AutoPSA與CAESARII在彈簧選型中的比較張書俊李國斌陳百煉（長沙優(yōu)易軟件開發(fā)有限公司 湖南長沙410013）摘要：結(jié)合實際的工程例題，比較了AutoPSA與CAESARII在彈簧選型方面的異同?？紤]到熱態(tài)吊零、冷態(tài)吊零以及各種彈簧選取方式，探討了AutoPSA彈簧設(shè)計的基本功能。針對管道的多工況運行狀態(tài)，AutoPSA提供了多載荷工況彈簧支吊架設(shè)計方法。 AutoPSA全面支持不規(guī)則彈簧表，可以處理支吊架脫空現(xiàn)象。在彈簧支吊架選型中，AutoPSA選型準確、適用范圍廣、使用簡單方便，能夠滿足電力、石化、化工、建筑等行業(yè)的工程應(yīng)用。 算例表明AutoPSA與CAESARII分析結(jié)果非常吻合，并在某些功能上超越了后 者。關(guān)鍵詞：彈簧選型；熱態(tài)吊零；冷態(tài)吊零；多載荷工況設(shè)計 ；不規(guī)則彈簧表；支吊架脫空中圖分類號：TU4 文獻標識號：BPipehangerspringdesigncomparisonbetweenAutoPSAandCAESARIIZHANGShu-junLIGuo-binCHENBai-lian

(UESoftCorp.,Changsha410013China)Abstract:thehangerspringdesignofAutoPSAandCAESARIIiscomparedwithsomeactualengineeringexamples.Thepaperprovidedresultaboutbasicanalysissuchashotloaddesign,coldloaddesignandseveralspringselectedmethods.Consideringmultipleoperatingcasesofpipesystem,multipleloadcasedesignisadoptedinAutoPSA.AutoPSAisaccurateanduniversal,thussuitableforengineeringapplicationinpower,oilandgas,chemicalindustry,etc.TheresultsofevaluatedexamplesdemonstratethatAutoPSAiscomparablewithCAESARII,andexceedthelatterinsomedomain.Keywords:Springdesign;Hotloaddesign;Coldloaddesign;Multipleloadcasedesign;Irregularspringtable;Zeroweightload1引言支吊架是管道系統(tǒng)的重要組成部分，支吊架的設(shè)計是管道設(shè)計中的 重要環(huán)節(jié)。如果支吊架設(shè)計不當(dāng)，不能承受管道重量等引起的載荷，將可能導(dǎo)致管道的 一次應(yīng)力超標。另外，通過支吊架的設(shè)計還可以對管道的變形加以控制，從而減小管道的二 次應(yīng)力和管道對設(shè)備的推力，保證管道的正常運行。對于往復(fù)機械的振動裝置，通過設(shè)置適 當(dāng)?shù)闹Ъ苓€可以達到減小管道振動的目的［1］。支吊架彈簧選型是正確進行應(yīng)力分析的前提，目前，大部分的管道應(yīng)力分析軟件都能夠設(shè)計彈簧。zhangsj@作者簡介：張書?。?976―），男，博士，主要從事有限元CAEzhangsj@AutoPSA7.0是中國自主知識產(chǎn)權(quán)第一個能進行動力分析且被 大量使用的管道應(yīng)力分析軟件，徹底打破了美國在應(yīng)力分析軟件領(lǐng)域的壟斷。該軟件上市以來 ，以其計算準確、結(jié)構(gòu)完善、邏輯嚴密、使用方便，迅速影響了中國電力、冶金、有色、輕 工、石油化工等設(shè)計行業(yè)和電廠、電力試驗研究所等企業(yè)的市場。 CAESARII是美國Coade公司1984年12月開發(fā)成功的在國際上流行的管道應(yīng)力分析軟件。 AutoPSA7.0全面兼容CAESARII，實現(xiàn)了單向約束、埋地管道等非線性靜力分析、補償器計算及用戶渴望的動力分析功能。AutoPSA7.0的彈簧支吊架模塊操作方便，支持熱態(tài)吊零和冷態(tài)吊零，彈簧選取方式多樣， 與管道支吊架設(shè)計軟件AutoPHS接口完善，完全超越了同類產(chǎn)品。本文詳細介紹了AutoPSA7.0的支吊架彈簧選型功能，就具體的管道實例進行了計算，并與CAESARII的計算結(jié)果進行了對比，顯示了AutoPSA7.0的優(yōu)勢。2基本功能AutoPSA7.0提供了國內(nèi)外15種彈簧標準數(shù)據(jù)R］，支持熱態(tài)吊零和冷態(tài)吊零。AutoPSA7.0還可以進行位于兩管間的支吊架設(shè)計（使用連接節(jié)點）、支吊點附近有固支的支吊架設(shè)計（使用約束釋放），彎頭處可以設(shè)計支吊架，而且能夠模擬帶摩擦的彈簧支架。排汽管道如圖1所示，材料采用A106B，工作溫度為320度，壓力為0.98MPa，有7個彈簧支吊架，詳細參數(shù)見文獻［3］。在滿足工作載荷、位移量、安裝載荷以及載荷變化系數(shù)的前提下，根據(jù)管道實際運行情況或用戶的不同要求，存在各種選 取彈簧的方法。下面就熱態(tài)吊零和冷態(tài)吊零，分別比較AutoPSA7.0與CAESARII的異同。本文所有表格中，每個支吊點的第一行為 AutoPSA計算結(jié)果，用加粗字表示；第二行為CAESARII計算結(jié)果，用斜體字表示。圖1排汽管道的自重力在熱態(tài)時比較均載。采用熱態(tài)吊零，在冷設(shè)備接口出現(xiàn)較大的因彈，工程上有時也采用冷態(tài)的載荷取冷態(tài)時由管系分承受的自重載荷已不再均所謂熱態(tài)吊零，是指彈簧支吊架在熱態(tài)時承受的力應(yīng)等于冷態(tài)時由管系分配給它的力。按這樣的原則確定的彈簧支吊架受力使得整個管系中各支撐點承受勻。工程上，一般按熱態(tài)吊零的載荷分配原則確定彈簧支吊架的荷態(tài)時管系中各點的總載荷會因位移荷載的作用而不再均勻，管道與簧附加力引起的冷態(tài)作用力，致使管道安裝與拆卸很不方便，為此吊零的載荷分配原則。所謂冷態(tài)吊零是指彈簧支吊架在冷態(tài)時承受配給它的載荷。與熱態(tài)吊零相反，此時在熱態(tài)情況下管系各支撐點勻，而總載荷（包括位移載荷）則是自然分配。的自重力在熱態(tài)時比較均載。采用熱態(tài)吊零，在冷設(shè)備接口出現(xiàn)較大的因彈，工程上有時也采用冷態(tài)的載荷取冷態(tài)時由管系分承受的自重載荷已不再均一般來說，冷態(tài)吊零安裝、拆卸方便；熱態(tài)吊零則可以保證彈簧支吊架在熱態(tài)時承受較小的力。采用熱態(tài)吊零或冷態(tài)吊零，取決于用戶的決定，實際工程中大部分的支吊架安裝在熱態(tài)工況。從表1和表2可以看出，AutoPSA7.0和CAESARII計算所得到的垂直位移和工作荷載非常吻合，垂直位移最大誤差不超過0.02mm，工作荷載最大誤差不超過6N。CAESARII中默認采用常規(guī)的上下限法選取彈簧，即要求工作荷載和安裝荷載位 于彈簧表的上下限之間；AutoPSA7.0提供接近彈簧表中線。從表中替變化過程中處于合適的還可以采用中線選取方法，即在滿足上下限的前提下，要求工作荷載盡可能接近彈簧表中線。AutoPSA7.0兼容了CAESARII的這兩種選擇方式，從表1和表2可以看出，通過這兩種方法選得的彈簧，AutoPSA7.0和AutoPSA7.0提供接近彈簧表中線。從表中替變化過程中處于合適的表1熱態(tài)吊零支吊架選型支吊點并聯(lián)數(shù)彈簧型號垂直位移（mm）工作荷載（N）按上下限法最接近中線法按經(jīng)濟范圍法21ZH115ZH116ZH116-1.301454031ZH115ZH116-1.2994540932ZH111ZH111ZH11111.906113042ZH111ZH11111.9211130242ZH307ZH307ZH30747.80934252ZH307ZH30747.826342551ZH109ZH109ZH109-15.25178231ZH109ZH109-15.256781961ZH108ZH108ZH10814.86751441ZH108ZH108-14.867514671ZH106ZH107ZH106-16.60335381ZH106ZH107-16.6023537

