一种内压平衡型套筒补偿器在CAESARⅡ中的模拟方法与流程

一种内压平衡型套筒补偿器在caesarⅱ中的模拟方法
技术领域
1.本发明涉及补偿器在caesarⅱ中模拟计算领域，特别是一种内压平衡型套筒补偿器在caesarⅱ中的模拟方法。


背景技术：

2.关于套筒补偿器，其常被设置在热力管道上，用于吸收管道沿轴线方向的热伸长量；按照能否自行消化内压盲板力，分为平衡型和非平衡型；设置非平衡型套筒补偿器的管道，计算固定点的推力时，除了考虑管道由于热膨胀引起的二次应力外，还需要考虑管道内的介质压力引起的一次应力；设置平衡型套筒补偿器的管道，计算固定点推力时，只需要考虑管道由于热膨胀引起的二次应力，因此平衡型套筒补偿器又被称为无推力套筒补偿器。
3.关于caesarⅱ，作为一款商业软件，用于各类管网的应力模拟计算，其模拟步骤大致如下：
4.a.管网模型建立：根据路由方案和管道规格建立管网模型；
5.b.材料参数设置：定义管道材料、保温材料以及管道内介质的参数和物理性质；
6.c.边界条件输入：设置固定点、滑动点、导向和补偿器，输入摩擦系数、自由度刚度及其他参数；
7.d.运行工况设定：根据实际情况设置管网运行工况条件；
8.e.计算结果校核：软件模拟计算完成后，用户根据结果对管网设置方案进行调整。
9.对于步骤c当中的补偿器模拟，软件提供2类方法：自然补偿和人工补偿；当选用自然补偿时，用户可根据管网实际情况设置自然补偿器，然后根据软件的模拟计算结果，来判定补偿方案的合理性；当选用人工补偿时，由软件提供完整的用于模拟波纹补偿器的功能板，用户可根据实际需求设置刚性件的种类、端部类型、补偿器的规格以及相关参数用于模拟计算；但软件内置的人工补偿仅有波纹一种形式，缺少用于模拟套筒补偿器的功能板。
10.热电厂的厂内采暖管网，以及一些区域的市政供热支线管网，多采用架空敷设的形式，考虑到美观因素同时受到敷设空间的制约，对于需要进行轴向补偿的长距离直线管段，多采用人工补偿方案，仅在个别部位使用自然补偿。
11.此外，上述管道规格通常在dn500以下，如果大量使用波纹补偿器，会影响管网造价，因此业主通常更倾向于使用套筒补偿器作为人工补偿方案。
12.正规厂家的产品样册中，会提供各类套筒补偿器的材质、外形尺寸和摩擦力数值等参数，供设计人员选型和管道应力计算时使用；对于距离较短且结构形式简单的管段，设计人员可直接使用样册提供的数值，对固定点荷载进行计算，尽管存在误差，但都在可接受范围内；但对于复杂管网，由于固定点两侧管段的规格(如管径、材质、保温尺寸等)和边界条件(如滑动支架的摩擦系数、管道自由度、补偿器的形式等)可能存在较大差异，这些差异的相互影响，使得设计人员很难通过手算或根据经验估算的方式，在有限的时间内获得固定点的准确荷载，只能借助软件进行模拟计算。
13.由于caesarⅱ当中没有套筒补偿器的功能板和使用指南，用户只能通过自行建模
的方式来完成套筒补偿器的模拟计算，但错误的建模方法，会直接导致错误的模拟计算结果，而目前几乎找不到有关“在caesarⅱ当中进行套筒补偿器模拟”的文献资料，因此有必要在caesarⅱ当中，为套筒补偿器探索一种正确的模拟方法。


技术实现要素：

14.本发明提供一种内压平衡型套筒补偿器在caesarⅱ中的模拟方法，使该软件在“以套筒补偿器作为主要补偿手段的管网”应力模拟计算场景下，实现从0到1的突破。
15.本发明所采用的技术手段如下所述：
16.一种内压平衡型套筒补偿器在caesarⅱ中的模拟方法，该模拟方法包括以下步骤：
17.s1：通用模型建立：建立与套筒补偿器相匹配的节点并编号，根据建立的节点进行建模得到通用模型；
18.s2：通用模型导入：将s1中的通用模型导入管网模型中，并调整通用模型位置，使管网模型与通用模型的对应端点重合。
19.作为优选，在s1中，建立与套筒补偿器相匹配的节点时，每个节点至少进行6位编号n
