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西北电力院CAESARII应用比较


CAESAR II 应力分析程序与国内 应力计算程序比较

总工程师: 主任工程师: 科 校 编 长: 核: 写: 刘 朝 晖 谭 书 莉 刘 朝 晖

西 北 电 力 设 计 院 2002 年 12 月

1. CAESAR II 管道应力分析软件简介 1.1 CAESAR II 是由 COADE 工程软件公司研制并

在市场上销售的一个在 PC 机上运 行的管道应力分析软件,这个软件是进行机械管道系统设计和分析的工程工具。用 户通过使用简单梁单元建立管系的模型,并定义作用在系统中的荷载,CAESARII 生成系统中用位移、荷载、应力等表示的结果报告。 1.2 CAESAR II 的主要功能包括: 1.2.1 输入和建模:

交互式图形输入; 丰富的约束类型; 用户可增加和修改的材料数据库; 用户可修改和新建单位文件; 列表编辑输入方式; 阀门库、弹簧库; 1.2.2 静态分析: 自动错误检查; 风载生成; 静态模拟地震力; 推荐荷载工况; 允许用户组合自己的工况; 支持多工况选择弹簧; 静态输出结果报告、图形显示; 1.2.3 动态分析: 固有频率的计算; 谐波分析; 响应频谱分析; 时程分析;

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2. 管系输入和建模功能比较 2.1 基本功能比较 组合单元法和 GLIF 静力计算程序是汽水管道静态应力分析软件, 可计算偶然荷 载,结构荷重。 CAESAR II 可以进行管道静态和动态分析,管道模型可以和设备、钢结构一起 分析计算。可以分析包括膨胀节和虾米弯的管道模型。可以静态模拟风载、雪载、 地震力。但不计算管道支吊架结构荷重。 2.2 单位制 国内应力计算程序各数据的单位是程序规定好的, 用户不能更改, 必须把所输入 的数据转换为程序要求的单位。 CAESAR II 有英制单位文件 English.Fil,国际单位制单位文件 SI.Fil 和 MM.Fil, 用户还可利用英制单位文件 English.Fil 或者国际单位制单位文件 SI.Fil 和 MM.Fil 为模板来建立自己的单位文件。CAESAR II 还具有将原有输入文件转换为另一种单 位制的功能。 2.3 材料特性 国内应力计算程序的材料特性是用户根据管道参数预先查出, 做为原始数据输入 的。 CAESAR II 提供了一个包含 300 多种材料的特性和基于规范的许用应力的材料 库,用户可以向材料库里添加材料及其特性。管系输入时用户可选择库里的材料自 动获取材料特性,也可以用材料库里的材料 21 号(用户自定义材料) ,直接在管道 输入对话框里输入材料特性。 2.4 计算工况 国内应力计算程序一个输入文件只能计算一种工况, 对于需要分析多种工况的管 道,需要多次编辑原始数据。 CAESAR II 支持多工况设计,对于不同温度、压力,最多可组合 9 种工况。例 如石嘴山给水,我们分析了四种工况,全热态工况、1 号泵备用工况、2 号泵备用工 况、3 号泵备用工况。全热态作为设计和选弹簧工况,其他工况用来校核应力和设

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备接口推力。 2.5 输入界面 组合单元法和 GLIF 静力计算程序输入方式为纯文本文件。 CAESAR II 具有图形 界面,以对话框形式输入。下图为 CAESAR II 的管系输入基本界面。 其中管道的外径、壁厚、保温、温度压力、材料特性等信息都会自动继承到下一 个管单元,直到用户修改它。 CAESAR II 还具有交互式画图和列表输入功能,在图表中,管件、约束、弹簧、 端点位移、材料等信息将分类显示,便于检查。其中 List 功能还可进行块操作,复 制或镜像管系,并自动生成节点号。

2.6 弹簧的设计
组合单元法和 GLIF 静力计算程序中所选择的弹簧为电力弹簧,根据工作温度来选

择弹簧。 CAESAR II 4.1 版弹簧库中有 19 个弹簧表供选择,包括美国、意大利、加拿大、 印度、英国、德国标准,其中 13 号 Sinopec 为中国国标弹簧,无中国电力弹簧,4.3 版增加了中国电力弹簧库。

