CAESAR II 中的弹簧选型
AutoPSA与CAESARⅡ在弹簧选型中的比较
Ｇ㈤ 一
５ 结 ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
通过 上 述 分析 可 以看 出 ， 该新 型 油 罐 液位 自动
为 了提 高 系 统 的精 度 ， 分 系 数 Ｋ 积 可选 大 一 些 ， Ｋ ＝ ０ ， 取 ＝ １ ０ 通过 ＭＡＴＬ ＝ ＡＢ仿 真 得 到 系统 的开
环 阶跃 响应 曲线见 图 ５引。 Ｅ
Ａｕｏ Ｓ 与 Ｃ Ｓ Ｉ 弹 簧 选 型 中的 比较 ｔＰ Ａ ＡＥ ＡＲ Ｉ 在
张 书 俊 ，李 国斌
（ 沙 优 易 软 件 开 发有 限 公 司 ，湖 南 长沙 长 ４０ １） １ ０ ３
摘 要 ：结合 实际的 工程例 题 ， 比较 了优 易 管道 应 力分 析 软 件 Ａｕ ｏ Ｓ 与 美 国 管道 应 力 分 析软 件 ｔＰ Ａ Ｃ Ｓ Ｉ 弹簧 选型 方 面的异 同。考虑 到 热 态 吊零 、 态 吊零 以及 各 种 弹 簧 选取 方 式 ， 讨 了 ＡＥ ＡＲ Ｉ 在 冷 探 Ａｕ ｏ Ｓ 弹 簧设 计 的基 本 功 能 。针 对 管 道 的 多工 况运 行 状 态 ， ｔＰ Ａ 提 供 了 多载 荷 工 况 弹簧 ｔＰ Ａ Ａｕｏ Ｓ
ｍｕ ｔｐ ｅ ｌ ａ ａ ｅ ｄ ｓｇ ｓ ａ ｏ ｔ ｄ ｉ ｕ ｏ Ａ． ｌｉ ｌ ｏ ｄ ｃ ｓ ｅ ｉ ｎ ｉ ｄ ｐ ｅ Ａ ｔ ＰＳ Ａｕ ｏ Ｓ ｉ ｃ ｕ ａ ｅ ａ ｄ ｕ ｉ ｅ ｓ ｌ ｔ ｕ ｕ ｔ ｂ ｅ ｎ ｔ Ｐ Ａ ｓａ ｃ ｒ ｔ ｎ ｎ ｖ ｒ ａ ，ｈ ｓｓ ｉａ ｌ
图 ５ Ｐ Ｄ校 正后 的 系 统 开 环 响 应 曲线 Ｉ
［］ 冯巧玲 ， 为福 ， 道尹， ． ３ 范 邱 等 自动 控 制 原 理 ［ ． 京 ： 京 航 Ｍ］ 北 北
空 航 天 大 学 出 版 社 ， ０ ３ ２０ ．
【CAESAR II培训】4-管道支吊架的模拟
配置界面(2/3)
• 忽略弹簧刚度
• 用户与简单手工计算结果进行复核 (忽略弹簧刚度只添加热载) • 需要手动指定 • 不推荐使用
配置界面(3/3)
• 在弹簧位移工况中考虑 弹簧刚度的影响
配置界面(3/3)
• 在弹簧位移工况中考虑弹簧刚度
1.3 减振架：用来控制或减小除重力和热膨胀作用以外 的任何力(如物料冲击、机械振动、风力及地震等外部 荷载)的作用所产生的管道振动的支架。——SNB
减振架有弹簧及油压和机械三种类型。
Input Basics
5
典型约束的解释
Input Basics
6
典型约束的解释
Input Basics
7
常用特殊支架的模拟
管道支吊架的模拟
引言
管道支架的分类 1. 管道支架的分类及定义
按支架的作用分为三大类； 承重架 限制性支架 减振架
Input Basics
2
引言
1.1 承重架：用来承受管道的重力及其它垂直向下荷载的支 吊架(含可调支架)。
• a. 滑动架： 在支承点的下方支撑的托架，除垂直方向支撑力及 水平方向摩擦力以外，没有其他任何阻力。—— +Y，Y
两种常用特殊支架的模拟： • 关联节点的应用 • 弹簧支吊架的应用
Input Basics
8
关联节点
Input Basics
9
关联节点
• 这两个模型结构相同。 • 右侧模型在55点用ANCHOR
与56点建立CNODE. 这里没 有55点到56点这个单元. • 这种方式将显示此点的“内 部”载荷。
用于弹簧选型的操作工况数量 • 指定设计弹簧时需要考虑工况的个数。这个值是1到9之间的数字并且与需要
弹簧选型设计教材