1-n6，其中：
20.n
1-n3表示套筒补偿器的规格；
21.n4表示套筒补偿器的固定端或活动端；
22.n
5-n6表示节点在通用模型中的位置。
23.作为优选，当节点表示套筒补偿器的固定端时，n4＝0，当节点表示套筒补偿器的活动端时，n4＝9；以及表示套筒补偿器固定端或活动端的节点的n
5-n6均从10开始依次编号，间隔为10，得到：
24.表示固定端的节点为5个，依次为：n1n2n3010、n1n2n3020、n1n2n3030、n1n2n3040和n1n2n3050；
25.表示活动端的节点为3个，依次为：n1n2n3910、n1n2n3920和n1n2n3930。
26.作为优选，在建立通用模型时：
27.选择节点n1n2n3010-n1n2n3020为套筒补偿器过渡管的直管段；
28.选择节点n1n2n3020-n1n2n3030为套筒补偿器异径管的变径段；
29.选择节点n1n2n3030-n1n2n3040为套筒补偿器外套管的位于工作管之前的直管段；
30.选择节点n1n2n3040-n1n2n3050为套筒补偿器外套管的包围工作管的直管段；
31.选择节点n1n2n3910-n1n2n3920为套筒补偿器工作管的位于外套管内的直管段；
32.选择节点n1n2n3920-n1n2n3930为套筒补偿器工作管的位于外套管外的直管段；
33.并进一步设置管道的规格，使：
34.过渡管规格＝工作管规格＝套筒补偿器所在管段规格；
35.外套管内径＝工作管外径；
36.外套管的位于工作管之前的直管段l2≥该处直管段热伸长量的1.5倍。
37.作为优选，进一步使节点n1n2n3040和n1n2n3910互相关联，分别建立：
38.a.竖直方向约束，约束类型为y，互相约束竖直方向位移；
39.b.水平侧向约束，约束类型为z，互相约束水平侧向位移；
40.c.轴线方向约束，约束类型为x2，双线性约束轴线方向位移；
41.当两节点所在管段热膨胀引起的推力＜屈服力fy时，该约束的刚度为+∞，位移＝0；
42.当两节点所在管段热膨胀引起的推力≥屈服力fy时，该约束的刚度为0，位移≥0；
43.其中，屈服力fy＝套筒补偿器摩擦力；
44.以及进一步使节点n1n2n3050和n1n2n3920互相关联，分别建立：
45.d.竖直方向约束，约束类型为y，互相约束竖直方向位移；
46.e.水平侧向约束，约束类型为z，互相约束水平侧向位移。
47.作为优选，在将s1中的通用模型导入管网模型前，在每个节点原有6位编号前增加1位编号n0，表示每个套筒补偿器的编号，编号n0从1开始依次编号，间隔为1。
48.作为优选，在通用模型导入管网模型后，节点n1n2n3010位于管网模型空间的笛卡尔坐标系原点，手动调整该节点坐标，调整通用模型位置，使管网模型和通用模型的对应端点重合，以及，
49.当通用模型的固定端与管网模型端点相连时，将管网的端部节点编号改为n1n2n3010，通用模型活动端的下游管网节点，从n1n2n3930开始编号，以“在当前单元之后插入新单元”的方式建模；
50.当通用模型的活动端与管网端点相连时，将管网的端部节点编号改为n1n2n3930，通用模型固定端的下游管网节点，从n1n2n3010开始编号，以“在当前单元之前插入新单元”的方式建模。
51.本发明与现有的技术相比具有如下优点：
52.1.本发明扩展了caesarⅱ软件的应用场景，填补该软件所缺少的套筒补偿器模拟功能。
53.2.有助于设计人员在面对复杂的“以套筒补偿器作为主要补偿手段的管网”应力计算任务时，提高计算结果的效率和准确性。
附图说明
54.图1为本发明套筒补偿器通用模型的模拟示意图。
55.图2为图1通用模型的一具体实施例。
56.图3为图2实施例的成品通用模型图。
具体实施方式
