3.     CSiPlant基本概念

CSiPlant使用圖形用戶界面創建的模型來進行管道系統的分析和設計。成功運行CSiPlant的關鍵是理解其在管道系統建模中采用的獨特而強大的方法。本章將介紹這些基本概念和相關術語。

3.1 建模過程概述

使用本程序建立模型有兩個重要考慮：

?         程序針對管道系統建模進行了優化。因此，建模過程和設計功能都是針對管道系統定制的。

?         程序的模型是基于對象的，這些對象包含點、管道、閥門、法蘭、支吊架和結構框架。通常在繪制時，會為這些對象指定屬性，以定義管道系統和支撐結構，也可以對這些對象施加荷載。

通過這種簡單的形式，建立模型需要三個基本步驟：

?         使用圖形界面中提供的各種繪制工具，繪制或插入一系列管道、接頭、閥門、法蘭、支吊架和框架對象，這些對象代表管道系統和支撐結構。

?         使用指定（Assign）菜單選項為管道和框架對象指定屬性（截面和材質）和荷載。注意，管道、元件和支吊架屬性的指定可以與繪制/插入對象同步完成。

?         使用設計（Design）菜單指定設計要求，以便在執行分析時包含柔性系數。

模型完成后，可以進行分析和設計（Run Analysis & Design）。此時，程序會自動將基于對象的模型轉換為基于單元的模型，即分析模型。分析模型由管道節點、框架節點、管道單元、連接單元和框架單元組成，這些單元在數學上表示管道和支撐系統的不同構件。將幾何模型轉換為分析模型是程序內部進行的，對用戶來講是不會感覺到的。

3.2 物理建模術語

在CSiPlant中，我們經常提到對象、構件和單元。對象指模型中的物理管道和結構構件。單元指程序內部用于生成剛度矩陣的有限元。多數情況下，對象和物理構件是一一對應的，用戶在CSiPlant界面中“繪制”的正是這些對象，這些對象用于精確模擬物理構件。用戶通常不需要關心將這些對象劃分為數學或分析模型所需的單元。使用CSiPlant，模型創建和結果報告都是采用對象模型。

在傳統有限元分析程序中，對于較大的物理構件，用戶需要定義有限元子集。在CSiPlant中，用戶繪制的對象或物理構件通常在程序內部細分為更多有限元的分析模型，而無需用戶輸入。由于用戶只處理基于物理構件的對象，因此創建模型和解釋結果所需的時間更少，另外一個好處是分析結果通常更適合隨后的設計校核。

對象的概念對您來說可能是新的，但掌握這個概念非常重要，因為它是CSiPlant中創建模型的基礎。使用一段時間理解對象的概念后，您會認識到基于物理對象建模的簡單性、方便性，以及編輯和創建復雜模型時的強大能力。

3.3 單位

CSiPlant使用四種基本單位：力、長度、溫度和時間。模型可以隨時使用其它單位，例如，管段使用英寸單位，軸網布局使用英尺單位。但時間總是以秒為單位。

角度測量始終使用以下單位：

?         幾何圖形（如坐標軸方向）始終以度為單位。

?         轉動位移始終以弧度為單位。

?         頻率始終以轉/秒（Hz）為單位。

質量和重量之間有一個重要的區別。質量僅用于計算動力慣量和由地面加速度引起的荷載。重量是可以像任何其他力荷載一樣施加的力。輸入重量值時請確保使用力的單位，輸入質量值時請確保使用質量單位（力-秒²/長度）。

新建模型時，程序會要求指定一個單位系統進行初始化（“U.S.”或“公制”）。此選項設置模型的默認值，并控制用于數據輸入和輸出的單位。

3.4 坐標系和軸網

模型的所有定位都是基于全局坐標系定義的，全局坐標系是一個三維直角坐標系。三個軸X、Y和Z相互垂直，并滿足右手定則。

CSiPlant總是認為+Z方向是豎直向上的。默認重力方向為–Z方向。

可以定義其他坐標系，以幫助建立和查看模型。對于每個坐標系，將定義一個三維軸網，該軸網由用于在模型中定位對象的輔助線組成。每個笛卡爾（直角）坐標系均相對于全局坐標系進行定位。

默認情況下，繪圖操作總是會捕捉到軸網線交點，除非關閉該選項。還有許多其他捕捉功能，例如捕捉到點和中點，以及捕捉到軸。使用捕捉功能能夠確保建立準確的模型。不使用捕捉可能會導致對象之間出現“間隙”，從而導致模型連接錯誤。