弹簧支吊架设计
AECSOFT 北京艾思弗计算机软件技术有限责任公司
2010
弹簧支吊架设计
弹簧设计基础理论 CAESAR II中的支吊架设计 输入数据示例 输出数据 实际案例分析 备注
AECsoft
2020/7/16
弹簧支吊架设计 为什么选用弹簧支吊架？
AECsoft
热载
100
%
热载 冷载 热载
100
%
制造商推荐值为25% （MSS SP-58） 其它：常规管道为25%，高危管道为10%
注：恒力弹簧支吊架许用荷载变化率为6%
AECsoft
2020/7/16
弹簧支吊架设计
AECsoft
2020/7/16
弹簧支吊架设计 CAESAR II中弹簧的自动设计
运行载荷分配工况（支架热载） 运行操作态工况（弹簧支架行程） 弹簧表选弹簧
理论冷态荷载——在热载的基础上加上或减去所选弹簧等级与行程距离 的乘机。
实际冷态荷载——应用管系的空管重量、弹簧的初始荷载及弹簧等级计 算得出的荷载。一般情况下只被用于冷态校核弹簧。
AECsoft
2020/7/16
弹簧支吊架设计
荷载变化率——弹簧荷载达到热载时的荷载变化率
荷载载变化
弹簧等级 弹簧行程
中间位置。
刚性支架的位移标准-当竖直位移小于
给定值时用刚性支架替换弹簧。
最大允许行程限制-当竖直位移大于给定值，
选用恒力弹簧替换可变弹簧。
2020/7/16
弹簧支吊架设计 弹簧输出报告
AECsoft
2020/7/16
弹簧支吊架设计
计算选弹位移考虑弹簧刚度的影响
考虑弹簧刚度对选弹位移的影响
CAESARII管道应力分析软件部分应用案例
北京艾思弗计算机软件技术有限公司CAESARII管道应力分析软件部分应用案例1、FPSO、海洋工程管道系统沪东中华LNG装卸船管道系统。
计算条件：温度-163°C、压力1Mpa、材料A335 P12，管径219~610mm，执行英国BS 7159。
本案例分析难点在于低温状态下管道的柔性以及不同载荷条件下（满载、空载、海浪）的管道应力问题，CAESAR II完全支持对低温深冷管道的柔性分析，并能定义相关载荷工况以满足设计要求。
2、石油化工复杂工艺管道系统五环科技化工系统管线。
计算条件：温度400°C、压力2.68Mpa，管径89mm~2268mm，材料低碳钢，执行B31.3石油化工管道标准。
系统存在立卧式容器、塔器、换热器以及多种支吊架类型，模型复杂，规模较大。
CAEARII支持创建此类复杂模型，组合管道与设备，从而精确的界定管道边界条件，大大减小误差。
此外，在建模及分析过程中，软件允许用户自由修改模型。
3、大型发电厂主蒸汽系统西北电力院1000MW主汽-再热压力管道项目。
计算条件：324°C（低温）、576°C（高温）、压力25.4Mpa、材料A335 P91、管径范围219mm~711mm，执行美国ASME B31.1动力管道标准。
CAESARII可以对不同管径、不同温度压力、不同材料的管道进行应力、推力、位移计算，并对所有弹簧进行自动选型，提供弹簧型个数、号报告。
4、空冷管道系统哈空调大型空冷管道系统，管径3000mm~10300mm，执行B31.1动力管道标准。
由于大直径薄壁管道弯头、三通吸收热胀变形能力较弱，该管道内设计了拉杆式、铰式、万向式在内的多种补偿器。
CAESAR II支持对大直径薄壁管道进行整体应力分析，允许用户模拟各种不同形式的膨胀节（轴向、铰向、万向、压力平衡式等），允许使用简单/复杂模型，用户只需要给定补偿器刚度，相关约束形式。
用户也可以使用软件内置的膨胀节数据库，仅给定相关外形尺寸数据，软件自动生成膨胀节模型。
CAESARII管道应力分析软件部分应用案例
