CN107122529B - 核电厂工艺管道标准支吊架管部件的分类计算方法及装置 - Google Patents

核电厂工艺管道标准支吊架管部件的分类计算方法及装置 Download PDF

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CN107122529B CN201710239169.6A CN201710239169A CN107122529B CN 107122529 B CN107122529 B CN 107122529B CN 201710239169 A CN201710239169 A CN 201710239169A CN 107122529 B CN107122529 B CN 107122529B
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Abstract

本发明公开了一种核电厂工艺管道标准支吊架管部件的分类计算方法以及装置，其确定待分类计算的标准支吊架管部件的基本属性以及载荷性能，并对其进行分类，获得简化模型；并确定是否包含平面曲杆；若包含平面曲杆，则选取校核危险截面，并根据危险截面中R/h比值的不同选取不同的计算公式来计算危险截面的受力和力矩，最后进行强度校核。本发明针对现有支架有限元计算强度校核周期长的缺陷，实现了批量化人工校核标准支吊架管部件支架强度，并可对修改关键截面尺寸起到快速校核的作用，还可进行相似类型或相应管夹结构设计，确定许用载荷，避免了不必要的重复有限元建模计算过程，提高了工作效率并减少工程应用时间。

Description

核电厂工艺管道标准支吊架管部件的分类计算方法及装置
技术领域
本发明涉及管道标准支吊架管部件领域，尤其涉及一种核电厂工艺管道标准支吊架管部件的分类计算方法及装置。
背景技术
管道支吊架是核电工程管道***的重要组成部分，是核电厂管道***安全运行的重要保障。管道支吊架布置是否合理、结构选型是否恰当、质量是否可靠，直接影响到管道在不同工况下的应力状态，进而影响核电站的安全运行及使用寿命。同时，由于管道支吊架数量巨大，是否采用标准化的支吊架产品对工程建设进度和造价均有重要影响。
目前国内提出了关于结构钢类别进行支架强度简化计算方法，其标准结构类型包含一字型、L型、门型等钢结构，尚未有关于标准支吊架管部件的计算校核方法。
因此，有必要提供一种新的核级管道标准支吊架力学分类计算方法及装置，可以快速有效的根据RCC-M(即DESIGN AND CONSTRUCTION RULES FOR MECHANICAL COMPONENTSOF PWR NUCLEAR ISLANDS，压水堆核岛机械设备设计和建造规则)规范的要求开展校核评定，得到与验收准则对应的计算数据，从而判断该标准支架的合理性。
发明内容
针对上述现有技术中存在的缺陷，本申请提供了一种核电厂工艺管道标准支吊架管部件的分类计算方法及装置，其该方法及装置可以将任意标准管部件转化为标准支吊架模型，通过简化计算模型，然后结合各类计算公式对管部件进行受力分析，对危险截面进行校核，最后校核管夹的焊缝强度和螺栓应力强度，从何得到标准支吊架管部件是否满足规范要求。
本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案如下：
提供了一种核电厂工艺管道标准支吊架管部件的分类计算方法，其包括如下步骤：
S1、确定待分类计算的标准支吊架管部件的基本属性以及载荷性能；
S2、对所述待分类计算的标准支吊架管部件进行分类，获得所述待分类计算的标准支吊架管部件的简化模型；并确定所述简化模型中是否包含平面曲杆；
S3、若所述简化模型中包含平面曲杆，则选取校核危险截面，同时确定所述简化模型中所述待分类计算的标准支吊架管部件的等效半径R以及曲梁高度h；
S4、根据所述危险截面中R/h比值的不同选取不同的计算公式来计算所述危险截面的受力和力矩。
优选的，步骤S2中，根据所述待分类计算的标准支吊架管部件的结构、外形以及功能将其进行分类，使其属于标准管部件类型中的一种。
优选的，还包括步骤S5，根据所述危险截面的受力和力矩，结合步骤S1中的基本属性以及载荷性能对所述危险截面进行强度校核。
优选的，还包括步骤S6，对所述待分类计算的标准支吊架管部件的螺栓以及焊缝进行强度计算，并对所述螺栓以及焊缝进行强度校核。
优选的，所述步骤S4中，所述危险截面包括纵向受力截面、第一横向受力截面和第二横向受力截面；所述纵向受力截面与所述简化模型的竖直中心线共平面，所述第一横向受力截面和第二横向受力截面关于所述竖直中心线对称；
若R/h＜2，则按照公式(1)计算所述纵向受力截面的剪应力τ，所述公式(1)如下：
τ＝Fy/(h·b) (1)；
并按照公式(2)计算所述第一横向受力截面以及所述第二横向受力截面的拉应力σ，所述公式(2)如下：
σ＝0.5Fy/(h·b) (2)；
其中，Fy为所述危险截面纵向受力；h为曲梁高度；b为曲梁宽度。
优选的，步骤S5中，若τ≤0.6Sm，且σ≤min(0.6Sy，0.5Su)，则认定强度校核符合要求；其中，Sm为材料的基本许用应力强度；Sy为材料在工作温度下的屈服强度；Su为材料在工作温度下的抗拉强度。
优选的，所述步骤S4中，所述危险截面包括纵向受力截面、第一横向受力截面和第二横向受力截面；所述纵向受力截面与所述简化模型的竖直中心线共平面，所述第一横向受力截面和第二横向受力截面关于所述竖直中心线对称；
若5＞R/h＞2，则采用公式(3)来计算内力，所述公式(3)如下：
Figure GDA0002682166620000021
