基于应力设计及基于应变的设计1

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1、基于应力设计及基于应变的设计1.管道设计和校核的目的管道设计和校核的目的是根据管道结构失效的可能模式选择设计方法和确定校核的接受准则。2.管道结构失效模式及极限状态若以极限状态术语明确表达的所有相关的失效模式,极限状态分成下述4类极限状态之一：--适用性极限状态(SLS)：如若超出其条件，就致使管道不适合正常运行。--极端极限状态(ULS)：如若超出其条件，就危及管道的完整性--疲劳极限状态(FLS)：一种由累积循环载荷效应引起的极端极限状态。--偶然极限状态(ALS)：由于偶然载荷引起的极端极限状态。海上管道的极限状态适

2、用性极限状态--椭园变形/棘轮变形极限状态;--累积塑性应变极限状态；和--由于配重涂层造成的损伤或配重涂层的损坏。.极端极限状态--爆破极限状态;--椭园变形/棘轮变形极限状态(如造成总体失效);--局部屈曲极限状态(管子壁厚屈曲极限状态);--全面屈曲极限状态(通常是受载荷控制的条件);--失稳断裂和塑性挤毁极限状态；和--冲击。疲劳极限状态e--由于循环载荷引致的疲劳。偶然极限状态3.管道设计和校核方法基于强度设计和基于极限状态的可靠性设计是管道设计和校核两种基本的方法。管道的设计应使其能抗材料破坏失效和抗失稳。材料

3、破坏失效的类型包括延性、脆性和疲劳破坏失效。延性破坏考虑的是与管道运行安全性和可靠性不相适的条件下造成的管材的过量塑性变形。延性破坏的型式包括挤毁和爆破。失稳失效包括挤毁、曲屈等过量塑性变形引起的失稳破坏及损伤。主要设计方法：3.1DNV极限状态设计方法及设计校核准则应按最不利的载荷合成进行设计.设计载荷通常可以被表示为如下格式：载荷系数γF,γE,γA,γP和γc相应于不同安全等级取值不同。设计抗力Rd，通常可以下述格式表示：特征材料强度fk,(fy,fu)fy=(SMTS-fy.temp)αUfu=(SMTS-fu.t

4、emp)αUαA、，分别是屈服强度和拉伸强度由于温度的减低值αU，材料的强度系数αA，各向异性系数，材料抗力系数γm,取决于极限状态的分类γsc取决于安全等级的抗力系数应使设计载荷效应(Ld)不超过设计抗力(Rd)3.2加拿大CSAZ662强度设计方法及设计校核准则应力的确定：由于内压、外压、弯曲、轴向载荷、椭圆度、弯矩、伴随作用的任何其他应力的复合有效应力的最大值应利用下述Hüer，vonMises和Hencky的塑性力学假设的表达式确定。运行期应力的确定，钢管壁厚的任何腐蚀或磨蚀裕量不应被视为最小设计壁厚的一部分；然而

5、在确定安装期和初次压力试验的应力时，这一裕量应计入。SC=（Sl2+Sh2-SlSh+3τlh2）0.5式中：SC：最大复合有效应力，MpaSl：总的轴向应力，MpaSh：总的环向应力，Mpaτlh：切向剪切应力，Mpa许用应力确定：Sca=FST式中Sca：许用应力，MpaF：根据表1要求的设计系数S：规定最低屈服强度，MpaT：温度系数（见表2）注：对于温度不高于120℃时，T=1.00应使最大复合有效应力SC不超过许用应力Sca3.3载荷和抗力计算,基于应力的设计和基于应变的设计3.3.1载荷条件载荷条件的区别在于：

6、--载荷控制条件(LC条件)，和--位移控制条件(DC条件).基于应力、基于应变的不同的设计和校核方法分别适用于这两种载荷条件。载荷控制条件：结构响应主要受施加载荷支配的一种载荷条件。位移控制条件：结构响应主要受施加的几何位移支配的一种载荷条件。载荷控制设计准则总是可以适用于位移控制设计准则的场合。一个纯位移控制条件的例子是管道弯曲成与J-管或卷筒相一致的连续曲线结构。在那种情况下，管子轴线被强迫弯曲，导致椭园变形的园周弯曲是由轴线的弯曲和由其引起的内力之间的相互作用所确定的。管道与敷管船的船尾托管架卷筒相接触的例子,在一

7、个相当大的范围内管道的外轮廓必与卷筒相一致，因而其轮廓是受位移控制的。然而在某一区域范围内，在卷筒之间的管子弯曲是由重力和拉伸力之间的交互作用所确定的，因而管子的弯曲是受载荷控制的。不过在托管架未端管子弯曲将总是受载荷控制的。绕在卷筒上的延伸管轴与海底的接触的例子，管道由于温度和压力引起的伸长在管轴的端部施加个一位移。因而该响应主要是受位移控制的。然而横向阻力对管轴沿海床的移动也是一个重要的作用，并且引起某种程度的载荷控制。这些例子表明在许多情况下载荷控制和位移控制之间可以简单地区分的情况并不多见。选择宜根据合成载荷的那一

8、种成分是更重要作出判断。基于应变的设计是对予料会遭受轴向塑性变形环焊缝(可能包含缺陷)的基本要求。这可以通过保证管体和环焊缝具有要求的强度和韧性达到。对要求性能规定值的分析是非常复杂的。其设计准则εp≤[e]εp累积等效塑性应,定义为εp=[(2/3)(εpL2+εpH2+εpR2)]1/2式中εp，等