北京艾思弗计算机软件技术有限公司CAESARII管道应力分析软件部分应用案例1、FPSO、海洋工程管道系统沪东中华LNG装卸船管道系统。
计算条件：温度-163°C、压力1Mpa、材料A335 P12，管径219~610mm，执行英国BS 7159。
本案例分析难点在于低温状态下管道的柔性以及不同载荷条件下（满载、空载、海浪）的管道应力问题，CAESAR II完全支持对低温深冷管道的柔性分析，并能定义相关载荷工况以满足设计要求。
2、石油化工复杂工艺管道系统五环科技化工系统管线。
计算条件：温度400°C、压力2.68Mpa，管径89mm~2268mm，材料低碳钢，执行B31.3石油化工管道标准。
系统存在立卧式容器、塔器、换热器以及多种支吊架类型，模型复杂，规模较大。
CAEARII支持创建此类复杂模型，组合管道与设备，从而精确的界定管道边界条件，大大减小误差。
此外，在建模及分析过程中，软件允许用户自由修改模型。
3、大型发电厂主蒸汽系统西北电力院1000MW主汽-再热压力管道项目。
计算条件：324°C（低温）、576°C（高温）、压力25.4Mpa、材料A335 P91、管径范围219mm~711mm，执行美国ASME B31.1动力管道标准。
CAESARII可以对不同管径、不同温度压力、不同材料的管道进行应力、推力、位移计算，并对所有弹簧进行自动选型，提供弹簧型个数、号报告。
4、空冷管道系统哈空调大型空冷管道系统，管径3000mm~10300mm，执行B31.1动力管道标准。
由于大直径薄壁管道弯头、三通吸收热胀变形能力较弱，该管道内设计了拉杆式、铰式、万向式在内的多种补偿器。
CAESAR II支持对大直径薄壁管道进行整体应力分析，允许用户模拟各种不同形式的膨胀节（轴向、铰向、万向、压力平衡式等），允许使用简单/复杂模型，用户只需要给定补偿器刚度，相关约束形式。
用户也可以使用软件内置的膨胀节数据库，仅给定相关外形尺寸数据，软件自动生成膨胀节模型。
可变弹簧的计算原理及其在CAESAR Ⅱ中的运用
簧刚度。可以看出，在垂直热位移和热态荷载一定的
情况下，较大的荷载变化率将导致较大的弹簧刚度。
实际应用的弹簧刚度一定要小于计算的理论值。
作者简介：田智 女 １９８５ 年生 工程师 主要从事管道应力分析工作
·３６·
上海化工
第 ４２ 卷
（５）计算弹簧的冷态荷载，选择弹簧。 冷态荷载＝热态荷载 ＋（垂直位移×弹簧刚度）
的变化，其变化系数（定义为荷载变化率）可按式（１）
进行计算。
安装荷载 － 操作荷载
荷载变化率＝
×１００％ ＝
操作荷载
垂直热位移×弹簧刚度 ×１００％ 操作荷载
（１）
弹簧的选择主要是基于荷载变化率。工业标准
中通常限制荷载变化率不超过 ２５％，这意味着无论
弹簧的变形量大小如何，弹簧可以承载最大 １２５％
第 ４２ 卷 第 ８ 期 ２０１７ 年 ８ 月
上海化工 Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ
DOI:10.16759/ki.issn.1004-017x.2017.08.010
工作研究
·３５·
可变弹簧的计算原理及其在 ＣＡＥＳＡＲ ＩＩ 中的运用
田智
福陆（中国）工程建设有限公司 （上海 ２０１１０３）
（３） 其中，位移向上取正值，位移向下取负值。当冷态荷 载不在弹簧的工作范围内时，应尝试另一种含有热 态荷载值的弹簧型号，如果两种型号的弹簧都不能 满足要求，则可以尝试行程更长且刚度更低的弹簧。 若仍然不能选到合适的弹簧，就应当考虑使用恒力 弹簧。
