两端固定的直管为什么二次应力为零？

chenbailian

原贴请参考http://www.pipingsoft.com/48/t-1048.html

chenbailian

[i=s] 本帖最后由 thomas 于 2009-3-6 16:09 编辑

请教，直管两端固定，二次应力为0，是什么原因，规范上虽然说明二次应力是用力矩计算出来，与轴向力没关系，但是计算出来两固定点是有弯矩的，为什么二次应力还是0啊？B31.3上好像没有说明导致二次应力的弯矩是什么类型的弯矩吧？
thomas2009-3-06 15:53:10
1. 你的问题是个比较特殊的情况。不过已在本论坛里有此类似问题，请见：

什么是规范应力(CODE STRESS)  什么是compressive buckling stress


我摘录1中提到贴子的其中部分内容(2# 作者John):
QUOTE:


The B31 Pressure Piping Codes address the BENDING stresses (and torsional stresses) due to thermal expansion/contraction and they also address the longitudinal BENDING stress (due to weight) added to the longitudinal pressure stress (the sum of these stresses is called the "sustained stresses" or the "additive stresses").
大概的翻译是：B31压力管道规范提到的弯曲应力（当然也提到了扭转应力）有两种，一是由热胀/冷缩导致的，二是（由于重量引起）的纵向弯曲应力+纵向压应力（这些应力之和称之为“持续应力”或“附加应力”）。

从翻译的这句内容来看，似乎你所说的存在的弯曲应力应该是由重量载荷导致的纵向弯曲应力；而由热膨胀或冷缩导致的弯曲应力是不存在的，再者你的这种情况也不存在因热膨胀或冷缩原因导致的扭转应力。故根据二次应力的计算公式（计算公式我想大家都是知道的，就不再细说）可知，二次应力为零。

（不知我的这种解释是否正确，欢迎其他工程师发表看法。）

另外，老外的那个回答中也讲了一下两端固定而直连管道二次应力情形的CODE背影，现引到下面：
QUOTE:

Many years ago, the Codes had an equation that was intended to address pure longitudinal compression and tension in pipe (this would be addressed together with sustained stresses). The equation calculated the stress as the compressive or tensile FORCE divided by the AREA of metal in the pipe wall: Stress (psi) = F (in pounds) / A (in square inches). However, it was recognized that the compressive force could easily buckle a long slender structural member (before it would approach the strength of the material) and there was no rule in the Code to account for the "slenderness ratio" of the pipe. So the equation was dropped - it was assumed that engineers knew better.
大概的翻译是：多年以前，B31规范中提供有一个意在计算管道中纯纵向压缩和拉伸应力的方程式（其与持续应力组合在一起）。该方程所计算的应力是如下：
应力＝力/面积 （其中，力即为压缩力或拉伸力）

然而，人们又同时意识到细长杆承受压缩力的结构失稳问题（在压缩应力还未达到材料的强度时就已发生）；同时在此规范（CODE）中也没有办法去计算管道的细长比。所以后来该方程在B31中被取消了。－－假定工程师们知道配管技术，即不会有两端固定直连的管道再现。


但事实上，可能也会出现zealour所说的这种情况（并不是说工程师们不会配管）。



2. 你这个问题有必要好好讨论一下。欢迎其他工程师来发表意见。
zealour2009-3-06 18:13:58
说明一下，固定点产生的力矩是由于重力造成的，按照Tomas所说的，二次应力应该是由于热胀或者冷缩引起的，由于重力造成的应该属于一次应力，从这个角度说，二次应力应该为0！
llljq2009-3-06 19:08:43
这个问题我感觉也非常有意思。值得来学习一下。参见的贴子（什么是规范应力(CODE STRESS)  什么是compressive buckling stress）John的回答，除了讲技术的方面外，也有对提问人的某些个人看法，这个不是我们关心的重点，不是管它。

我现在也同样引用那个贴子中Richard Ay (COADE, Inc.)在3#中回复的关键内容：
QUOTE:


Hence your results for the beam between two anchors. There was no movement of the nodes, therefore there were no forces or moments, and consequently no stress. (Buckling and other 2nd order effects are beyond the scope of the 3D Beam element, and therefore beyond the scope of typical Pipe Stress Analysis).
大概的翻译是：由于你（指原贴提问者）现在所涉及的问题是两固定点间的直杆的二次应力问题（如果不是这种情况的话，就不会有此问了），这种情形在两节点不存在位移，因此就不存在力和力矩，进而也就不存在（二次）应力。失稳和其它的第二规则影响（译者注：不太明白它这里的other 2nd order effects ，翻译的不一定正确）已超出了3D杆单元的范围；因而也走出了典型管道应力分析的适用范围。