57.如1-3所示，提供以下具体实施例。
58.一种内压平衡型套筒补偿器在caesarⅱ中的模拟方法，该模拟方法包括以下步骤：
59.s1：通用模型建立：建立与套筒补偿器相匹配的节点并编号，根据建立的节点进行建模得到通用模型；
60.s2：通用模型导入：将s1中的通用模型导入管网模型中，并调整通用模型位置，使管网模型与通用模型的对应端点重合。
61.在s1中，首先进行节点编号，建立与套筒补偿器相匹配的节点时，每个节点至少进
行6位编号n
1-n6，其中：
62.n
1-n3表示套筒补偿器的规格；如当规格为dn300时，n1＝3，n2＝0，n3＝0，当规格为dn65时，n1＝0，n2＝6，n3＝5；
63.n4表示套筒补偿器的固定端或活动端；当节点表示套筒补偿器的固定端时，n4＝0，当节点表示套筒补偿器的活动端时，n4＝9；
64.n
5-n6表示节点在通用模型中的位置；表示套筒补偿器固定端或活动端的节点的n
5-n6均从10开始依次编号，间隔为10。
65.如图1所示，得到：
66.表示固定端的节点为5个，依次为：n1n2n3010、n1n2n3020、n1n2n3030、n1n2n3040和n1n2n3050；
67.表示活动端的节点为3个，依次为：n1n2n3910、n1n2n3920和n1n2n3930。
68.接下来开始建模，在建立通用模型时，如图1所示：
69.选择节点n1n2n3010-n1n2n3020为套筒补偿器过渡管的直管段；
70.选择节点n1n2n3020-n1n2n3030为套筒补偿器异径管的变径段；
71.选择节点n1n2n3030-n1n2n3040为套筒补偿器外套管的位于工作管之前的直管段；
72.选择节点n1n2n3040-n1n2n3050为套筒补偿器外套管的包围工作管的直管段；
73.选择节点n1n2n3910-n1n2n3920为套筒补偿器工作管的位于外套管内的直管段；
74.选择节点n1n2n3920-n1n2n3930为套筒补偿器工作管的位于外套管外的直管段；
75.并进一步设置管道的规格，使：
76.过渡管规格＝工作管规格＝套筒补偿器所在管段规格；
77.外套管内径＝工作管外径；外套管外径参考厂家样册；
78.外套管的位于工作管之前的直管段l2≥该处直管段热伸长量的1.5倍；或参考厂家样册；以及套筒补偿器的两端节点之间的距离l1参考厂家样册。
79.进一步，使节点n1n2n3040和n1n2n3910互相关联，分别建立：
80.a.竖直方向约束，约束类型为y，互相约束竖直方向位移；
81.b.水平侧向约束，约束类型为z，互相约束水平侧向位移；
82.c.轴线方向约束，约束类型为x2，双线性约束轴线方向位移；
83.当两节点所在管段热膨胀引起的推力＜屈服力fy时，该约束的刚度为+∞，位移＝0；表示为k1＝1e+12(软件不识别+∞，通常用1e+12表示无穷大)；
84.当两节点所在管段热膨胀引起的推力≥屈服力fy时，该约束的刚度为0，位移≥0；表示为k2＝1(软件不识别0，通常用1表示无限趋于0)。
85.其中，屈服力fy＝套筒补偿器摩擦力，其数值参考厂家样册，其与缺省。
86.以及进一步使节点n1n2n3050和n1n2n3920互相关联，分别建立：
87.d.竖直方向约束，约束类型为y，互相约束竖直方向位移；
88.e.水平侧向约束，约束类型为z，互相约束水平侧向位移。
89.另外，套筒补偿器本体材料参考厂家样册，管道内介质种类、运行温度和压力、管道保温材料和厚度等参数，根据工程实际情况输入。
90.接下来，进行模型导入。
91.在将s1中的通用模型导入管网模型前，为避免管网模型中出现多个同规格的套筒
补偿器时节点编号重复，在每个节点原有6位编号前增加1位编号n0，用于表示每个套筒补偿器的编号，编号n0从1开始依次编号，间隔为1。
92.在模型导入时，导入操作为：