其中，δij为i方向的单位力所引起的j方向的广义位移；ΔFi为外载荷所引起的i方向的广义位移；Fx为所述危险截面横向受力；Fy为所述危险截面纵向受力；M为绕Z轴或XY平面的力矩；δij以及ΔFi可根据单位载荷法求得；i＝x，y，M；j＝x，y，M，x为横向载荷方向，y为纵向载荷方向。
优选的，步骤S4中还包括计算弯曲应力，所述弯曲应力计算过程包括：
S41、根据边界条件，单独作用Fy时，应用公式(4)求得所述纵向受力截面、第一横向受力截面和第二横向受力截面的内力，所述公式(4)如下：
N1＝0，FS1＝0.358Fy，M1＝0.083FyR
N2＝0.5Fy，FS2＝0.40Fy，M2＝0.138FyR
N3＝0.5Fy，FS3＝0.40Fy，M3＝0.138FyR (4)；
S42、根据边界条件，单独作用Fx时，应用公式(5)求得所述纵向受力截面、第一横向受力截面和第二横向受力截面的内力，所述公式(5)如下：
N1＝0.25Fx，FS1＝0.239Fx，M1＝0.047FxR
N2＝0.239Fx，FS2＝0.25Fx，M2＝0.036FxR
N3＝0.08Fx，FS3＝0.25Fx，M3＝0.123FxR (5)；
上述公式(4)-(5)中，N1、N2、N3分别为所述纵向受力截面、第一横向受力截面以及第二横向受力截面的截面轴力；FS1、FS2、FS3分别为所述纵向受力截面、第一横向受力截面以及第二横向受力截面的截面剪力；M1、M2、M3分别为所述纵向受力截面、第一横向受力截面以及第二横向受力截面的力矩；
S43、采用公式(6)计算获得所述危险截面的正应力，所述公式(6)如下：
Figure GDA0002682166620000031
其中JZ由公式(7)计算获得，所述公式(7)如下：
Figure GDA0002682166620000032
上述公式(6)-(7)中，σs为所述危险截面正应力分布；N为所述危险截面轴力；A为所述危险截面面积；M为绕Z轴或XY平面的力矩；JZ为所述危险截面几何参数；y’为所述危险截面上所求点与所述危险截面内的绕形心轴的距离，且规定指向圆外为正值。
优选的，步骤S43中，若y’＝h/2，则采用公式(8)计算所述危险截面的最大弯曲正应力σbmax，所述公式(8)如下：
Figure GDA0002682166620000041
以及还包括步骤S44、采用公式(9)-(10)分别计算所述危险截面的总体一次薄膜应力强度Pm以及总体一次薄膜应力强度+一次弯曲应力强度Pm+Pb，所述公式(9)如下：
Figure GDA0002682166620000042
所述公式(9)如下：
Figure GDA0002682166620000043
其中，Pb为一次弯曲应力强度；σt为平均拉伸应力。
优选的，步骤S5中，按照公式(11)计算总体一次薄膜应力强度应力比μ，所述公式(11)如下：
μ＝Pm/Sm (11)；
按照公式(12)计算总体一次薄膜强度应力比ε，
所述公式(12)如下：
ε＝(Pm+Pb)/1.5Sm (12)；
其中，所述Sm为材料的基本许用应力强度；若计算得到的应力比μ,ε≤1，则认定所述危险截面的应力计算结果符合强度校核要求。
优选的，所述步骤S4中，所述危险截面包括纵向受力截面、第一横向受力截面和第二横向受力截面；所述纵向受力截面与所述简化模型的竖直中心线共平面，所述第一横向受力截面和第二横向受力截面关于所述竖直中心线对称；
若所述待分类计算的标准支吊架管部件经简化后包括用于夹持管道的管夹，所述管夹下部设有用于固定所述管夹的支撑架，所述管夹以及支撑架两端均通过紧固件锁紧固定，且20＞R/h＞5，则采用公式(13)来计算内力，所述公式(13)如下：
Figure GDA0002682166620000044
其中，δij为i方向的单位力所引起的j方向的广义位移；ΔFi为外载荷所引起的i方向的广义位移；Fx为所述危险截面横向受力；Fy为所述危险截面纵向受力；M为绕Z轴或XY平面的力矩；δij以及ΔFi可根据单位载荷法求得；i＝x，y，M；j＝x，y，M，x为横向载荷方向，y为纵向载荷方向。
优选的，步骤S4中还包括计算弯曲应力，所述弯曲应力计算过程包括：
S41a、根据边界条件，单独作用Fy时，应用公式(14)求得所述纵向受力截面、第一横向受力截面和第二横向受力截面的内力，所述公式(14)如下：
N1＝0.5Fy，FS1＝0.459Fy，M1＝0.111FyR
N2＝0.5Fy，FS2＝0.459Fy，M2＝0111FyR
N3＝0.459Fy，FS3＝0，M3＝0.151FyR (14)；
S42a、根据边界条件，单独作用Fx时，应用公式(15)求得所述纵向受力截面、第一横向受力截面和第二横向受力截面的内力，所述公式(15)如下：
N1＝0.080Fx，FS1＝0.150Fx，M1＝0.059FxR
N2＝0.239Fx，FS2＝0.350Fx，M2＝0.100FxR
N3＝0.150Fx，FS3＝0.420Fx，M3＝0011FxR (15)；
上述公式(13)-(14)中，N1、N2、N3分别为所述纵向受力截面、第一横向受力截面以及第二横向受力截面的截面轴力；FS1、FS2、FS3分别为所述纵向受力截面、第一横向受力截面以及第二横向受力截面的的截面剪力；M1、M2、M3分别为所述纵向受力截面、第一横向受力截面以及第二横向受力截面的力矩；
S43a、根据公式(16)-(18)分别计算平均拉伸应力σt、所述纵向受力截面的剪应力τ以及最大弯曲应力σb，所述公式(16)-(18)分别为：σt＝N/S(16)、τ＝FS/S(17)、σb＝M/W(18)；其中，当所述危险截面形状为矩形时，所述危险截面面积S＝hb；抗弯截面系数W＝h2b/6；M为所述危险截面内的绕形心轴弯矩。
优选的，所述步骤S4中，所述危险截面包括纵向受力截面、第一横向受力截面和第二横向受力截面；所述纵向受力截面与所述简化模型的竖直中心线共平面，所述第一横向受力截面和第二横向受力截面关于所述竖直中心线对称；