（６）确定弹簧的型号。根据项目采购的情况，国 内和国外厂家的产品有很大差异，选型上也存在较 大不同。国内厂家弹簧的生产均执行 ＮＢ／Ｔ ４７０３９— ２０１３《可变弹簧支吊架》，设计时可依据标准进行选 择，对项目的影响小。采购国外厂家的弹簧时，由于 没有统一的标准，且弹簧支吊架属于特殊件，每个厂 家的弹簧设计制造会有所不同，型号的标注方式也 不同，所以基于厂家的样本选择适用的弹簧十分重 要，需查询供货商的弹簧选择图表，根据位移范围和 荷载范围进行合理选择。
弹簧选型设计 ppt课件
0.442 38691. 38981.
0. 6539. 86.315
LOAD VARIATION = 1%
54.671 20550.
25554.
0. 915. 137.329
LOAD VARIATION = 20%
91.539 47439. ****** CONSTANT EFFORT SUPPORT *****
弹簧支吊架设计
先加弹簧再加冷紧
2030 1 ZH1 14 13.005 24313. 30691.
0. 4904. 32.588
CHINAБайду номын сангаасOWER 2060 2 ZH1 15
CHINAPOWER 2077 2 ZH4 13
CHINAPOWER 2085 1
LOAD VARIATION = 21%
弹簧支吊架设计 弹簧支吊架设计基本步骤
1. 计算弹簧荷载 2. 确定垂直方向位移 3. 从厂家弹簧表中选弹簧 4. 确定弹簧支吊架的理论安装荷载 5. 校核弹簧的行程和荷载变化率
弹簧支吊架设计
弹簧支吊架设计条件
热载——操作状态下的弹簧荷载。由管道的自重、保温、介质重量、阀 门/法兰等刚性件的重量计算得来。
CHINAPOWER 3077 2 ZH4 13
0.442 38691. 69.671 19177.
LOAD VARIATION = 21%
38981.
0. 6539. 86.315
LOAD VARIATION = 1%
25554.
0. 915. 137.329
CHINAPOWER
LOAD VARIATION = 25%
簧位置。
弹簧支吊架设计 自动设计弹簧选项
CAESAR应用介绍
CAESAR II是COADE公司(已被INTERGRAPH 公司并购)的一款优秀管道应力分析软件。
编辑本段1．管道应力分析的原则管道应力分析应保证管道在设计条件下具有足够的柔性，防止管道因热胀冷缩、管道支承或端点附加位移造成应力问题。
编辑本段2．管道应力分析的主要内容管道应力分析分为静力分析和动力分析。
静力分析包括：1）压力荷载和持续荷载作用下的一次应力计算——防止塑性变形破坏；2）管道热胀冷缩以及端点附加位移等位移荷载作用下的二次应力计算——防止疲劳破坏；3）管道对设备作用力的计算——防止作用力太大，保证设备正常运行；4）管道支吊架的受力计算——为支吊架设计提供依据；5）管道上法兰的受力计算——防止法兰汇漏。
动力分析包括：l）管道自振频率分析——防止管道系统共振；2）管道强迫振动响应分析——控制管道振动及应力；3）往复压缩机（泵）气（液）柱频率分析——防止气柱共振；4）往复压缩机（泵）压力脉动分析——控制压力脉动值。
编辑本段3．管道上可能承受的荷载（1）重力荷载：包括管道自重、保温重、介质重和积雪重等；（2）压力荷载：压力载荷包括内压力和外压力；（3）位移荷载：位移载荷包括管道热胀冷缩位移、端点附加位移、支承沉降等；（4）风荷载；（5）地震荷载；（6）瞬变流冲击荷载：如安全阀启跳或阀门的快速启闭时的压力冲击：（7）两相流脉动荷载；（8）压力脉动荷载：如往复压缩机往复运动所产生的压力脉动；（9）机械振动荷载：如回转设备的振动。