模型中的每個對象都有自己的局部坐標系，用于定義屬性、荷載和響應。每個局部坐標系的軸分別標記為1（紅色）、2（綠色）和3（藍色）。局部坐標系沒有對應的軸網。

3.5 管道對象（Piping Objects）

在CSiPlant中繪制的管道對象用于表示物理的管道系統。創建模型時，用戶首先繪制管道系統的幾何，然后指定屬性和荷載以完成管道的定義。

程序包含以下對象類型，按幾何維度順序列出：

?         管道節點在管道起點或結束點、方向改變處（如彎頭）、分支處（如三通）、尺寸改變處（如異徑管）、管道組件（如閥門）或支吊架處都會自動創建。此外，也可以在管道對象上和模型中的任意位置添加管道節點。

?         組件（閥門和法蘭）可以在管道對象上的任意點添加。如果在添加組件的位置不存在管道節點，程序將自動創建一個管道節點。

?         支吊架可以在管道對象上的任意點添加。如果在添加支吊架的位置不存在管道節點，程序將自動創建一個管道節點。可用的支吊架類型包括固定架、導向架、限位架、承重架、吊桿、彈簧吊架、恒力彈簧、可變彈簧、阻尼器等。

?         管道對象用于建立管道模型。彎頭、異徑管和三通將使用用戶指定的選項自動添加，以適合相應的幾何圖形。

作為一般原則，對象的幾何應與實際構件的幾何相一致。這樣可以簡化模型的呈現和設計過程。

運行分析時，CSiPlant會自動將基于對象的模型轉換為用于分析的基于單元的模型。這種基于單元的模型稱為分析模型，它由有限元和節點組成。運行分析后，基于對象的模型中的對象數仍與運行分析前相同。

程序也提供了手動連接管道和細分管道的選項，允許在繪制管道對象后對其進行更改。

刪除組件（如閥門），程序將使用相等長度的管道替換該組件，以便保持管道連接。

3.6 管道（Pipeline）

CSiPlant模型可能由一條或多條管道組成。管道的流向，即向前和向后的方向，是在繪制管道時確定的，流向在管道末端用箭頭標識。插入管道、組件和支吊架對象時，將使用管道流向。

管道節點、管道對象、組件和支吊架會按照流向使用字母數字組合的方案自動標記。向現有管道中添加新的管道會自動創建新管道名稱和對象標簽，這些標簽由程序自動生成，用戶后期可以修改。

3.7 結構對象（Structure Objects）

如前所述，CSiPlant使用對象來模擬物理結構構件。創建模型時，用戶首先繪制對象的幾何圖形，然后指定屬性和荷載以完成支撐結構的定義。

程序包含以下對象類型，按幾何維度順序列出：

框架節點會自動在結構框架對象的角點或端點處創建，并且可以在模型中的任何位置添加。

框架對象用于模擬梁、柱、支撐和桁架。

作為一般原則，對象的幾何應與實際構件的幾何相一致。這樣可以簡化模型的呈現和設計過程。

運行分析時，CSiPlant會自動將基于對象的模型轉換為用于分析的基于單元的模型。這種基于單元的模型稱為分析模型，它由傳統的有限元和節點組成。運行分析后，基于對象的模型中的對象數仍與運行分析前相同。

程序也提供了手動細分框架對象的選項，該選項將基于物理構件的對象劃分為多個對象。

3.8 管道屬性集（Pipe Property Sets）

管道屬性集用于“指定”（Assign）給每個管道對象，以定義模型中該管道對象的材質、截面和分析屬性。管道材質、管道截面、保溫層、外保護層、襯里材質和管內介質等屬性應在定義管道屬性集之前定義。例如，創建管道系統時，模型應具有：

名稱為PIPEMATERIAL的管道材質。管道材質可以由用戶定義，也可以從程序庫中選擇。在定義材料屬性之前，應指定模量曲線和熱脹系數曲線的數據。

名稱為PIPESECTION的管道截面。管道截面可以由用戶定義，也可以從程序庫中選擇。

名稱為PIPEINSULATION的管道保溫。管道保溫層及外保護層、內襯和管內介質可由用戶定義或從程序庫中選擇。

名稱為PIPEPROPERTYSET的管道特性集使用了管道材質PIPEMATERIAL、管道截面PIPESECTION和保溫材料PIPEINSULATION等屬性。