若所述待分类计算的标准支吊架管部件经简化后包括用于夹持管道的管夹，且所述管夹两端均通过螺栓锁紧固定，且20＞R/h＞5，则采用公式(19)来计算微元力的最大值Pmax，所述公式(19)如下：
Figure GDA0002682166620000051
其中，α为微元力p与水平线之间的夹角；r为管道外半径；
根据所述公式(19)-(21)求出Ma，所述公式(20)-(21)分别为：
M(β)+Ma＝NaR(1-cosβ)-∫0p(α)·Rrsin(β-α)dα (20)；
其中，Ma为所述第一横向受力截面以及第二横向受力截面内的绕形心轴弯矩；M(β)为所述管夹上任一截面处的弯矩，β为所述管夹上任一截面与水平线之间的夹角；Na为所述第一横向受力截面以及第二横向受力截面处的轴向拉伸力；
Figure GDA0002682166620000061
其中，θa-b为所述纵向受力截面与所述第一横向受力截面或第二横向受力截面之间的相对转角；E为材料的弹性模量；I为截面的惯性矩；
结合所述公式(19)-(20)以及Pmax计算得出Ma。
优选的，根据受力平衡得出所述纵向受力截面的轴向拉伸力N3＝0.5FN，FN为额定载荷，FN^2＝Fy^2+Fx^2，Ma＝0.095FNR；
结合公式(22)-(23)分别求出第一横向受力截面以及第二横向受力截面的平均拉伸应力σt以及最大弯曲应力σbmax，所述公式(22)-(23)分别如下：
Figure GDA0002682166620000062
Figure GDA0002682166620000063
其中，S为所述危险截面面积。
优选的，所述步骤S4中，所述危险截面包括纵向受力截面、第一横向受力截面和第二横向受力截面；所述纵向受力截面与所述简化模型的竖直中心线共平面，所述第一横向受力截面和第二横向受力截面关于所述竖直中心线对称；
若R/h＞20，根据公式(24)计算所述纵向受力截面、第一横向受力截面和第二横向受力截面平均拉伸应力σt，所述公式(24)为：
Figure GDA0002682166620000064
其中，S为所述危险截面面积；FN为额定载荷，且FN^2＝Fy^2+Fx^2。
优选的，步骤S5中，若σt≤min(0.6Sy，0.5Su)，则认定所述危险截面的应力计算结果符合强度校核要求；其中Sy为材料在工作温度下的屈服强度；Su为材料在工作温度下的抗拉强度。
另一方面，还提供一种用于实现上述分类计算方法的计算装置，其包括：
输入模块，其用于输入与存储待分类计算的标准支吊架管部件的基本属性以及载荷性能；
分类模块，其用于对所述待分类计算的标准支吊架管部件进行分类；
模型简化模块，其用于将经分类后的所述待分类计算的标准支吊架管部件进行简化，获得所述待分类计算的标准支吊架管部件的简化模型；并确定所述简化模型中是否包含平面曲杆；
计算模块，若所述简化模型中包含平面曲杆，则所述计算模块用于选取校核危险截面，同时确定所述简化模型中所述待分类计算的标准支吊架管部件的等效半径R以及曲梁高度h；并根据所述危险截面中R/h比值的不同选取不同的计算公式来计算所述危险截面的受力和力矩。
优选的，所述计算模块还用于计算所述待分类计算的标准支吊架管部件的螺栓以及焊缝进行强度。
优选的，还包括强度校核模块，用于根据所述危险截面的受力和力矩以及所述输入模块中存储的基本属性以及载荷性能对所述危险截面进行强度校核；以及对对所述螺栓以及焊缝进行强度校核。
本发明的技术方案所取得的技术效果：本发明的分类计算方法以及装置可以将任意标准管部件进行分类，并将其转化为标准支吊架模型，通过简化计算模型，然后结合传统各类计算公式对管部件进行受力分析，对危险截面进行校核，整个过程用理论公式表达，便于快速计算和批量化应用，最后校核管夹的焊缝强度和螺栓应力强度，从何得到标准支吊架管部件是否满足规范要求。本发明旨在针对于现有支架有限元计算强度校核周期长的缺陷，实现了设计过中批量化人工校核标准支吊架管部件支架强度，并对修改关键截面尺寸可以起到快速校核的作用，可进行相似类型或相应管夹结构设计，确定许用载荷，避免了不必要的重复有限元建模计算过程，大大提高了工作效率并有限减少工程应用时间。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是实施例一中的核电厂工艺管道标准支吊架管部件的分类计算方法的步骤流程图；
图2a是实施例一中的曲梁式标准管部件类型的结构图；
图2b是实施例一中的管夹式标准管部件类型的结构图；
图2c是实施例一中的带式标准管部件类型的结构图；
图2d是实施例一中的板式标准管部件类型的结构图；
图2e是实施例一中的块式标准管部件类型的结构图；
图2f是实施例一中的杆式标准管部件类型的结构图；
图3是实施例一中R/h＜2时的标准支吊架管部件的简化模型示意图；
图4是实施例一中20＞R/h＞5时标准支吊架管部件(具有支撑架)的示意图；
图5是实施例一中20＞R/h＞5时标准支吊架管部件(具有支撑架)的简化模型示意图；
图6是实施例一中20＞R/h＞5时标准支吊架管部件(不具有支撑架)的示意图；
图7是实施例一中20＞R/h＞5时标准支吊架管部件(不具有支撑架)的简化模型示意图；
图8是实施例一中核电厂工艺管道标准支吊架管部件的分类计算步骤图；
图9是实施例二中核电厂工艺管道标准支吊架管部件的分类计算装置的结构示意图。
具体实施方式
本发明针对于现有技术中尚未有关于标准支吊架管部件的计算校核方法，支架有限元计算强度校核周期长的缺陷，提供了一种核电厂工艺管道标准支吊架管部件的分类计算方法以及装置，其核心思想是：将任意标准管部件转化为标准支吊架模型，通过简化计算模型，然后结合传统各类计算公式对管部件进行受力分析，对危险截面进行校核，最后校核管夹的焊缝强度和螺栓应力强度，从何得到标准支吊架管部件是否满足规范要求。