1ZH111ZH111ZH111-17.9731167381ZH111ZH111-17.98211674表2冷態(tài)吊零支吊架選型支吊點并聯(lián)數(shù)彈簧型號垂直位移(mm)安裝荷載(N)按上下限法最接近中線法按經(jīng)濟范圍法21ZH115ZH116ZH116-1.301454031ZH115ZH116-1.2994540932ZH110ZH110ZH11111.906113042ZH110ZH11011.9211130242ZH206ZH206ZH20647.80934252ZH206ZH20647.826342551ZH110ZH110ZH110-15.25178231ZH110ZH110-15.256781961ZH108ZH109ZH10914.86751441ZH108ZH109-14.867514671ZH107ZH207ZH107-16.60335381ZH107ZH207-16.602353781ZH111ZH211ZH111-17.973116731ZH111ZH211-17.982116743多荷載工況彈簧設(shè)計一般情況下，靜力分析的前兩個工況一般默認為重力工況(w)和熱態(tài)無彈簧力工況(W+D1+T1+P1)，用于彈簧選型。當(dāng)管系有多個運行狀態(tài)時， AutoPSA7.0提供了多荷載工況自動選彈簧功能。假設(shè)管系存在兩個運行狀態(tài)：T1/P1/D1和T2/P2/D2，則多荷載工況彈簧設(shè)計會生成三個選彈簧工況：重力工況(W)和熱態(tài)無彈簧力工況1(W+D1+T1+P1)和熱態(tài)無彈簧力工況2(W+D1+T1+P1)，用戶可以根據(jù)實際情況，選擇彈簧力工況1或彈簧力工況2來設(shè)計彈簧，還可以采用最大荷載工況、最大位移工況、平 均荷載和平均位移工況、最大荷載和最大位移工況等選取合適的彈簧?？疾靾D1所示的管系，增加一個運行工況：溫度為450度，壓力為1.8MPa。分別采用平均荷載和平均位移工況(簡稱平均法)和最大荷載和最大位移工況(簡稱最大法)設(shè)計彈簧，AutoPSA7.0和CAESARII的計算結(jié)果如表3所示?？梢钥闯觯珹utoPSA7.0和CAESARII得到的熱位移相對誤差非常小，選取的彈簧型號則完全一致。表3多工況支吊架選型支吊點并聯(lián)數(shù)彈簧型號按平均法選型垂直位移(mm)按最大法選型垂直位移(mm)工作荷載(N)按平均法選型按最大法選型21ZH115ZH115-6.290-11.27845403