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CAESAR II 的弹簧设计具有以下功能: 用户可以选择热态吊零和冷态吊零来设计弹簧。 支持多工况选择弹簧。 用户可以根据需要设定一个刚性吊架位移控制量,如果计算的弹簧位移量小于 这个值,CAESAR II 将在这个位置选择一刚性支吊架而不用弹簧。 用户可定义弹簧最大允许位移量,在此输入一个很小的数值来强迫程序选择恒 力支吊架。 可以给弹簧赋热态荷载或冷态荷载。 2.7 约束 组合单元法静力计算程序可以分析的约束类型有固定支架、导向支架、限位支 架、刚性吊架和滑动支架。 CAESAR II 提供了丰富的约束类型,可以分析的约束类型有固定支架、导向 支架、限位支架、单向和双向水平约束、单向和双向垂直约束,单向和双向转动约 束、平动的大旋转杆,以上约束可以是斜的,用户可以在约束的后面给出约束的方 向矢量。导向、限位等约束可以定义间隙,间隙是指沿着约束作用线,约束节点在 抵抗运动开始前可以自由运动的距离,即管道位移在间隙范围内,约束节点是自由 的。约束可以作用在弯头的节点上。用户可定义约束刚度。约束节点处可定义关联 节点 Cnode,有关联节点的约束可用来把管系中的一个节点与管系中的另一个节点 或有初始位移的根部节点连在一起。如果不定义,通过约束刚度把约束节点与空间 中的一个固定点连在一起。如果定义了连接节点,然后约束节点通过约束刚度与连 接节点连在一起。 3. 程序运行和输出结果比较

3.1 错误检查
国内应力计算程序运行时如出错,将显示错误性质标号,用户根据手册查检查错

误性质,修改原始数据。 CAESAR II 的用户可以在建立模型时利用它的画图和信息分类列表功能来检 查错误。模型完成后,运行时 CAESAR II 的错误检查模块将检查模型并向用户警

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告任何可能的错误,如没有弯头和三通管系方向发生改变或其它值得注意的各项。 这些项以交互式对话框的形式将有错误的管单元及错误信息显示给用户。当模型有 问题而分析不能继续进行时,就表示为错误,错误对于分析来说是致命的,分析前 必须修改。当模型中的问题可以使用一些假设来解决时,则会出现一个警告。第三 类是注释性的信息,这些信息只是告诉用户与模型有关的一些事实。 3.2 输出形式
国内应力计算程序输出结果为文本文件,包含的信息有各管种最大应力表,支吊

点弹簧号、压缩值,热态和冷态的位移与荷载,支吊点结构荷载,端点推力。 CAESAR II 静态分析完成后,输出结果是一个交互式的菜单,位移、约束作用 力、单元力和力矩、应力、弹簧表等分项列出,用户可从中选择荷载工况和报表选 项来生成报告。

CAESAR II 的应力表中列出了所有节点的应力,并给出整个管系的最大应力点,但 并不给出各管种的最大应力点。SUS 工况的力为一次应力,EXP 工况的力为二次应 力,即热胀力,OCC 工况可得到一次应力加上偶然荷载。 CAESAR II 的静态结果中可得到热态、冷态荷载,但没有结构荷载这一项,对 于要进行水压试验的蒸汽管道结构荷载的确定,可将原始文件中介质作为水填入再 进行计算。
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CAESAR II 用户可用图形的方式来分析结果,如下图所示,它能根据用户的需 要显示管系最大变形处、最大应力点、约束分布等信息。还能动态模拟管系变形情 况。用户可动态分析管系各工况固有频率,CAESARII 将通过三维模型动态模拟管 系的振动。

