B31J 方法 - CAESAR II - 帮助

CAESAR II 用户指南

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中文 (大陆)
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CAESAR II
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帮助
CAESAR II Version
13

ASME B31J金属管道部件的应力集中系数(i)、柔性系数(k)及其测定方法提供了一种标准化方法,可用于任何金属管道规范的管道柔性和应力分析。B31J 安全地确定了典型使用中金属管道部件或接头的疲劳和持续承载能力。

B31J 中的系数 i 和系数 k 为 ASME B31.1 和 B31.3 管道规范的最新版本提供了其所需的更适用的数据。使用系数 i 和系数 k 可以改善分析结果。B31J 还确定了更适用的标称应力乘数,如持续应力指数(SSI),用于管道应力分析中的持续(SUS)和偶然(OCC)荷载。

B31J 应力增大系数(SIF)和柔性系数的适用性

CAESAR II 建议将 B31J 柔性和 SIF 值应用于所有金属管道规范,以获得更准确、更真实的位移、载荷和应力。

新的 ASME 规范,如 ASME B31.1 和 B31.3 的 2020 版和更高版本,将 B31J 作为其默认要求使用。传统管道规范,如 2018 年版和旧版 ASME B31.1 和 B31.3,允许 B31J 作为替代方法使用。您也可以将 B31J 应用于非 ASME 金属管道规范。

许多管道规范要求使用支管的有效截面模量进行计算,以减小支管连接的弯曲应力。B31J 中 SIF 和 SSI 计算始终使用接管的截面模量。

您可以在配置编辑器中设置 CAESAR II 如何使用 B31J 以及应用 B31J SIF 和柔性仅强制 B31J SIF 选项。

限制和条件

与所有规范和标准一样,B31J 标准规定了有效的 B31J SIF 和柔性计算必须满足的几何限制和条件。这些限值在表 1-1 适用章节中的每个元件注释中进行了讨论。一些限值示例包括:

  • 当 D/T £ 100 时,计算的 SIF 和柔性有效。

  • 支管直径 £ 主管直径。

  • 当 d/D < 0.5 时,B31J 将分支视为异径分支。而大多数其他规范使用 d/D < 0.975。

  • 对于大多数分支连接,支管轴垂直于主管表面,偏差在五度以内。

  • 对于预制三通和支管台,当支管轴线垂直于主管表面且偏差在 45 度以内时,SIF 方程有效。

  • 补强板厚度对三通类型1 - 补强 (2.2)的有益影响限于主管标称厚度的 1.5 倍。

  • 肩部厚度必须至少比与之匹配的主管厚度厚 10%。

  • 对于焊接支管台(图例 2.6):

    • 在未定义管件 rp 时,软件使用 r/0.85 的值。

    • 管件 rp 大于 r/0.6 时,软件使用 r/0.6。

      其中 r 是支管的平均半径。

当输入几何图形超出 B31J 限值时,软件会生成警告消息,并使用用户指定的值继续计算。

软件计算使用的任何用户指定、假设、重置或限值都可以在杂项报告中看到。

非金属管道材料和规范

在 CAESAR II 中,B31J 仅适用于金属管道规范。B31J 不能用于 FRP/GRP 材料或非金属管道规范,如 TD/12、BS7159、UKOOA 或 ISO-14692。

多个 SIF 值的管道规范

不同的管道规范为应力计算定义了不同的 SIF 数量,从一个到四个。B31J 计算了三个方向应力增大系数和柔性系数:平面内、平面外和扭转。

CAESAR II 为任何管道规范都提供四个 SIF:平面内、平面外、轴向和扭转。每个规范会控制该使用其中哪些 SIF 值。

单个 SIF 值的管道规范

若管道规范定义的应力方程使用的是单个 SIF 值,软件将使用最高的平面内或平面外 SIF 值。对于柔性系数,软件将使用各对应方向的值。

管道输入中,自定义 SIF 对话框显示 B31J 要求的三个 SIF 值。错误检查选择最高 SIF 值并将其传递给 CAESAR II 计算引擎。

单一 SIF 规范的主要示例如下:

SIF 和柔性计算基础

CAESAR II 使用标称管道和组件属性来计算 SIF 和柔性系数。配置编辑器上的所有工况考虑腐蚀项和腐蚀裕量值不适用于 B31J。

SIF 和柔性系数计算也不直接取决于材料弹性模量,仅使用部件的几何属性。但是,三通的刚度计算使用的是在静态分析-荷载工况编辑器对话框的荷载工况选项卡上为每个荷载工况定义的弹性模量。弯头还使用基于弯头增强弹性模量弯头增强压力的修正。

B31J 弯头的 SIF 和柔性系数与大多数管道规范(如 B31.3)相同,只有一个小差异。对于平滑的 90 度弯曲,B31J 从 1.3/h 计算平面内和平面外柔性系数。B31.3 根据 1.65/h 计算柔性系数。

CAESAR II 在 B31J 计算中应用了以下考量:

  • 计算适用于旋转(力矩)刚度。平移刚度始终是刚性的。

  • 当分支连接的 d/D 比小于 1.0 时,主管柔性系数通常小于 1.0。此时忽略柔性系数,使用刚性刚度。

  • 当柔性系数小于或等于 1.0 时,与该柔性系数相关的刚度应为刚性。柔性和应力增大系数不得小于 1.0。应力增大系数可以在没有柔性系数的情况下使用。

弯管、斜接和三通具有法兰端时的加强效应

B31J 应用修正系数来考虑对带法兰的弯头、斜接和三通的加强效应。

对于光滑的窄间距弯头,修正系数与 B31.3 方法相似。

对于主管上带有法兰的分支连接,软件仅根据 B31J 表 1-3 公式在支管上使用修正系数。当法兰或其他刚性部件与一个或多个主管端部相邻时,可以加强分支的柔性系数。

法兰加强的修正系数不适用于宽间距斜接弯头。

SIF 和柔性系数的位置

B31J 在以下位置应用 SIF 和柔性系数:

  • 主管 SIF 和柔性系数 —— 在主管和支管中心线的交叉点

  • 支管柔性系数 —— (对于所有尺寸)在主管表面

  • d/D < 0.5 的异径三通支管 SIF 值 —— (对于所有尺寸)在主管表面

  • d/D ³ 0.5 的支管 SIF 值 —— 在主管和支管中心线的交叉点

三通的表面节点和虚拟刚性单元

CAESAR II 在主管单元和支管单元连接处的主管表面上自动创建节点。这在 B31J SIF/三通辅助面板上显示为表面节点。软件还会自动在三通分支的节点表面节点之间创建一个虚拟的刚性单元。软件使用该虚拟单元进行内部 B31J 计算。因此,支管被分成两个单元:虚拟的刚性单元和从表面节点向外的分支的其余部分。

B31J fictitious element

1 - 主管
2 - 支管
3 - 节点
4 - 表面节点
5 - 虚拟刚性单元

  • 虚拟单元是软件创建的内部单元,它与 B31J 刚性单元的功能等效。虚拟单元严格来说是由 CAESAR II 创建的,它在 B31J 中没有定义。

  • 如果未定义表面节点错误检查将为其指定下一个可用的唯一节点编号,以对三通执行柔性计算。

虚拟的刚性单元沿用主管单元的属性(如直径和材质),即使它是支管单元的一部分。

虚拟单元的功能类似于用作柔性计算的无重量刚性单元,以及用作应力计算的刚性单元或管道单元(基于 d/D 的比值)。因为虚拟单元是三个单元所组成的典型三通的一部分,所以软件将平面内和平面外方向应用于虚拟单元和支管单元的其余部分。

CAESAR II B31J 算法还会检测到对支管单元的手动打断或将其打断为刚性单元和剩余支管单元。软件将平面内和平面外柔性和 SIF 应用于手动创建的刚性单元和支管。手动打断与自动虚拟单元在一个重要方面会有不同。由于刚性单元是手动创建的,因此软件将遵循您在支管单元上所指定的属性。这可能会在异径分支连接系统的结果中产生小的差异,或者当手动刚性单元和主管之间的材料或操作条件不同时。

静态输出处理器中,应力报告(如应力报告应力(多规范值/允许值)报告应力详细列表(传统)报告)报告虚拟和其他支管单元,如下所示:

对于 d/D < 0.5 的异径分支:

  • 虚拟单元充当刚性单元,不报告应力。

  • 剩余的分支单元用作管道单元,在其表面节点处会生成考虑了相应 SIF 值的常规应力报告。

对于 d/D ³ 0.5 的分支:

  • 虚拟单元用作管道单元,在其分支节点处会生成考虑了相应 SIF 值的常规应力报告。

  • 剩余的分支单元用作管道单元,会生成不考虑 SIF 值的常规应力报告。主管表面上的分支节点在两个单元上的 SIF 均为 1.0。

在三通的任何单元上定义偏移时,软件将忽略偏移,以确定单元方向并应用刚度。

持续应力指数或力矩系数(SSI)

对于 B31J,CAESAR II 包括应力增大系数和应力指数详情以及应力增大系数和应力指数详情的独立计算。由于 SSI 反映了金属管道部件或接头的破坏能力,SIF 反映了疲劳失效,B31J 将计算解耦。许多其他规范没有明确定义 SSI。一些规范,如 B31.3 2018 和 EN-13480,通过应用 0.75 的比例因子将 SSI 用作 SIF 的函数。

当管道规范(如 B31.1、B31.3 或 EN-13480)要求 SSI 时,应使用 B31J 提供的 SSI,以代替更适用的数据。对于三通和支管连接,CAESAR II 使用特殊的 B31J SSI 换算值,该值取决于支管与主管厚度的比值。 对于弯头、异径管、焊缝和接头,B31J 为 SSI 应用完整的 SIF 值。

SIF 和 SSI 不得小于 1.0。

B31J 忽略配置编辑器持续应力指数的 SIF 乘数设置。

SIF 和柔性系数的折减

当对焊三通和嵌入式对焊三通(sweepolet)几何形状满足 B31J 平滑的肩部半径和增加的肩部厚度尺寸要求时,可以降低柔性系数和 SIF 值。您可以在管道输入中 SIF &三通上指定这些特性,或在配置编辑器中将按 B16.9 认证的焊接和嵌入式三通设置为 True。软件自动控制几何假设,并根据 B31J 注释 6 应用折减。

当设置为 False 时,仅当指定的肩部半径小于 (1/8)*do肩部厚度小于 1.5*T 时,软件才计算实际的应力增大系数和柔性系数。

横向支管连接

B31J 说明了横向支管连接,而其他管道规范则没有说明。CAESAR II 遵循 B31J 注释 7。

对于焊接和挤压成型三通,当支管轴线垂直于主管表面,且偏差在五度以内时,软件应用 B31J SIF 值。

对于补强、预制、嵌入式支管台和焊接支管台三通,软件应用特殊的 B31J 要求来计算应力增大系数和柔性(支管垂直于主管,偏差在 45 度以内且满足附加的 d/D ≤ 0.6 条件时)。

三通的基础刚度和有效刚度

B31J 对分支连接的使用单独柔性系数来计算基础刚度和有效刚度。其他管道规范未提供支管连接的柔性系数计算方法,而是使用 1.0 的柔性系数。

对于 B31J,CAESAR II 使用主管和支管的柔性系数来计算基础刚度。然后使用基础刚度计算主管和支管的有效刚度。这些转动有效刚度是柔性系数、弹性模量、惯性矩以及机械公式中给出的支管或主管直径(d)的函数:K=(EI)/(kd).

当支管和主管柔性同时用于同一分支连接时,软件使用同时使用弹簧的规则来考虑通过支管和主管的荷载的相互作用,以保持支管连接的对称性。

主管和支管弹簧的有效刚度被插入到主管和支管刚度矩阵中。

主管刚度矩阵

  • 分支 1 (主管 1)的刚度矩阵,包括点 2 处的主管弹簧

  • 分支 2(主管 2)的刚度矩阵,包括点 4 处的主管弹簧

支管刚度矩阵

  • 点 3 和点 6 之间刚性单元的刚度矩阵

  • 分支 3(支管)的刚度矩阵,包括点 6 处的支管弹簧

软件将主管和支管的刚度矩阵组合起来,以形成主管中心线交点处三通的全局总体刚度矩阵。

d/D 的比值确定 SIF 是应用于三通的点 3 还是点 6。当 d/D ³ 0.5 时,软件将 SIF 应用于分支 3 的分支交叉点(点 3),或当 d/D < 0.5 时,应用于主管表面的分支中心线(点 6)。

当分支连接的 d/D 比小于 1.0 时,主管柔性系数通常小于 1.0,因此不使用。当不使用柔性系数时,相应的旋转刚度应为刚性。