1ZH115ZH115-6.289-11.2794540932ZH110ZH210-10.015-31.936113042ZH110ZH210-10.006-31.9331130242ZH207ZH30735.17747.80934252ZH207ZH30735.18747.826342551ZH209ZH209-28.614-41.97878231ZH209ZH209-28.629-42.001781961ZH208ZH208-26.845-38.82351441ZH208ZH208-26.850-38.833514671ZH106ZH206-21.953-27.30435381ZH106ZH206-21.951-27.299353781ZH211ZH311-31.445-44.918116731ZH211ZH311-31.467-44.952116744對不規(guī)則彈簧庫的支持圖2所示的管系，工作溫度為300度，壓力為4MPa，有5個彈簧支吊架，詳細參數(shù)見文獻［3］。采用中國電力彈簧，從表4中可以看出，在熱位移和工作荷載計算結(jié)果一致的情況下，在29號和38號支吊點處，AutoPSA7.0選型正確，CAESARII選型錯誤。如果改變管子壁厚，采用LISEGA彈簧，從表5可以看出，在37號支吊點處，AutoPSA7.0成功選出彈簧型號為21C2，CAESARII則錯誤地提示為恒力彈簧。這種現(xiàn)象的本質(zhì)問題為，CAESARII不能全面支持各種彈簧庫，特別是不規(guī)則彈簧庫，選彈簧算法和彈簧數(shù)據(jù)庫存在嚴重缺陷。需要指出的是，中國電力 1-5號小彈簧與其后彈簧的預(yù)壓縮值不同，在CAESARII需要使用擴展選項才能獲得正確結(jié)果，容易造成用戶失誤。LISEGA某些小彈簧型號由于不規(guī)則，在CAESARII中往往會出錯，如21D2表示為2102，21C1之類小號彈簧則只能選成恒力彈簧。

表4中國電力小彈簧(ZH1/ZH201-05型彈簧)選型支吊點并聯(lián)數(shù)彈簧型號垂直位移(mm)工作荷載(N)安裝荷載(N)281ZH1051.962186819401ZH1051.96218681940291ZH104-1.706175217121ZH105-1.70617521690361ZH105-7.314228520171ZH105-7.31422852017372ZH101-9.5243873252ZH101-9.523387325382ZH104-10.759175915032ZH105-10.75917591365表5LISEGA小彈簧選型支吊點并聯(lián)數(shù)彈簧型號垂直位移(mm)工作荷載(N)安裝荷載(N)28121311.98230473179121311.982304731792912131-1.7272786267112131-1.727278526703612131-7.5843804329812131-7.58438033298

37221C2-9.7141251051恒力彈簧-9.7142503822121-10.7692404204522121-10.769240420455支吊架脫空剛性支吊架適用于沒有垂直熱位移或垂直熱位移較小的場合，彈性支吊架既能夠承受載荷，又允許存在垂直位移，一般來說可以避免支吊架脫空和熱位移過大的問題⑷，但有時候也會出現(xiàn)零分配荷重問題。AutoPSA7.0在計算的過程中會提示脫空的彈性支吊架編號，自動忽略該位置的支撐，可以很方便地分析處理彈性支吊架的脫空現(xiàn)象 。圖6所示的管系，工作溫度為450度，壓力為3.82MPa，有8個彈簧支吊架，詳細參數(shù)見文獻［3］。從表6可以看出，在23號支吊點處，AutoPSA7.0提示支吊架脫空，CAESARII則錯誤地提示為恒力彈簧，顯然會誤導(dǎo)用戶。圖3脫空彈簧算例管道表6彈簧脫空支吊點并聯(lián)數(shù)彈簧型號垂直位移(mm)工作荷載(N)安裝荷載(N)11ZH21123.34313007154121ZH21123.341130071541122ZH20919.016710982132ZH20919.0147108821231ZH209-44.131791453511ZH209-44.1277914535271ZH31244.02712564165951ZH31244.0241256316593161ZH31234.549158781