形
來源：百度文庫
熱應力專題 | 間接法熱應力分析-以保溫管道為例
導讀：利用間接法計算熱應力，首先進行熱分析，然后將求得的節點溫度作為體載荷施加在結構應力分析中。熱分析可以是瞬態的，也可以是穩態的，當熱分析是瞬態時，需要找到溫度梯度最大的時間點，并將該時間點的結構溫度場作為體載荷施加到結構上。
由于間接法可以使用所有熱分析和結構分析的功能，所以對大多數情況都推薦使用該方法。
一、問題描述
某液體管路內部通有液體，外部包有保溫層，保溫層與空氣接觸，圖中尺寸單位mm。已知管路由鑄鐵制造，其導熱系數為70 W/(m·℃)，彈性模量為200 GPa，泊松比為0.3，熱膨脹系數為1.2×10-5 /℃；保溫層的導熱系數為0.02 W/(m·℃)，彈性模量為20 GPa，泊松比為0.4，熱膨脹系數為1.2×10-5 /℃；管路內液體壓力0.3 MPa，溫度為70 ℃，對流換熱系數為1 W/(m2·℃)；空氣溫度為-40 ℃，對流換熱系數為0.5 W/(m2·℃)。試分析管路內熱應力情況。
問題分析：根據結構的對稱性，采用軸對稱單元計算。軸對稱模型在第一象限建模，對稱軸是Y軸，XYZ分別表示徑向、軸向和周向（環向）。熱分析用PLANE77熱單元，結構應力分析用PLANE183單元。
計算結果：有保溫層，熱分析后管道的溫度為45.1℃。內壓與溫差作用下，應力見各向應力云圖、第三強度和第四強度相當應力云圖。
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熱應力專題 | 間接法熱應力分析-以保溫管道為例
導讀：利用間接法計算熱應力，首先進行熱分析，然后將求得的節點溫度作為體載荷施加在結構應力分析中。熱分析可以是瞬態的，也可以是穩態的，當熱分析是瞬態時，需要找到溫度梯度最大的時間點，并將該時間點的結構溫度場作為體載荷施加到結構上。
由于間接法可以使用所有熱分析和結構分析的功能，所以對大多數情況都推薦使用該方法。
一、問題描述
某液體管路內部通有液體，外部包有保溫層，保溫層與空氣接觸，圖中尺寸單位mm。已知管路由鑄鐵制造，其導熱系數為70 W/(m·℃)，彈性模量為200 GPa，泊松比為0.3，熱膨脹系數為1.2×10-5 /℃；保溫層的導熱系數為0.02 W/(m·℃)，彈性模量為20 GPa，泊松比為0.4，熱膨脹系數為1.2×10-5 /℃；管路內液體壓力0.3 MPa，溫度為70 ℃，對流換熱系數為1 W/(m2·℃)；空氣溫度為-40 ℃，對流換熱系數為0.5 W/(m2·℃)。試分析管路內熱應力情況。
問題分析：根據結構的對稱性，采用軸對稱單元計算。軸對稱模型在第一象限建模，對稱軸是Y軸，XYZ分別表示徑向、軸向和周向（環向）。熱分析用PLANE77熱單元，結構應力分析用PLANE183單元。
計算結果：有保溫層，熱分析后管道的溫度為45.1℃。內壓與溫差作用下，應力見各向應力云圖、第三強度和第四強度相當應力云圖。
展開 某輸油管道的振動疲勞分析案例
某輸油管道的振動疲勞分析案例
1、某輸油管管道在預應力載荷下的模態提取
實際工程問題中往往需要考慮在一定負載和預應力載荷條件下非線性的模態提取分析，以便和工程實際狀態及問題相符合。
管道的預應力載荷作用下的模態提取分析，首先實現管道在外部載荷（內部壓力）作用下的幾何非線性分析，然后在此基礎上實現模態提取。
（1）有限元建模
v
創建三維幾何模型，厚度方向創建三層網格單元。
v
定義線彈性材料本構模型，賦于材料屬性；
v
創建兩端參考點進行幾何約束；
v
定義幾何非線性，進行模型分析；
v
在內部施加15MPa的內表面壓力；