实施例一：
图1,8示出了本发明中核电厂工艺管道标准支吊架管部件的分类计算方法步骤，其包括：S1、确定待分类计算的标准支吊架管部件的基本属性以及载荷性能；本实施例中，所述标准支吊架管部件包括管夹；
S2、对所述待分类计算的标准支吊架管部件进行分类，具体的，该步骤S2中，根据所述待分类计算的标准支吊架管部件的结构、外形以及功能将其进行分类，使其属于标准管部件类型中的一种；如图2a-2f所述，所述标准管部件类型根据结构、外形特点可分为六类：曲梁式、管夹式、带式、板式、块式、杆式；
在进行截面内力计算之前，由于待分类计算的标准支吊架管部件较为复杂，因此需要根据受载及约束情况对其进行一定的简化，获得所述待分类计算的标准支吊架管部件的简化模型；并确定所述简化模型中是否包含平面曲杆；根据受载及约束情况对其进行简化之后的模型见图3。从图3中可以看出，所述简化模型包括管夹10以及设置在所述管夹10上的至少一个固定部20，所述固定部20的数量和位置根据管夹型号的不同而不同；
S3、若所述简化模型中包含平面曲杆，则选取校核危险截面，同时确定所述简化模型中，所述待分类计算的标准支吊架管部件的等效半径R以及曲梁高度h；若不包含平面曲杆，则采用常规材料力学方法进行计算；
S4、根据所述危险截面中R/h比值的不同选取不同的计算公式来计算所述危险截面的受力和力矩。
优选的，还包括步骤S5，根据所述危险截面的受力和力矩，结合步骤S1中的基本属性以及载荷性能对所述危险截面进行强度校核。
以及，还包括步骤S6，对所述待分类计算的标准支吊架管部件的螺栓以及焊缝进行强度计算，并对所述螺栓以及焊缝进行强度校核。
下面针对步骤S3进行详细说明：
简化模型中，所述管夹10的受力情况如图3所示，选取校核危险截面，即图3中的纵向受力截面1、第一横向受力截面2以及第二横向受力截面3，所述纵向受力截面1与所述简化模型的竖直中心线Y共平面，所述第一横向受力截面2和第二横向受力截面3关于所述竖直中心线Y对称，校核时需三个截面均满足RCC-M对于应力的强度要求。同时确定所述简化模型中，所述待分类计算的标准支吊架管部件的等效半径R以及曲梁高度h；所述等效半径R＝r+h/2,r为管道外半径；为保证该模型计算的保守性，曲梁梁高h采用危险截面长度中较小值，等效半径R采用较大值，即：
h＝min(h1，h2，h3)
R＝max(R1，R2，R3)
(1)若R/h＜2，只考虑Fy对梁截面的影响时。当R/h＜2，即曲梁足够“厚”，根据机械手册，对纵向受力截面1的剪切应力、第一横向受力截面2以及第二横向受力截面3(第一横向受力截面2以及第二横向受力截面3关于所述竖直中心线Y对称，其所受到的拉伸应力相同)的拉伸应力进行校核。
具体的，按照公式(1)计算所述纵向受力截面的剪应力τ，所述公式(1)如下：
τ＝Fy/(h·b) (1)；
并按照公式(2)计算所述第一横向受力截面2以及所述第二横向受力截面3的拉伸应力σ，所述公式(2)如下：
σ＝0.5Fy/(h·b) (2)；
其中，其中，Fy为所述危险截面纵向受力；h为曲梁高度；b为曲梁宽度。
进一步的，步骤S5中，按照RCC-M规范要求进行强度校核，若τ≤0.6Sm，且σ≤min(0.6Sy，0.5Su)，则认定强度校核符合要求；其中，Sm为材料的基本许用应力强度；Sy为材料在工作温度下的屈服强度；Su为材料在工作温度下的抗拉强度。
(2)若5＞R/h＞2，针对此静不定结构，拟采用力法求解内力，再根据变形协调条件：截面的水平位移、垂直位移和转角都为0，具体的，采用公式(3)来计算内力，所述公式(3)如下：
Figure GDA0002682166620000101
其中，δij为i方向的单位力所引起的j方向的广义位移；ΔFi为外载荷所引起的i方向的广义位移；Fx为所述危险截面横向受力；Fy为所述危险截面纵向受力；M为绕Z轴或XY平面的力矩；δij以及ΔFi可根据单位载荷法求得；i＝x，y，M；j＝x，y，M，x为横向载荷方向，y为纵向载荷方向。
步骤S4中还可包括计算弯曲应力，弯曲应力计算采用曲梁弯曲应力计算公式，具体的，所述弯曲应力计算过程包括：
S41、根据边界条件，单独作用Fy时，应用公式(4)求得所述纵向受力截面1、第一横向受力截面2和第二横向受力截面3的内力，所述公式(4)如下：
N1＝0，FS1＝0.358Fy，M1＝0.083FyR
N2＝0.5Fy，FS2＝0.40Fy，M2＝0.138FyR
N3＝0.5Fy，FS3＝0.40Fy，M3＝0.138FyR (4)；
S42、根据边界条件，单独作用Fx时，应用公式(5)求得所述纵向受力截面1、第一横向受力截面2和第二横向受力截面3的内力，所述公式(5)如下：
N1＝0.25Fx，FS1＝0.239Fx，M1＝0.047FxR
N2＝0.239Fx，FS2＝0.25Fx，M2＝0.036FxR
N3＝0.08Fx，FS3＝0.25Fx，M3＝0.123FxR (5)；
上述公式(4)-(5)中，N1、N2、N3分别为所述纵向受力截面1、第一横向受力截面2以及第二横向受力截面3的截面轴力；FS1、FS2、FS2分别为所述纵向受力截面1、第一横向受力截面2以及第二横向受力截面3的截面剪力；M1、M2、M3分别为所述纵向受力截面1、第一横向受力截面2以及第二横向受力截面3的力矩；
S43、采用公式(6)计算获得所述危险截面的正应力，所述公式(6)如下：
Figure GDA0002682166620000111
其中JZ由公式(7)计算获得，所述公式(7)如下：
Figure GDA0002682166620000112