编辑本段4．管道应力分析的目的1）为了使管道和管件内的应力不超过许用应力值；2）为了使与管系相连的设备的管日荷载在制造商或国际规范（如 NEMA SM-23、API-610、API-6 17等）规定的许用范围内；3）为了使与管系相连的设备管口的局部应力在 ASME Vlll的允许范围内；4）为了计算管系中支架和约束的设计荷载；5）为了进行操作工况碰撞检查而确定管于的位移；6）为了优化管系设计。
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以前的选择 – 5: 模型中可能的选择
程序可能选择刚性约束、弹簧支吊架或者恒 力弹簧支吊架。 所有管道系统都涵盖这三种支吊架：
刚性约束 代表一个刚性的垂直约束 弹簧 表征一个柔性的垂直约束（K=弹簧选型刚度） 和一个预加荷载的组合（计算出的安装荷载） 恒力支吊架 代表一个向上的支撑力，并会在约束 报告中列出
21
© Intergraph 2013
输入界面 – 特别设置 Hanger Design Control Data (1/2)
多工况设计选项(总共13个选项)
基于独立的工况设计 (#1 - #9) 基于最大的工作荷载设计 基于最大的行程设计 基于平均的载荷在位移行程设计 基于最大的载荷和行程设计
32
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管道输入界面 – 设计数据(2/3)
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© Intergraph 2013
管道输入界面 – 设计数据(2/3)
弹簧表
CAESAR II提供33个制造商弹簧表 所有都包含3个种类 (如：短程，中程，长程) 有些存在4个
Hanger Manufacturers in CAESAR II
28
© Intergraph 2013
输入界面 – 通用 Hanger Design Control Data (2/2)
弹簧表
选择33个弹簧表中的一个
选项框 (more later)
延展范围 – 超越推荐范围以外 冷载 – 冷态载荷选弹簧，可用于调试设备 热载居中 – 尝试选择更好的弹簧
用户可以在4个不同的地方指定不同部分的弹簧选 型数据
CAESAR II 配置界面
控制当前模型数据的初始值
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© Intergraph 2013
数据文件夹 – Configuration 设置 (1/3)
弹簧默认初始刚度
1E12 和刚性约束一样 我们当前支持33个弹簧表 建议用不同的颜色来显示关联弹簧 (可以表 明不同的边界条件)
Anvil Piping Technology SINOPEC Sarathi Binder Yamashita
Bergen Power Capitol BHEL Myricks Gradior Sanwa Tekki
Power Piping Piping Services Flexider China Power NHK Techno Industrie
输入界面 – 特别设置 Hanger Design Control Data (1/2)
这里,设置如下的弹簧控 制参数:
弹簧工况数量= 2 多工况设计选项= Operating Case 1 在模型输入界面, 重设右侧 的弹簧为: 多工况设计选项= Operating Case 2
24
9
© Intergraph 2013
就是如此简单
CAESAR II怎么做到这一点呢?