93.1.依次按选工具栏中的“environment(环境)”和下拉菜单中的“includepipingfiles(导入管道文件)”；
94.2.在对话框中选取本地已保存的通用模型文件，将“read(可读性)”应改为“y(可读)”，以确保模型导入后仍可编辑；
95.3.“confirm(确认)”。
96.在通用模型导入管网模型后，通用模型和管网模型仍是互相独立的两个模型，需手动将二者合并，具体操作方法如下：
97.1.通用模型导入后，其节点n1n2n3010位于管网模型空间的笛卡尔坐标系原点，需手动调整该节点坐标，调整通用模型位置，使管网模型和通用模型的对应端点重合。
98.2.当通用模型的固定端与管网模型端点相连时，将管网的端部节点编号改为n1n2n3010，通用模型活动端的下游管网节点，从n1n2n3930开始编号，以“在当前单元之后插入新单元”的方式建模；
99.3.当通用模型的活动端与管网端点相连时，将管网的端部节点编号改为n1n2n3930，通用模型固定端的下游管网节点，从n1n2n3010开始编号，以“在当前单元之前插入新单元”的方式建模。
100.4.参考厂家样册所推荐的间距，设置活动端管道的导向支架。
101.以及，如图2所示，提供以下一具体实施例。
102.图2所示为规格为dn300的内压平衡型套筒补偿器，厂家样册提供数据：补偿器材质为q235b，总长度2.5m，摩擦力188.68kn。将其应用于温度为110/70℃的热电厂内采暖管网，管网运行压力为0.9mpa，管道材料为20#钢，规格d325
×
8，保温材料为离心玻璃棉，保温层厚度80mm；
103.如图2所示，在通用模型的建立阶段，6位节点编号n
1-n6分别为：300010、300020、300030、300040、300050、300910、300920和300930.
104.(1)节点300010-300020：直管段(过渡管)，长度400mm；
105.(2)节点300020-300030：变径段(异径管)，长度100mm；
106.(3)节点300030-300040：直管段(外套管)，长度800mm；
107.(4)节点300040-300050：直管段(外套管)，长度800mm；
108.(5)节点300910-300920：直管段(工作管)，长度800mm；
109.(6)节点300920-300930：直管段(工作管)，长度400mm；
110.(7)过渡管规格＝工作管规格＝套筒补偿器所在管段规格＝d325
×
8；
111.(8)外套管内径＝工作管外径＝325mm；
112.(9)外套管外径＝525mm；
113.(10)l2＝800mm；
114.(11)l1＝2500mm；
115.(12)节点300040和300910互相关联，分别建立：
116.a.竖直方向约束，约束类型为y，互相约束竖直方向位移；
117.b.水平侧向约束，约束类型为z，互相约束水平侧向位移；
118.c.轴线方向约束，约束类型为x2，双线性约束轴线方向位移；
119.所在管段热膨胀引起的推力＜屈服力fy时，该约束的刚度为+∞，位移＝0，k1＝1e+12；
120.所在管段热膨胀引起的推力≥屈服力fy时，该约束的刚度为0，位移≥0，k2＝1；
121.屈服力fy＝套筒补偿器摩擦力＝188.68kn，其余缺省；
122.(13)节点300050和300920互相关联，分别建立：
123.a.竖直方向约束，约束类型为y，互相约束竖直方向位移；
124.b.水平侧向约束，约束类型为z，互相约束水平侧向位移；
125.(14)套筒补偿器本体材料为q235b。
126.其成品通用模型见图3。
127.需要说明的是，本发明的保护范围还包括规格从dn50至dn1400的21种内压平衡型套筒补偿器的通用模型，这些模型在管网模型中的模拟计算结果已经过验证。