我也希望继续就此问题与工程师们进行讨论、学习；或者有人能提供这种情形的相关技术论文资料的话更好。
llu852009-9-26 14:17:45
B31.3认为二次应力是由位移产生的，两端固定是没有位移的，所以就会认为没有二次应力。但是在最近B31.3的修订中有一个附录P的规定。里面有关于操作工况的应力校核。你这种情况如果二次应力是不会超过需用值。但是你如果在软件打开关于附录P的规定后，你就会看到在操作工况中应力会超过很多。并且作为工程师，直觉就能告诉我们这种方案是肯定不可以的。
llu852009-9-26 14:22:23
QUOTE:

楼上所说：“这种情形在两节点不存在位移，因此就不存在力和力矩” ，实际情况是位移不存在，但是力是存在的吧，好像是接近无穷大吧？
lm3253 发表于 2009-7-9 13:54
力应该不是无穷大，而是根据公式可以计算出来的。这个力相当于把管道压缩膨胀长度所需要的力。然后根据应力应变公式就可以算出来。DN200的管道250度的时候力大概是300吨左右吧。
luckychen2009-11-05 10:42:58
如果选择的规范是B31.3，在CAESARII的CONFIG中把F/A点开，那么计算的的二次应力就不为0了，实际上，金属管道没有人在同一直管上加两个轴向限位。
steven_zmy2010-1-12 11:03:55
应该说这样的连接形式在工艺配管中是不允许的。
有点温度，膨胀后，固定点受力太大！！
Tom2010-5-10 12:49:38
[i=s] 本帖最后由 Tom 于 2010-5-10 12:51 编辑
QUOTE:

如果选择的规范是B31.3，在CAESARII的CONFIG中把F/A点开，那么计算的的二次应力就不为0了，实际上，金属管 ...
luckychen 发表于 2009-11-5 10:42
在ASME B31.3
para.319.4.4中，SE=SQRT(Sb*Sb+4*St*St+Sax*Sax)。






1。 Sax通常相对很小， 不在考虑之中。 但在Config中可把F/A加入。

2。 如果直线设两个固定， Sb=0， St=0， 故SE=0， 或 F/A。

3。 代价是F很大。

4。 由于F很大，Buckling的情形需另外考虑。




尽管如此， 管系及管架在实际情况下不一定崩溃。

ytbdfh2010-5-10 13:54:17
QUOTE:

B31.3认为二次应力是由位移产生的，两端固定是没有位移的，所以就会认为没有二次应力。但是在最近B31.3的修 ...
llu85 发表于 2009-9-26 14:17
1 首先力不是无穷大的
2 二次应力为0，个人觉得可以看作是没有产生位移变化，也就没有膨胀的工况
3 这种支撑很少见，拿来研究一下理论还是不错的
有没有人能从理论上给出解释？
nihenu2010-5-10 19:22:59
[i=s] 本帖最后由 nihenu 于 2010-5-10 19:38 编辑

ASME B31.3附录P是关于操作态下的应力校核，在C2配置中激活Implement Appendix P后，操作态下的应力和操作态下的应力范围计算公式都发生了变化，计算中考虑了轴向力Sa，所以操作态下应力不为0


2.jpg




1.jpg

llu852010-5-10 20:52:22
回复 10# Tom
不一定不会崩溃吧。这个问题应该是个失稳问题了。软件认为没有问题但是实际上不一定就没有问题。在失稳的条件下如果外界有很小的外力作用在管系上，管系就会弯曲，到最后还是会破坏掉的。
thomas2010-6-28 10:05:20
[i=s] 本帖最后由 thomas 于 2010-6-28 10:12 编辑
QUOTE:

如果选择的规范是B31.3，在CAESARII的CONFIG中把F/A点开，那么计算的的二次应力就不为0了，实际上，金属管 ...
luckychen 发表于 2009-11-5 10:42
正如你所说。

下面引用别的人与你类似的回复：
QUOTE:

The EXP case for B31.1 and B31.3 does not consider axial stresses, neither compressive nor tensile. So you will get zero code stress when heating pipe between two anchors. However, if you want to, you can force Caesar II to consider the axial stress in the EXP case code stress by selecting Tools->Configure/Setup->SIFs and Stresses and turning on the directive called Add F/A in Stresses.
_________________________
Loren A. Brown
Senior Engineer/Developer
COADE, Inc.
其它的人一些补充内容：
QUOTE:

Remember that when performing a structural analysis to the ASME B31 Codes for Pressure Piping, the Caesar II software uses ONLY the equations that are found in the ASME B31 Codes for Pressure Piping. Take a look at the equation in the the Code for calculating thermal expansion stress. Note that the stress is calculated as the intensified BENDING MOMENT divided by the pipe section modulus. There will be no bending in your configuration so the bending stress will be zero. The stress will be simply the axial force divided by the metal area in the pipe wall (and that equation is NOT in the B31 Codes). But that will not warn you about the real failure mechanism which will be column buckling. Buckling is not so much "stress related" as it is structural stability related.

But then again, certainly you do not really have a piping system of that configuration.