4. 组合单元法、 组合单元法、CAESAR II 4.4 和 GLIF 静力计算结果实例比较 在我们比较组合单元法和 CAESAR II 4.1 静力计算结果时,我们发现当管道温 度较高、管系较复杂、管系结构较柔软时,组合单元法静力计算程序计算结果与 CAESAR II 4.1 计算结果在垂直方向热位移存在较大差别。另外,其他电力设计院 试用了 CAESAR II 应力计算程序以后,也发现存在其它问题,COADE 公司声明在 CAESAR II 4.4 中已针对存在的问题作了修改。 为了弄清楚 CAESAR II 4.4 改进后计算结果与组合单元法和 GLIF 差异性, 我们 又比较了组合单元法、CAESAR II 4.4 和 GLIF 静力计算结果,以下是沁北工程热段 管道三个程序计算结果的比较。 沁北工程热段管道工作温度 566 C,设计温度 576
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C,设计压力 5.42Mpa。管

系模型中没有设置固定及约束,弹性吊架较多,管系模型比较柔软。
表 1 垂直方向热位移比较表

节点号 组合单元法(mm) GLIF(mm)

9 -233 -239

10 -167 -179 -263

11 -31 -35 -161

28 2 -2 -132

29 -35 -39 -157

30 -14 -13 -93

31 -4 3 -47

25 -50 -27 -153

CAESAR II(mm) -277

续表 1 垂直方向热位移比较表

节点号 组合单元法(mm) GLIF(mm)

19 -38 -26

18 34 -7 -62

24 86 9 1

23 33 4 -11

26 -9 -5 -130

21 -88 -18 -95

20 -143 -37 -145

17 -79 -22 -80

CAESAR II(mm) -134
表 2 垂直方向冷位移比较表

节点号 组合单元法(mm) GLIF(mm) CAESAR II(mm)

9 0 -51 -13

10 0 -112 -28

11 0 -144 -33

28 0 -137 -29

29 0 -120 -26

30 0 -72 -20

31 0 -32 -15

25 0 -158 -41

续表 2 垂直方向冷位移比较表

节点号 组合单元法(mm) GLIF(mm) CAESAR II(mm)
表 3 接口推力比较表

19 0 -190 -58

18 0 -190 -58

24 0 -183 -58

23 0 -145 -55

26 0 -141 -31

21 0 -60 -27

20 0 -10 -5

17 0 0 0

Fx (N) 组合单元法
再热器出口 101 点)

Fy(N) 8993 8064 11748 4122 1777 5360

Fz(N) 435 -2211 -4311 -3652 -14089 -7175

Mx (N.m) My (N.m) Mz (N.m) -85361 -100431 -147193 -48713 -21186 -94487 73219 37403 88920 -95361 -19384 -97528 4496 -30882 -59602 82193 -14472 80979

5131 3642 4174 4861 428 5808

GLIF CAESAR II 组合单元法 GLIF CAESAR II

再热器出口 102 点)

7

中联门入口 115 点)

组合单元法 GLIF CAESAR II 组合单元法 GLIF CAESAR II

-31453 -16816 -46594 676 -18998 7421

30282 32531 47762 -39862 -36811 -58820

9845 -29361 -68615 33416 17668 41244

64053 -41465 -43438 -110151 -180209 -260830

15757 -161495 -301946 217094 139673 169303

-148261 -250735 -325966 219530 134209 255610

中联门入口 116 点)

