CAESARⅡ应力分析及软件应用贴士
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摘 要：本文结合近年来应力分析经验与参加学习培训心得，总结出几点在管道设计中建议与提示，以期望对管道专业人员在设计过程中的管道应力分析提供一定的帮助。
关键词：CAESERⅡ；应力分析
由美国COADE公司提供的管道应力分析软件CAESERⅡ，在工程项目的管道设计中得到广泛的应用。是目前国内化工、石化等行业进行管道应力分析的首选软件。
在管道系统静力分析中，需要将计算条件（温度、压力等）、管道材料特性（杨氏弹性模量、线膨胀系数、基本许用应力等）、管道尺寸（直径、壁厚、长度）、空间走向、约束方式等作为基本数据输入计算模型。这些数据沿管道有所变化，在发生变化的地方设立节点。这样，整个管系就被划分为若干个单元， CAESAR II采用逐个单元输入的方法，单元的输入以填表的方式完成。
CAESARⅡ软件对输入的管道有图形显示功能，一般包括：节点的编号和位置，管道的外径；管道的壁厚，管道的长度；支吊架对管段的约束，支吊架的位置；固定点的位置；保温材料的厚度；管道承受的集中载荷和均布荷载；管道材料的种类；刚性元件等。
管道应力根据性质大致分为一次应力、二次应力和峰值应力三类。一次应力指的是由管道的内压、自重和其他外载产生的应力，具有自限性；二次应力指的是由管道变形受阻而引起的正应力和剪应力；峰值应力是管件的局部结构不连续，有应力集中或有局部热应力，附加到一次应力或二次应力上的总和。
管道的静力计算结果一般包括：管道各点的应力、管道上各约束的受力、管道上各点位移等。
二、CAESERⅡ的运算结果如何解读
CAESERⅡ的运算结果中，常用的工况组合有三种：一是工作状态（OPE）：一般由重力、压力、均布荷载、端点位移、集中荷载和温度构成的组合；二是安装状态（SUS）：一般由重力和压力构成组合，另还包括集中荷载和均布荷载；三是纯热态（EXP）：为上述工作状态和承载状态的差值。
管道应力校核一般包括一次应力校核和二次应力校核。一次应力校核工况组合为：（SUS）W+P1。如果许用值大于或者等于节点应力，表示一次应力校核通过。反之，不通过。可根据最大应力所对应的节点号可知道其所在位置。二次应力校核工况组合为：（EXP）L3=Ll-L2。如果许用值大于或者等于节点应力，表示二次应力校核通过。如果二次应力超过许用应力范围，可以采用改变管道的走向、选用补偿器或选用弹性支吊架等方法改变管道的柔性，以期获得应力通过。
三、模拟运算应用贴示
在建立模型的过程中，设计人员一般会把设备管口处假设为全固定点。但许多工况下，这样做并不能得到更为保守的结果。比较常见的是塔器、或者距离固定点较远的设备管口，会因设备自身的热膨胀而产生位移。而许多机泵的管口热位移也是应力分析中不可忽略的因素。
有些设备厂家会给出设备管口在正常工况下的位移条件，比如加热炉的管口位移值。但实际上，这些数值并不能反映实际运行状态时报真实情况，因为这些管口都会有外接管道，整个外接管系与炉管内管系一起产生了热位移与热应力。所以，较为稳妥的解决方案是将外接管系与内部炉管的应力模型建立在一起进行计算。
管道应力工程师应对所计算的管系的工艺流程有一定的了解，比如在管系中是否有“一开一备”的管道出现，管道是否涉及有多种工况，以上情况都会给管道介质自重、计算时输入的温度、压力值（OPE）带来变化，应避免建立的计算模型与实际操作工况产生较大的偏差。
CAESERⅡ软件是根据有限元的方法，将管系模拟为简化的梁单元进行求解，这使得它对于大口径管道的应力计算时会产生误差。比如管道弯头与三通处的截面在受外力时产生的“椭圆化效应”；此时结合设计人员的自身经验应对计算结果进行修正。还有大口径管道的管托重量不宜忽略，可在模型中加设等重量的刚性件进行模拟；较长管托与管道之间、较大底板的管托与支架梁之间的支承模拟，就不再适合用简单的“+Y”点支承来代替，而应进行多点模拟。
在管系中使用弹簧支吊架时，CAESERⅡ软件会在输出报告中给出理论安装载荷。设计者一般会要求弹簧的定位装置要等到开车投料前才能拆除，但实际情况是，由于在开车投料前没有辅助设施帮助操作者顺利拆除定位装置，因此往往在水压试验结束后就会进行拆除工作。若此时再经过一个较长时间才能进行投料试车，有时就会发生弹簧理论安装载荷与实际安装载荷有偏差的情况。因此，在设计计算过程中，要考虑到对于大口径的液相管道，弹簧的定位装置取消后，弹簧会对管道产生一个向上的作用力。在等待开车投料的时间内，此力量对管系产生的影响要得到足够的考虑。CAESERⅡ软件中也设置了一个弹簧安装工况（WNC）以供选择。
参考文献：
[1]压力管道应力分析（第二版）唐永进 著.
[2]用CAESARⅡ软件进行管道应力计算的几个问题探讨.化工设备与管道.[J] 2004.12（6）.方立.