上述公式(6)-(7)中，σs为所述危险截面正应力分布；N为所述危险截面轴力；A为所述危险截面面积；M为为绕Z轴或XY平面的力矩；JZ为所述危险截面几何参数；y’为所述危险截面上所求点与所述危险截面内的绕形心轴的距离，且规定指向圆外为正值。
优选的，步骤S43中，若y＝h/2，则采用公式(8)计算所述危险截面的最大弯曲正应力σbmax，所述公式(8)如下，所述公式(8)如下：
Figure GDA0002682166620000113
以及还包括步骤S44、采用公式(9)-(10)分别计算所述危险截面的总体一次薄膜应力强度Pm以及总体一次薄膜应力强度+一次弯曲应力强度Pm+Pb，所述公式(9)如下：
Figure GDA0002682166620000114
所述公式(9)如下：
Figure GDA0002682166620000115
其中，Pb为一次弯曲应力强度；σt为平均拉伸应力，需要说明的是，上文中总体一次薄膜强度+弯曲应力强度Pm+Pb是一个量，此处“+”不是指前后两个值相加，而是指综合考虑前后因素最终求得的应力强度值。
同样的，步骤S5中，按照RCC-M规范要求进行强度校核，按照公式(11)计算总体一次薄膜应力强度应力比μ，所述公式(11)如下：
μ＝Pm/Sm (11)；
按照公式(12)计算总体一次薄膜强度应力比ε，
所述公式(12)如下：
ε＝(Pm+Pb)/1.5Sm (12)；
其中，所述Sm为材料的基本许用应力强度；若计算得到的应力比μ,ε≤1，则认定所述危险截面的应力计算结果符合强度校核要求。
(3)若20＞R/h＞5，其内力以及弯曲应力根据简化模型的不同而不同。
A、如图4所示，若所述待分类计算的标准支吊架管部件经分类后具有管夹100、支撑架200以及紧固件300(可优选为螺栓)；所述管夹100包括上管夹400以及下管夹500，所述上管夹400和下管夹500之间形成有用于夹持管道600的夹持部；所述下管夹500下部设有用于固定所述管夹100的支撑架200；所述上管夹400、下管夹500以及支撑架200的两端均对应设有供所述紧固件300穿过的固定孔；当所述管道600伸入夹持部后，通过锁紧所述紧固件300来夹紧固定所述管道600。此时，所述管夹100下部通过支撑架200固定，其在螺栓300处的位移在受载时很小，可近似认为固定，则由此得到的简化模型如图5所示，其包括管夹100，所述管夹100两端在水平方向上对称设有两个固定部20’和20”，优选的，所述两个固定部20’和20”分别对应设置在第一横向受力截面2以及第二横向受力截面3处。
此时，针对此静不定结构，拟采用力法求解内力，再根据变形协调条件：截面的水平位移、垂直位移和转角都为0，具体的，采用公式(13)来计算内力，所述公式(13)如下：
Figure GDA0002682166620000121
其中，δij为i方向的单位力所引起的j方向的广义位移；ΔFi为外载荷所引起的i方向的广义位移；Fx为所述危险截面横向受力；Fy为所述危险截面纵向受力；M为绕Z轴或XY平面的力矩；δij以及ΔFi可根据单位载荷法求得；i＝x，y，M；j＝x，y，M，x为横向载荷方向，y为纵向载荷方向；
同样的，其还包括计算弯曲应力，弯曲应力计算采用曲梁弯曲应力计算公式，具体的，所述弯曲应力计算过程包括：
S41a、根据边界条件，单独作用Fy时，应用公式(14)求得所述纵向受力截面1、第一横向受力截面2和第二横向受力截面3的内力，所述公式(14)如下：
N1＝0.5Fy，FS1＝0.459Fy，M1＝0.111FyR
N2＝0.5Fy，FS2＝0.459Fy，M2＝0111FyR
N3＝0.459Fy，FS3＝0，M3＝0.151FyR (14)；
S42a、根据边界条件，单独作用Fx时，应用公式(15)求得所述纵向受力截面1、第一横向受力截面2和第二横向受力截面3的内力，所述公式(15)如下：
N1＝0.080Fx，FS1＝0.150Fx，M1＝0.059FxR
N2＝0.239Fx，FS2＝0.350Fx，M2＝0.100FxR
N3＝0.150Fx，FS3＝0.420Fx，M3＝0.011FxR (15)；
上述公式(13)-(14)中，N1、N2、N3分别为所述纵向受力截面1、第一横向受力截面2以及第二横向受力截面3的截面轴力；FS1、FS2、FS3分别为所述纵向受力截面1、第一横向受力截面2以及第二横向受力截面3的截面剪力；M1、M2、M3分别为所述纵向受力截面1、第一横向受力截面2以及第二横向受力截面3的力矩；
S43a、根据公式(16)-(18)分别计算平均拉伸应力σt、所述纵向受力截面的剪应力τ以及最大弯曲应力σb，所述公式(16)-(18)分别为：σt＝N/S(16)、τ＝FS/S(17)、σb＝M/W(18)；其中，当所述危险截面形状为矩形时，所述危险截面面积S＝hb；抗弯截面系数W＝h2b/6；M为所述危险截面内的绕形心轴弯矩。
B、如图6所示，若所述待分类计算的标准支吊架管部件经分类后具有管夹100’以及紧固件200’(可优选为螺栓)；所述管夹100’具有左管夹300’以及右管夹400’，所述左管夹300’和右管夹400’之间形成有用于夹持管道500’的夹持部；所述左管夹300’、右管夹400’的两端均对应设有供所述螺栓200’穿过的固定孔；当所述管道500’伸入夹持部后，通过锁紧所述螺栓200’来夹紧固定所述管道500’。此时，所述管夹100’下部未固定，只由左管夹300’和右管夹400’两端的紧固件200’承受连接作用。管道500’与左管夹300’、右管夹400’之间为紧密接触，且都具有一定刚度，由此作出如下假设，左管夹300’、右管夹400’上承受正弦分布的载荷，由此得到的简化模型如图7所示。
此时，根据竖直方向力学平衡，管夹100’上的分布力(即图7中的虚线箭头所示)p(α)在竖直方向上的分力积分和应与Fy相等，采用公式(19)来计算微元力的最大值Pmax，所述公式(19)如下：