注: 以上表格数据 CAESAR II 和 GLIF 为热态吊零法结果, 组合单元法为冷态吊零法结果。

通过以上比较分析可知, 组合单元法和 GLIF 在大部分吊点垂直方向热位移相差 较少,在局部也存在较大热位移差别,见表 1。因 GLIF 为热态调零,故 GLIF 存在 冷态位移。 CAESAR II 与 GLIF 在垂直方向热位移和冷态位移都存在较大差别, 见表 1、 表 2。 它与 GLIF 垂直方向热位移相差较大的吊点, 也恰恰在垂直方向存在较大冷态 位移,见表 2 从以上比较我们也可以看出,组合单元法、CAESAR II 和 GLIF 在水平方向热 位移也各不相同;组合单元法、CAESAR II 和 GLIF 接口推力也各不相同。 另外,真对于不同类型的机组和不同系统的管道,我们比较了组合单元法静力 计算程序和 CAESARII 的静力计算结果。其中包括:印度 2X210MW 机组的主汽、 冷段及高旁管道,热段及低旁管道;伊拉克工程 4X300MW 机组的主汽、冷段及高 旁;2000 年示范电厂石嘴山工程 4X300MW 机组的高压给水管道,中压给水管道; 胜利电厂二期工程 2X300MW 机组的热段及低旁管道,一段和三段抽汽管道;沁北 2X600MW 超临界机组的主汽、冷段及高旁管道,热段及低旁管道等。 通过以上的实例比较分析可知,对于温度较低的管道,两种方法的应力计算结 果比较接近。对于高温管道,在管系中没有限位、固定和刚性支吊架约束的情况下, 两种方法计算的垂直热位移量差别较大,接口推力差别较小;而对于管系中设置了 限位、固定和刚性支吊架等类型约束的情况下,两种方法计算的垂直热位移量差别 较小,而接口推力差别较大;对于简单的管系,两种方法计算的结果比较接近。 4. 与 PDS 的接口分析 我院引进的三维工厂设计系统 PDS 提供了管道应力计算接口, 利用 Pipe Stress
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Analysis 工具可以实现 PDS 管道系统的数据提取。 每个管道模型的相关数据存储在 设计数据库中,也就是在提取管系数据时,系统到设计数据库中读取有关数据,再 收集用户输入的信息(模型名、管道名、路径名)生成 Dat 文件。PDS 应力分析接 口根据 Dat 文件和 Defaults.dat 文件的内容生成 h 文件、n 文件、Err 文件。用户可 以使用 h 文件、n 文件的数据来开发第三方的软件。 对于组合单元法静力计算程序,它的原始数据输入文件是一个包含管系所有信 息的数据文件,虽然可以根据 h 文件生成静力计算程序输入表,但缺少许多数据, 如果采用后期手工输入的话,输入数据量大,而且复杂,无法达到提高工作效率的 目的。因此用从 PDS 管道模型中提取出的数据生成管道静力计算程序的输入表,进 而进行管道应力计算的方法不可取。 CAESAR II 提供了几个外部接口可以和其它软件进行数据转换。 通过 CAESAR II 主菜单的 Tools 选项可得到这些接口。 选择 External interface 项可得到如下图所示 的一些接口软件。其中包括 Intergraph 的 PDS

CAESAR II 提供的 Intergragh 接口程序能够把管系结构从一个 Intergragh PDS

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核心文件转换成一个标准的 CAESAR II 二进制输入文件,可转换的信息包括管道 元件的走向、长度、直径、温度、压力、节点号,则可以形成管系的结构和各个结 点的坐标。但根据 Intergragh PDS 提供的核心文件的紊乱程度,接口程序所做的一 些假设有可能不正确,因此要求对作为结果的 CAESARII 输入文件作一些修改。用 户必须在 CAESAR II 输入文件中加入所有节点的特性(约束、荷载、位移等) ,并 有必要修改和增加材料特性、 三通类型、 约束详细资料、 温度压力等。 由于 CAESARII 提供的管系输入方式是交互式的,因此用户通过接口程序将 PDS 核心文件转换成 CAESARII 的输入文件, 在此文件的基础上进行修改后进行管道应力分析的方法是可 行的。 总之,CAESAR II 是一个在界面、功能和接口方面都很优秀的应力分析软件, 对它的研究和应用有利于我们与国际接轨,广泛参与国际竞争。由于水平有限和时 间紧张,本报告的不足之处,敬请各位领导和同事们批评指正,以便大家在运用 CAESAR II 应力分析程序的过程中不断完善和提高。 本报告在完成的过程中,得到了江苏院孙国模、王少宁的大力支持和指导,在 此深表谢意。

10

石嘴山给水全热态

11

Ydmst1._a

12

沁北主汽及冷段 1._A

13

胜利热段 F._A

14

胜利油田三段抽汽 1._A

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