v
為了體現后續振動疲勞的分析，在一端施加約束，另一端耦合一個400kg的質量點；
（2）預應力模型分析結果
（3）基于預應力條件下的模態提取
v
在進行預應力載荷模型分析的基礎上采用Lanczos算法，實現模型前10階模態的提取；
v
保持模型參考點的約束狀態。
前十階模態提取結果
2、基于基礎運動的隨機響應分析與振動疲勞
（1）有限元模型
v
采用隨機響應分析實現，管道在外部基礎運動激勵條件下的模型分析。
v
定義功率譜密度以及基礎運動相應譜載荷定義。其中頻域范圍為1~1200，結構阻尼為0.1。
v
輸出管道模型的廣義位移歷史場變量
（2）分析結果
v
隨機響應功率譜密度激勵，前十階廣義位移與頻率關系曲線
（3）實現振動疲勞壽命預測分析
v
完成模型材料，應力-應變導入以及載荷定義等步驟，并提交模型
v
輸出按照上述載荷譜響應進行循環分析的壽命結果，即10E+5.359~10E6.523，結構的整體壽命差異不大，疲勞壽命較危險的位置為彎管下方。
展開 管道疲勞強度分析及優化(Ansys Workbench)
名義應力法是一種估算裂紋形成和裂紋擴展兩部分總壽命的方法，是以名義應力為基本設計參數、以材料的S—N 曲線為主要設計依據的疲勞設計法，也稱為影響系數或常規疲勞設計法。疲勞破壞是一個累積損傷過程，不同研究者根據其對損傷累積方式的不同假設，提出了不同的疲勞累積損傷理論。其中被廣泛認可的是Miner 線性累計損傷法則，該法則認為材料在各應力水平下的疲勞損傷是獨立的，總損傷可以線性疊加，當總損傷達到某一數值時，構件則發生破壞。Miner線性累計損傷法則的判別式如下：
其中D為結構的損傷率，n為加載的循環周數，N為載荷對應的損傷周數（壽命）。例如，有S1和S2兩種不同荷載，N1為荷載S1的損傷周數，N2為荷載S2的損傷周數。若先加n１周的荷載S1，損傷部分為n1/N1。再加n2周的荷載S2，對應的損傷部分為n2/N2，兩個載荷的總損傷n1/N1＋n2/N2如果小于１，則認為結構不會產生疲勞損傷，滿足抗疲勞要求，N1和N2可以由S—N 曲線求出。
壓縮平均應力比零平均應力的疲勞壽命長，反之，拉伸平均應力比零平均應力的疲勞壽命短。當施加螺栓預緊力時，實際是使管道結構受到了壓縮的力，提高了管道的疲勞壽命，當螺栓預緊力繼續增大，管道最薄弱位置處的最大應力值會接近甚至超過材料的屈服強度值。隨著循環次數逐漸增加，管道的薄弱位置則會發生疲勞破壞，造成管道漏油，引起事故的產生。管道整體疲勞壽命云圖如圖8所示，管道主體部分包括管道法蘭和管壁的疲勞壽命是無限壽命為4.8e５次（S—N曲線中材料定義的最大壽命），如圖9所示，管道壽命最小的地方在螺栓根部。由于管道液體對管道的作用力反復循環加載后，管道的疲勞破壞從應力最大的螺栓根部開始，疲勞壽命的計算結果也與靜力分析時von Mises應力云圖中螺栓根部應力最大的結果一致。
展開 管道熱應力分析-
運輸管道在埋入地下時，因為土壤溫度的變化，會在管道內部形成熱應力。當管道為直管道時，管道內部的熱應力沿著管道的軸向方向，不會在豎直方向上產生作用力。而當管道存在彎曲時，彎曲部位管道內部的熱應力可分解為豎直分量和水平分量。工程上，由于加工、運輸和安裝等，使管道內部產生一定的彎曲，而安裝時彎曲部位的管道向上安裝。因此，在管道受到熱膨脹時，管道熱膨脹產生向上豎直的作用力，隨著溫度的提高，管道內部熱膨脹產生的豎直向上的作用力逐漸增加，由此可能使管道產生彎曲。本文利用余弦函數描述彎曲的管道模型，建立了管道隨溫度變化的位移以及變形情況。
一、模型的建立
管道的模型，如下圖1所示，中間部位管道模型的數學表達式為:
V0=L0×COS（X/2π）
單元采用梁單元Beam188單元，beam188單元是二節點三維線性梁單元，當keyopt（1）=1時，會具有第7個自由度—翹曲量。Beam188單元能夠用于線性分析、大偏轉、大應力的非線性分析。Beam188單元包含應力剛度，在默認情況下，在某些分析中由NLGEOM=ON。
圖1 有限元模型
二、模型的加載和求解控制
求解時，固定beam188梁單元的兩邊，給模型施加相應的溫度載荷。在求解的過程中，打開大變形選項，同時采用子載荷步的方式加載溫度。
三、模型的變形和應力
圖2 中心節點位移隨溫度的變化曲線
如圖2所示為我們求得的梁中心節點的位移隨溫度的變化曲線。可知，隨著溫度的增加，中間節點的位移先緩慢增加，繼而快速增加，最后緩慢增加。相應位移的變化效果圖如下圖所示。
展開 管道應力工程（Pipe Stress Engineering）-中英文對照教程（上）
管道應力工程(上)
(第1-7章) ￥51
《Pipe Stress Engineering》（管道應力工程），作者：Liang-Chuan (L.C.) Peng 彭良川（音）
這本書是管道應力分析最經典的書，也是國內能找到的為數不多的管道應力分析教程。
這本書的作者即使管道應力分析軟件的編寫者，又是工程公司的創建者，在管道應力分析方面的理論水平和實踐經驗無人能及。
本人也是在學習管道應力分析的過程中找到了這本書的英文版，邊學習邊翻譯，目前完成了一半，發出來供大家學習。
管道的穩定性應力分析及解決方案
垂直立柱受壓，他的主要問題就是承受壓應力的穩定性問題，他的截面和長度（長細比）和他中間的導向架決定了他的抗壓能力；但橫梁和斜撐，以及所有節點不是受拉，就是受彎或受剪力和扭矩，都是強度問題。
針對管道，我們如何區別強度問題和穩定性問題？
1、破壞形式不同。強度破壞是承壓問題，承重跨度問題，溫度導致熱脹管道柔性問題。這些問題主要導致管道垮塌，爆裂和疲勞壽命縮短產生裂紋破壞等。
管道穩定破壞是結構問題，是管道形狀維持不住，整體失穩導致管道左右擺龍，干擾附近管道和擋土墻；局部失穩一旦發生，就會進入塑性大變形，這時管道已經從失穩進入破壞形狀后的塑性變形，導致通流通道縮小，管道產生應力從壓應力變成彎拉和壓應力，嚴重會導致管道斷裂，否則應力水平高會誘發應力腐蝕，加速管道腐蝕減薄作用。
2、分析方法不同：管道強度問題，都是按應力分類法，進行載荷分類，獲得規范應力，依據強度原則進行比較控制應力水平。主要是控制承壓壁厚，一次應力（壓力+重量載荷引發），二次應力（溫度引發變形導致），以及偶然應力控制（偶然載荷引發）。穩定性都是全載荷（重量+壓力+溫度）共同作用，長直管道主要是軸力和導向約束，埋深；折角位置，主要是軸應力+彎應力（一側拉，一側壓）；局部失穩，主要是檢查軸力，埋深和徑厚比的關系。
3、判斷原則不同：強度問題都是進基于許用應力控制，承壓和承重都是用一倍許用應力來控制；溫度產生彎矩作用在彎頭和三通處，產生疲勞破壞，通過安定性原則或疲勞曲線來控制許用應力。而穩定性是通過臨界許用壓應力來控制的。臨界許用壓應力大小是管道幾何結構和臨近約束條件決定的。
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展開 RISE Structural Design使用Bentley創新技術執行甲醇廠管道應力和結構分析
本周案例分享：RISE Structural Design 使用創新技術執行甲醇廠的管道應力和結構分析