10
© Intergraph 2013
CAESAR II 弹簧输入数据
用户可以在4个不同的地方指定不同部分的弹簧选 型数据
CAESAR II 配置界面
控制当前模型数据的初始值 对当前的模型设置通用设置及初始设置值
22
© Intergraph 2013
输入界面 – 特别设置 Hanger Design Control Data (1/2)
例如:
Operating Case 1 (LC1) Operating Case 2 (LC2)
Design for LC1 Design for LC2
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© Intergraph 2013
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© Intergraph 2013
输入界面 – 通用 Hanger Design Control Data (2/2)
刚性支架位移标准
如果弹簧位置的垂直位移小于这个值，CAESAR II将 选择一个刚吊 (如 Y 向约束) 如果热态的变形大于这个值，CAESAR II将选择恒力弹 簧
最大许用行程限制
16
© Intergraph 2013
数据文件夹– Configuration 设置 (3/3)
在弹簧位移工况考虑弹簧刚度
将 “Theoretical Cold Load” 更名为 “Field Installed Load” 注意下面的提示
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© Intergraph 2013
CAESAR II 弹簧输入数据
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© Intergraph 2013
CAESAR II 弹簧输入数据
用户可以在4个不同的地方指定不同部分的弹簧选 型数据
CAESAR II 配置界面
控制当前模型数据的初始值 对当前的模型设置通用设置及初始设置值
输入界面 – Hanger Design Control Data
管道输入界面 – 弹簧数据 (选项框)
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© Intergraph 2013
管道输入界面 – 设计数据(2/3)
可用空间
指定在管道上部或者下部可用于安装弹簧的空间。如果定义的 是负值，软件将假设要安装的是支座。 CAESAR II 选择长度满足安装空间的弹簧。 此空间不包含弹簧附件.
默认弹簧表
弹簧&关联节点弹簧的显示 (不同颜色)
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© Intergraph 2013
数据文件夹– Configuration设置 (2/3)
忽略弹簧刚度
用户与简单手工计算结果进行复核 (忽略弹簧刚度只添 加热载) 需要手动指定 不推荐使用
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Intergraph® CAESAR II ® 卓越缘于积累，创新带来突破
李世林
Intergraph CADWorx & Analysis Solutions, Inc. Intergraph CADWorx & Analysis Solutions, Inc.
可变支架
CAESAR II 中弹簧选型的算法
在此找到特别设置:
用于弹簧选型的操作 工况数量 多工况设计选项 计算实际冷载
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输入界面 – 特别设置 Hanger Design Control Data (1/2)
用于弹簧选型的操作工况数量 指定设计弹簧时需要考虑工况的个数。这个值是1到9 之间的数字并且与需要考虑的热工况个数相对应。如 果定义了大于1的数，多工况选项将强制启用。
输入界面 – Hanger Design Control Data
输入界面 – Hanger Data (Checkbox)
设置选型用参数及指定已有弹簧数据
添加弹簧在每个工况中的作用
工况设置界面– Load Case Options
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CAESAR II 弹簧输入数据
设置选型参数，指定已有弹簧
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© Intergraph 2013
管道输入界面 – 弹簧数据
定位弹簧
选择弹簧
指定弹簧
31
© Intergraph 2013
管道输入界面 – 节点数据(1/3)
Node / CNode
Node: 定义弹簧位置. CNode: 可以认为Cnode为弹簧的另一端 (此处可能生 根在有附件位移的地方，弹簧在选型时会考虑这个附 加位移).
管道系统刚度非常小. 选择的弹簧刚度非常高. 弹簧行程大。通常对弹簧远离设备管嘴的小直径管道系统更加 重要。
25
© Intergraph 2013
输入界面 – 通用 Hanger Design Control Data (2/2)
新模型的模型设置和现有弹簧未指定的设置。新 的不会替换现有的数据。
户可以在4个不同的地方指定不同部分的弹簧选型 数据
CAESAR II 配置界面
控制当前模型数据的初始值 对当前的模型设置通用设置及初始设置值
输入界面 – Hanger Design Control Data
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输入界面 – 特别设置 Hanger Design Control Data (1/2)
NPS Industries Basic Engineers Carpenter & Paterson Pipe Supports USA PSSI GmbH
Lisega Inoflex Pipe Supports Ltd. Quality Pipe Supports Seonghwa
Fronek E. Myatt Witzenmann PiHASA Mitsubishi
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输入界面 – 特别设置 Hanger Design Control Data (1/2)
计算实际冷载
指定后，CAESAR II将在弹簧选型后将弹簧作为一个已 知支吊架进行一个额外的计算。这个分析将决定弹簧被 首次激活时的实际安装荷载。 以下情况下，此计算被认为是重要的:
在不含重量情况下计算垂直位移
4
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