管道介质自重计算方法讨论

lanxuedream

ＵＥＳＯＦＴ：您好，我对管道介质重量的计算方法有疑问，期待着您们的回复。

当管道内走的介质为液体，而非气体时，其重量的影响比管材本身质量对支架作用力的贡献还大。所以正确计算管道内部流体重量至关重要。
1。当管道水平布置得时候，管道内的介质如钢管本身重量，均匀地分布，其对支架反力的影响的计算方法与管道本身重量或保温重的计算方法一样，应力分析软件的计算没有任何问题
2。但是当管道竖直布置得时候，管道内介质的重量并不像钢管本身重量一样均匀的作用在管子上，管道内介质的重量可以看成直接把总重量之和作用于竖直布置的管道的下面那个弯头处，如果竖直管有两个支架支撑的话，主要是下面的那个支架承受管道介质的重量，这样就不能把管道内部介质质量与钢管本身重量一样用XX kg/m的计算方法均匀地作用在管道上。简单的说，力的作用点很重要，竖直管道内部介质的重量是直接作用于最下面的那个弯头处，等效于集中力的影响。可是咱们的管道应力分析软件是按均布力来考虑的，这样对于竖直管道有两个支架的时候，支架反力可能和现场实际不一样，可能造成下面那个支架的支撑荷载超过结构能承受的荷载（如果是按软件的计算结果给结构专业提条件）
欢迎讨论


另外还有一个问题需要讨论：
当竖直管道比较长，而且管径比较大的时候，可能需要在竖直管道上设置两个或两个以上的+Ｙ支架（包括用弹簧），这个时候＋Ｙ支架的刚度对荷载的分配影响很大，如果＋Ｙ是悬臂支架，臂长对刚度影响很大，以致对分配荷载影响也很大，所以正确的模拟模型，否侧软件计算的分配荷载可能和现场的实际分配荷载不一样，造成结构支撑的破坏；当然上面是从理论上来说，可是现场施工可能也是一个更大的隐患，如果竖直管道有多个支撑，可是施工的时候只要有一个支撑＋Ｙ的标高偏差０．５ｍｍ（这个很正常），那么此时将由另外一个支架完全来承受管子的重量，这时这个荷载有可能也会超过咱们按软件计算结果给结构专业提条件的那个荷载，虽然有安全余量，可是这个超标可是一倍两倍的超。
各位是怎么看待这个问题呢？
或者是怎样给结构专业提条件的呢？

uesoft

lanxuedream：
你好。我谈谈个人对你关注问题的一些理解，详细深入的讨论请发信给张博士(api2004,zhangsj@uesoft.com)。
1，我赞同你的第1点意见。
2，关于第2点，我认为管道重量与液体重量具有相同的均布核载性质。如果软件已经正确地处理了非水平钢管自身重量，我认为可以推广到管内液体自重，因为他们都属于地球质量吸引引起的惯性力系统，具有相同的性质。我相信约束已经被正确地计算。但我不能肯定软件(无论是CAESARII或AutoPSA)里面没有BUG。
3,关于第3个问题，我认为设计和施工对于管道系统的性能都具有非常重要的意义。我赞成工程师通过大量的约束分析设计出最优化的管道系统，而不要让施工有一点误差就会发生意外。当然，很多情况下，设计工程师在设计时受限于各种客观条件，我认为施工人员必须严格按照设计施工，而不要心存侥幸以为不会出问题，前提当然是设计师做出了正确的设计。做出好的应力分析是一件艰辛的工作，UESOFT会努力在一体化设计分析的道路上为设计师继续奉献。UESOFT有一个远景规划，就是把所有的结构分析纳入ANSYS系统，相信那时候，可以解决管道、支吊架、建筑结构的一体化精确分析的需要。

lanxuedream

#2,这段话，我个人还是认为竖管的管内介质重量是集中力的效果而不是均匀的，管内的重量对竖直管本身不产生力，是因为底部弯头的存在，才产生力，这个力的作用点在弯头上，不能和管道自身重量一样的方法计算.

uesoft

我的意思是说：

既然垂直钢管的自重已经被软件正确地处理，那么液体自重尽管是集中力，也一样能被软件正确处理。因为垂直钢管的自重显然也可以看成集中力，软件很明显已经正确计算出来了。液体自重肯定也不能视为放在下面弯头处，上方弯头处的约束也很可能要承担垂直段液体的自重，到底哪个约束承担得多，应该与约束、材料刚度等因素密切相关，总之要列方程组计算出来。简单的近似计算也是可以的，但不一定液体自重在下方弯头处，或者说把垂直管液体自重的集中力全部加在下方弯头处可能引起很大的误差。很多书籍或规程已经列出了这样的近似计算方法，但都不是把垂直管液体自重的集中力全部加在下方弯头处。

lanxuedream

uesoft:

您好。感谢您的回复。

我同意您说的应该根据实际的刚度，限制来计算，这是有限元计算的时候应该用的边界条件。

我可能没有表达出我的意思，我的意思不是认为下面那个支架完全承受管道内部介质的重量。

我的意思是：钢管本身重量，软件好像是一小段一小段的计算，如果您在竖直管道设置多个节点，并且只用一个支架在下面万头处支撑竖直管道，

通过查过应力分析软件的内力，你可以发现每个节点都是由一个Y方向的内力，这个力和管道自身的重量有关，如果此时在下面弯头处施加一个集中力F

我们再次来观察这个内力，你发现除了弯头处支架点的内力变化外，竖直管上面的其他节点的内力是不会变化的（这是因为集中力的作用点与支架反力

的作用点都在下面的弯头上）。

但是如果您用水压试验的那个方法来验证液体重量的时候，上面每节点的内力都发生变化，这说明软件没有正确处理这个力的效果（软件把管道内部介质重量的处理方法与自身钢管一样），也就是说管道内部介质的重量在竖直管道上是集中作用在下面弯头那点的，这个是边界，其他的条件还需要按有限元的方法来求解。虽然软件要考虑这个情况确实要增加很多麻烦，但是确实是存在这个问题。

我不知道有没有表达清楚。

期待大家的讨论

uesoft

lanxuedream：
谢谢你的详细阐述。
1，如果AutoPSA仿CAESARII算法存在这个问题，肯定是要解决的。但若AutoPSA仿GLIF算法存在这个问题，我们就不准备维护它了，因为GLIF来源于国外和电力行业的早期代码，补偿器、埋地、非线性约束计算等很多问题都没有解决，再维护下去代价太大。我们会专注地维护张书俊博士开发的AutoPSA仿CAESARII算法，这套算法源代码也已经在网站上公布了。我们会查一下这段代码。
2，关于液体自重，我的意见还是认为它与管道自重是类似的，可以当作均布力处理。可以设想一下水平管道液体自重，我们把它作为均布力处理大家都同意，那么再缓慢的倾斜它，显然也可以当作均布力，而且可以分解为水平和垂直2个方向的均布力，然后当它成为90度垂直段时，内部液体的重量作用与外部钢管自重的作用并没有什么不同，只不过液体、固体之别，力的效果是一样的。每一小段力不同，应该就是这样的吧，本来上面就轻些，越到下面越重啊，钢管自重不也是这样的吗？若软件没有这样处理，那可能是有问题了，我们要检查一下才能得出结论。

[此贴子已经被作者于2009-11-18 9:14:00编辑过]

lanxuedream

uesoft:

您好。很高兴看到您的再次回复。

首先，说明一下我用的软件是caesar4.5软件

其次，您说的观点正在软件的处理方法，软件的做法与您说的一样

但是，我认为这样做是有点问题的。您说的很对，如果一个管子是倾斜的，管道内介质的重量（由于重力作用）可以分为两个力，一个力垂直于管道的轴向，一个力沿着管道的轴向；垂直于管道轴向的力按照均布的力来计算是没有任何的问题，有问题的是那个沿着管道轴向的力。

为什么有问题呢？

下面我说一下我的观点：当一个倾斜管道，如果不是用一个直管模拟，而是用多个直管模拟（也就是多个有限元），如10-20，20-30，30-40（从下往上）来模拟这个倾斜管道，如果我们拿出中间的20-30这个管段，很明显这个管段的钢管自身重量沿轴向方向就作用本身的管段上，可是管道内介质沿轴向方向的重量分量是不作用于这个管段上的，他最终是作用于最下面的那个弯头处，然后由于结构的连续性从下面的管段通过内力传上来的，这个是不一样的，如果下面弯头有个支撑支架，其实这个力对上面的管段是没有影响的，因为他的力直接和弯头处的支架平衡了（当然这个需要具体的数学计算，我只是这么比喻）。

最后，我想说的，我提出这个问题不是为了挑软件的毛病，我只是想实际是不是我想的那样，或者软件本身也许考虑是对，以致我能更好的了解软件的限制，做好我的本质工作；顺便说一下，我也是管理aveva 公司pdms软件（包括整个元件库，等级库，各种出图定制等）的，咱们uesoft业开发了相应的软件autopdms，做的很好，很认真，并且集合了很多工具，开放了很多元件库供大家学习下载，我感到很高兴，我对您们公司充满着敬意。

uesoft

lanxuedream：
你好。
感谢你的进一步讨论，我一点没有责难的意思，有些地方可能太深奥，我也不是很了解，看起来这么简单的问题，深入想起来真的难以明白，也许涉及到固液耦合计算的难题吧。“其实这个力对上面的管段是没有影响的，因为他的力直接和弯头处的支架平衡了（当然这个需要具体的数学计算，我只是这么比喻）。
”。不知道这句话这里会不会出问题。
正如你所说，取一个倾斜管上小段有限元，那么这个小段有限元是由一段圆管和充满圆管的一段液体组成，试求其力平衡方程，有哪些呢？
1，固体2端表面的正应力、切应力；2，液体2端表面的剪切应力、正应力；...再列一个方程，我也不知道怎么列出来，也许你说的是对的，但又总有点不放心。是否与张博士深入讨论一下？我把这个帖子发给他看看。

uesoft

无论讨论情况如何，希望大家在pdms上一起合作，为cad/cae一体化共同努力。