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http://bentleysystems-cn.mikecrm.com/NaQXlb9
RISE Structural Design 使用創新技術執行甲醇廠的管道應力和結構分析： AutoPIPE 與 STAAD 集成，提高生產效率并保持項目進度
“只有 Bentley 的應用程序能為我們提供對管道和結構執行耦合分析所需的可靠性能。”
——RISE Structural Design,Inc. 技術顧問，Nobuaki Koremoto
在結構設計和管道分析方面經驗豐富
RISE Structural Design, Inc. 的總部位于日本東京，專門從事海外工廠、建筑和管道設計的結構設計與分析。該公司在地震診斷領域頗負盛名，基于在提供安全耐用的結構設計與管道分析方面積累的豐富經驗確定情況并制定方案。RISE 在日本一個甲醇廠負責管道應力分析項目，并對工廠熔爐附近的管道執行管道應力分析，熔爐溫度在 300 到 900 攝氏度之間。該公司負責提供準確的評估并降低鋼材的成本，其中面臨的一個挑戰是安裝彈簧支架，確保管道系統能夠靈活應對熔爐的極端溫度。在結構和管道等各設計團隊之間進行有效的協調對于避免延遲至關重要。
展開 管道對接2層焊，層間冷卻熔覆溫度場、應力場模擬分析
摘要
本文使用ANSYS workbench軟件對焊接過程進行焊接數值模擬，利用編程實現焊接模擬分析過程中的熱源加載和移動，利用2層生死單元模擬焊料熔化填充過程，得到焊接過程中的溫度場和應力場隨時間變化的分布情況，并對結果進行分析。
01
焊接件的物理模型
本文選取結構鋼材料進行管道焊接分析，管道內徑r=25mm，外徑R=30mm,上/下管道高度為50mm。熔覆層共有兩層，每層30個熔覆單元，每個熔覆單元弧度為360/30=12°。
展開 2020 年和 2022 年 ASME B31.1動力管道應力分析規范更新摘要
當疲勞損傷控制管道系統的壽命時，區分不同方向SIF 的方法可能會對計算結果產生顯著差異。 在這種情況下，用戶應參考 WRC 335 并在具有各種 d/D 比率的小型系統上進行一些手動計算，以確保出現預期結果。 隨著載荷交變數逐漸超過 40,000，這一點將變得越來越重要。 如果 D/T 比小于 100，則可以使用 ASME B31J-2017 和 ASME B31.1 附錄 D 中的值。盡管如此，通過測試，從 D/T 比等于 50 時開始，傳統得SIF 可能會由于過低由于擔心屈曲或局部損壞而不夠保守。 在這種情況下，我們建議對這些三通點或詳圖使用有限元分析 (FEA)，以確保在支撐位置處平面截面保持平面狀態。
START管道應力分析軟件和Nozzle FEM局部應力分析軟件可輕松實現 B31 合規性
當前 (2022) ASME B31.1 規范中的方程更類似于 ASME B31.3 中的方程。
通過使用 ASME B31J-2017 推薦的剛度修正來開發一組更準確的位移、力和力矩以及 SSI 和 SIF，計算出的當量應力更加準確。
Nozzle FEM 軟件中的自動化 FEA 功能在計算 SSI 時不包括非彈性行為，但它確實創建了可用于解決非彈性行為的有限元模型 (FEM)。 如果大型 D/T 管道負載較重，我們建議采用這些生成的 FEM 并執行屈曲和非線性 SSI 計算來驗證您的結果。
當 D/T 比率較高時，這特別有用。 此外，系統可以通過由于屈曲或由于彎曲或長垂直立管而導致的大壓縮狀態引起的不穩定性來控制。
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