Figure GDA0002682166620000131
其中，α为微元力p与水平线X之间的夹角；r为管道外半径；
根据左管夹300’、右管夹400’受力特点，第一横向受力截面2和第二横向受力截面3处均无剪力，纵向受力截面1处根据对称受力，其内力中也不包含剪力。此时根据所述公式(19)-(21)求出Ma，所述公式(20)-(21)分别为：
Figure GDA0002682166620000141
其中，Ma为所述第一横向受力截面以及第二横向受力截面内的绕形心轴弯矩；M(β)为所述管夹上任一截面处的弯矩，β为所述管夹上任一截面与水平线X之间的夹角；Na为所述第一横向受力截面以及第二横向受力截面处的轴向拉伸力；所述管夹上任一截面均通过所述管夹的中心O；
Figure GDA0002682166620000142
其中，θa-b为所述纵向受力截面与第一横向受力截面或第二横向受力截面之间的相对转角；E为材料的弹性模量；I为截面的惯性矩；
结合所述公式(19)-(20)以及Pmax计算得出Ma＝0.095Fy·R。
进一步的，根据受力平衡得出所述纵向受力截面的轴向拉伸力N3＝0.5FN，FN为额定载荷，FN^2＝Fy^2+Fx^2,Ma＝0.095FNR；
结合公式(22)-(23)分别求出第一横向受力截面以及第二横向受力截面的平均拉伸应力σt以及最大弯曲应力σbmax，所述公式(22)-(23)分别如下：
Figure GDA0002682166620000143
Figure GDA0002682166620000144
其中，S为所述危险截面面积。
(4)若R/h＞20，根据《高等板壳理论》，可运用无矩理论，即截面内无弯矩，可根据公式(24)计算所述纵向受力截面1、第一横向受力截面2和第二横向受力截面3平均拉伸应力σt，所述公式(24)为：
Figure GDA0002682166620000145
其中，S为所述危险截面面积；FN为额定载荷，且FN^2＝Fy^2+Fx^2。
进一步的，步骤S5中，根据RCC-M规范要求，步骤S5中，若σt≤min(0.6Sy，0.5Su)，则认定所述危险截面的应力计算结果符合强度校核要求；其中Sy为材料在工作温度下的屈服强度；Su为材料在工作温度下的抗拉强度。
实施例二：如图8所示，本实施例中用于实现上述分类计算方法的计算装置包括：
输入模块，其用于输入与存储待分类计算的标准支吊架管部件的基本属性以及载荷性能；分类模块，其用于对所述待分类计算的标准支吊架管部件进行分类；模型简化模块，其用于将经分类后的所述待分类计算的标准支吊架管部件进行简化，获得所述待分类计算的标准支吊架管部件的简化模型；并确定所述简化模型中是否包含平面曲杆；计算模块，若所述简化模型中包含平面曲杆，则所述计算模块用于选取校核危险截面，同时确定所述简化模型中所述待分类计算的标准支吊架管部件的等效半径R以及曲梁高度h；并根据所述危险截面中R/h比值的不同选取不同的计算公式来计算所述危险截面的受力和力矩。
优选的，所述计算模块还用于计算所述待分类计算的标准支吊架管部件的螺栓以及焊缝进行强度。且还包括强度校核模块，用于根据所述危险截面的受力和力矩以及所述输入模块中存储的基本属性以及载荷性能对所述危险截面进行强度校核；以及对对所述螺栓以及焊缝进行强度校核。
需要说明的是，上述实施例一和二中的技术特征可进行任意组合，所得到的技术方案均落入本发明的保护范围内。
综上所述，本发明的分类计算方法以及装置可以将任意标准管部件进行分类，并将其转化为标准支吊架模型，通过简化计算模型，然后结合传统各类计算公式对管部件进行受力分析，对危险截面进行校核，整个过程用理论公式表达，便于快速计算和批量化应用，最后校核管夹的焊缝强度和螺栓应力强度，从何得到标准支吊架管部件是否满足规范要求。本发明旨在针对于现有支架有限元计算强度校核周期长的缺陷，实现了设计过中批量化人工校核标准支吊架管部件支架强度，并对修改关键截面尺寸可以起到快速校核的作用，可进行相似类型或相应管夹结构设计，确定许用载荷，避免了不必要的重复有限元建模计算过程，大大提高了工作效率并有限减少工程应用时间。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分步骤可以通过硬件来完成，也可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (18)

1.一种核电厂工艺管道标准支吊架管部件的分类计算方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、确定待分类计算的标准支吊架管部件的基本属性以及载荷性能；
S2、对所述待分类计算的标准支吊架管部件进行分类，获得所述待分类计算的标准支吊架管部件的简化模型；并确定所述简化模型中是否包含平面曲杆；
S3、若所述简化模型中包含平面曲杆，则选取校核危险截面，同时确定所述简化模型中所述待分类计算的标准支吊架管部件的等效半径R以及曲梁高度h；
所述危险截面包括纵向受力截面、第一横向受力截面和第二横向受力截面；所述纵向受力截面与所述简化模型的竖直中心线共平面，所述第一横向受力截面和第二横向受力截面关于所述竖直中心线对称；
若R/h＜2，则按照公式(1)计算所述纵向受力截面的剪应力τ，所述公式(1)如下：
τ＝Fy/(h·b) (1)；
并按照公式(2)计算所述第一横向受力截面以及所述第二横向受力截面的拉应力σ，所述公式(2)如下：
σ＝0.5Fy/(h·b) (2)；
其中，Fy为所述危险截面纵向受力；h为曲梁高度；b为曲梁宽度；
S4、根据所述危险截面中R/h比值的不同选取不同的计算公式来计算所述危险截面的受力和力矩。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S2中，根据所述待分类计算的标准支吊架管部件的结构、外形以及功能将其进行分类，使其属于标准管部件类型中的一种。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括步骤S5，根据所述危险截面的受力和力矩，结合步骤S1中的基本属性以及载荷性能对所述危险截面进行强度校核。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，还包括步骤S6，对所述待分类计算的标准支吊架管部件的螺栓以及焊缝进行强度计算，并对所述螺栓以及焊缝进行强度校核。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S5中，若τ≤0.6Sm，且σ≤min(0.6Sy，0.5Su)，则认定强度校核符合要求；其中，Sm为材料的基本许用应力强度；Sy为材料在工作温度下的屈服强度；Su为材料在工作温度下的抗拉强度。
6.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤S4中，所述危险截面包括纵向受力截面、第一横向受力截面和第二横向受力截面；所述纵向受力截面与所述简化模型的竖直中心线共平面，所述第一横向受力截面和第二横向受力截面关于所述竖直中心线对称；
若5＞R/h＞2，则采用公式(3)来计算内力，所述公式(3)如下：
Figure FDA0002682166610000021
其中，δij为i方向的单位力所引起的j方向的广义位移；ΔFi为外载荷所引起的i方向的广义位移；Fx为所述危险截面横向受力；Fy为所述危险截面纵向受力；M为危险截面内的绕形心轴弯矩；δij以及ΔFi根据单位载荷法求得；i∈{x，y，M}；j∈{x，y，M}，x为横向载荷方向，y为纵向载荷方向。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤S4中还包括计算弯曲应力，所述弯曲应力计算过程包括：
S41、根据边界条件，单独作用Fy时，应用公式(4)求得所述纵向受力截面、第一横向受力截面和第二横向受力截面的内力，所述公式(4)如下：
Figure FDA0002682166610000022
S42、根据边界条件，单独作用Fx时，应用公式(5)求得所述纵向受力截面、第一横向受力截面和第二横向受力截面的内力，所述公式(5)如下：
Figure FDA0002682166610000023
上述公式(4)-(5)中，N1、N2、N3分别为所述纵向受力截面、第一横向受力截面以及第二横向受力截面的截面轴力；FS1、FS2、FS3分别为所述纵向受力截面、第一横向受力截面以及第二横向受力截面的截面剪力；M1、M2、M3分别为所述纵向受力截面、第一横向受力截面以及第二横向受力截面的力矩；
S43、采用公式(6)计算获得所述危险截面的正应力，所述公式(6)如下：
Figure FDA0002682166610000024
其中JZ由公式(7)计算获得，所述公式(7)如下：
Figure FDA0002682166610000031
上述公式(6)-(7)中，σs为所述危险截面正应力分布；N为所述危险截面轴力；A为所述危险截面面积；M为危险截面内的绕形心轴弯矩；JZ为所述危险截面几何参数；y′为所述危险截面上所求点与所述危险截面内的绕形心轴的距离，且规定指向圆外为正值。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，步骤S43中，若y′＝h/2，则采用公式(8)计算所述危险截面的最大弯曲正应力σbmax所述公式(8)如下：
Figure FDA0002682166610000032
以及还包括步骤S44、采用公式(9)-(10)分别计算所述危险截面的总体一次薄膜应力强度Pm以及总体一次薄膜应力强度+一次弯曲应力强度Pm+Pb，所述公式(9)如下：
Figure FDA0002682166610000033
所述公式(10)如下：
Figure FDA0002682166610000034
其中，Pb为一次弯曲应力强度；σt为平均拉伸应力。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，步骤S5中，按照公式(11)计算总体一次薄膜应力强度应力比μ，所述公式(11)如下：
μ＝Pm/Sm (11)；
按照公式(12)计算总体一次薄膜强度应力比ε，
所述公式(12)如下：
ε＝(Pm+Pb)/1.5Sm (12)；
其中，所述Sm为材料的基本许用应力强度；若计算得到的应力比μ，ε≤1，则认定所述危险截面的应力计算结果符合强度校核要求。
10.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤S4中，所述危险截面包括纵向受力截面、第一横向受力截面和第二横向受力截面；所述纵向受力截面与所述简化模型的竖直中心线共平面，所述第一横向受力截面和第二横向受力截面关于所述竖直中心线对称；
若所述待分类计算的标准支吊架管部件经简化后包括用于夹持管道的管夹，所述管夹下部设有用于固定所述管夹的支撑架，所述管夹以及支撑架两端均通过紧固件锁紧固定，且20＞R/h＞5，则采用公式(13)来计算内力，所述公式(13)如下：
Figure FDA0002682166610000041
其中，δij为i方向的单位力所引起的j方向的广义位移；ΔFi为外载荷所引起的i方向的广义位移；Fx为所述危险截面横向受力；Fy为所述危险截面纵向受力；M为危险截面内的绕形心轴弯矩；δij以及ΔFi根据单位载荷法求得；i∈{x，y，M}；j∈{x，y，M}，x为横向载荷方向，y为纵向载荷方向。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，步骤S4中还包括计算弯曲应力，所述弯曲应力计算过程包括：
S41a、根据边界条件，单独作用Fy时，应用公式(14)求得所述纵向受力截面、第一横向受力截面和第二横向受力截面的内力，所述公式(14)如下：
Figure FDA0002682166610000042
S42a、根据边界条件，单独作用Fy时，应用公式(15)求得所述纵向受力截面、第一横向受力截面和第二横向受力截面的内力，所述公式(15)如下：
Figure FDA0002682166610000043
上述公式(13)-(14)中，N1、N2、N3分别为所述纵向受力截面、第一横向受力截面以及第二横向受力截面的截面轴力；FS1、FS2、FS2分别为所述纵向受力截面、第一横向受力截面以及第二横向受力截面的的截面剪力；M1、M2、M3分别为所述纵向受力截面、第一横向受力截面以及第二横向受力截面的力矩；
S43a、根据公式(16)-(18)分别计算平均拉伸应力σt、所述纵向受力截面的剪应力τ以及最大弯曲应力σb，所述公式(16)-(18)分别为：
σt＝N/S (16)、τ＝FS/S (17)、σb＝M/W (18)；
其中，当所述危险截面形状为矩形时，所述危险截面面积S＝hb；抗弯截面系数W＝h2b/6；M为所述危险截面内的绕形心轴弯矩。
12.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤S4中，所述危险截面包括纵向受力截面、第一横向受力截面和第二横向受力截面；所述纵向受力截面与所述简化模型的竖直中心线共平面，所述第一横向受力截面和第二横向受力截面关于所述竖直中心线对称；
若所述待分类计算的标准支吊架管部件经简化后包括用于夹持管道的管夹，且所述管夹两端均通过螺栓锁紧固定，且20＞R/h＞5，则采用公式(19)来计算微元力的最大值Pmax，所述公式(19)如下：
Figure FDA0002682166610000051
其中，α为微元力p与水平线之间的夹角；r为管道外半径；
根据所述公式(19)-(21)求出Ma，所述公式(20)-(21)分别为
Figure FDA0002682166610000052
其中，Ma为所述第一横向受力截面以及第二横向受力截面内的绕形心轴弯矩；M(β)为所述管夹上任一截面处的弯矩，β为所述管夹上任一截面与水平线之间的夹角；Na为所述第一横向受力截面以及第二横向受力截面处的轴向拉伸力；
Figure FDA0002682166610000053
其中，θa-b为所述纵向受力截面与所述第一横向受力截面或第二横向受力截面之间的相对转角；E为材料的弹性模量；I为截面的惯性矩；
结合所述公式(19)-(20)以及Pmax计算得出Ma。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，根据受力平衡得出所述纵向受力截面的轴向拉伸力N3＝0.5FN，FN为额定载荷，FN 2＝Fy 2+Fx 2，Ma＝0.095FNR；
结合公式(22)-(23)分别求出第一横向受力截面以及第二横向受力截面的平均拉伸应力σt以及最大弯曲应力σbmax，所述公式(22)-(23)分别如下：
Figure FDA0002682166610000054
Figure FDA0002682166610000055
其中，S为所述危险截面面积。
14.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤S4中，所述危险截面包括纵向受力截面、第一横向受力截面和第二横向受力截面；所述纵向受力截面与所述简化模型的竖直中心线共平面，所述第一横向受力截面和第二横向受力截面关于所述竖直中心线对称；
若R/h＞20，根据公式(24)计算所述纵向受力截面、第一横向受力截面和第二横向受力截面平均拉伸应力σt，所述公式(24)为：
Figure FDA0002682166610000061
其中，S为所述危险截面面积；FN为额定载荷，且FN 2＝Fy 2+Fx 2。
15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，步骤S5中，若σt≤min(0.6Sy，0.5Su)，则认定所述危险截面的应力计算结果符合强度校核要求；其中Sy为材料在工作温度下的屈服强度；Su为材料在工作温度下的抗拉强度。
16.一种用于实现权利要求1中的分类计算方法的计算装置，其特征在于，包括；
输入模块，其用于输入与存储待分类计算的标准支吊架管部件的基本属性以及载荷性能；
分类模块，其用于对所述待分类计算的标准支吊架管部件进行分类；
模型简化模块，其用于将经分类后的所述待分类计算的标准支吊架管部件进行简化，获得所述待分类计算的标准支吊架管部件的简化模型；并确定所述简化模型中是否包含平面曲杆；
计算模块，若所述简化模型中包含平面曲杆，则所述计算模块用于选取校核危险截面，同时确定所述简化模型中所述待分类计算的标准支吊架管部件的等效半径R以及曲梁高度h；并根据所述危险截面中R/h比值的不同选取不同的计算公式来计算所述危险截面的受力和力矩。
17.如权利要求16所述的计算装置，其特征在于，所述计算模块还用于计算所述待分类计算的标准支吊架管部件的螺栓以及焊缝强度。
18.如权利要求17所述的计算装置，其特征在于，还包括强度校核模块，用于根据所述危险截面的受力和力矩以及所述输入模块中存储的基本属性以及载荷性能对所述危险截面进行强度校核；以及对所述螺栓以及焊缝进行强度校核。
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