如果將管道屬性集指定給管道對象，則對管道截面、管道材質或管道屬性集中使用的其他屬性所做的任何更改都將自動應用于指定的管道對象。除非指定給對象，否則命名的管道屬性集對模型沒有影響。

3.9 結構截面（Structural Sections）

將結構截面指定給框架對象，以定義支撐結構的分析行為。結構材質應在定義框架截面之前定義。模型應具有：

名稱為STEEL的結構材料屬性。

名稱為RECTANGLE的結構截面屬性使用名稱為STEEL的結構材料屬性。

如果將結構截面屬性指定給框架對象，則對其各自截面或材質定義所做的任何更改都將自動應用于指定的對象。除非指定給對象，否則命名的屬性對模型沒有影響。

3.10        管道組件（Components）

閥門和法蘭等管道組件可以添加到管道上。繪制組件時，程序將自動生成具有適當屬性的組件。用戶可以通過定義用戶指定屬性的組件或從程序庫中選擇其他組件來更改分配。

3.11        管道支吊架（Supports）

CSiPlant提供多種管道支吊架，包括固定架、導向架、限位架、承重架、吊桿、彈簧吊架、恒力彈簧、可變彈簧、阻尼器和拉桿/連桿等。當繪制支吊架時，程序將自動生成具有適當屬性的支吊架。用戶可以通過定義用戶指定屬性的支吊架來更改分配。

3.12        荷載模式（Load Patterns）

荷載表示作用在結構上的力、壓力、支撐位移、熱效應等。結構上荷載的空間分布稱為荷載模式。

可以根據需要定義任意多個命名的荷載模式。出于設計目的或荷載作用到系統上的方式，對于獨立變化的荷載，應定義為單獨的荷載模式。通常，恒載、活載、溫度荷載、壓力荷載、風荷載、靜態地震荷載等需要定義為單獨的荷載模式。

定義了荷載模式的名稱后，應將特定的荷載值指定給對象，作為該荷載模式的一部分。指定給對象的載荷值包括荷載類型（例如，力、位移、溫度）、大小和方向（如果適用）。如果需要，一個荷載模式中的不同荷載可以分配給不同的對象。每個對象可以施加多個荷載模式。

3.13        豎向荷載(Vertical Loads)

豎向荷載可以施加到管道節點、結構節點、管道對象和框架對象。豎向荷載通常在重力方向（或–Z方向）施加。節點對象可以施加集中力和力矩。管道和框架對象可以施加任意數量的集中荷載（力或力矩）或分布荷載（均布或梯度）。豎向荷載工況也可以包括構件自重。

管道系統及其支撐結構的典型豎向荷載包括：

?         恒載，包括保溫層、外保護層、襯里和介質

?         疊加的恒載

?         活荷載

?         雪荷載

3.14        壓力荷載（Pressure Loads）

管道對象上的壓力荷載通過荷載工況引用包含壓力的荷載模式生成。壓力荷載可以使用絕對值或相對值定義。

3.15        溫度荷載（Temperature Loads）

管道和框架對象上的溫度荷載是溫度變化產生的。這些溫度變化是根據荷載工況中參考的荷載模式所指定的溫度確定的。溫度荷載可以使用絕對值或相對值定義。

3.16        函數（Functions）

定義函數是為了描述隨時間或周期變化的荷載。函數僅用于動力分析。函數是一系列的橫縱坐標的數據對。

有兩種類型的函數：

?         反應譜函數是用于反應譜分析的加速度與周期的函數。加速度通常用重力加速度的比值表示。

?         時程函數是用于時程分析的荷載幅值與時間的函數。時程函數中的荷載值可以是地面加速度值，也可以是力或位移。

3.17        P-Delta

P-Delta指重力荷載對管道和支撐結構的橫向剛度產生的非線性幾何效應。定義荷載工況時，P-Delta選項設置在幾何非線性選項下。幾何非線性選項下有三個選項：

?         None：分析不考慮P-Delta。

?         P-Delta：平衡方程部分考慮管道系統的變形。

?         P-Delta plus Large Displacements：平衡方程考慮管道系統的變形——需要大量計算。

3.18        模態工況（Modal Case）

模態工況定義了要從模型中提取的模態的類型和數量。大多數情況下定義一個模態工況就足夠了，但在荷載工況中可以定義無限數量的模態工況。每個模態工況產生一組模態，每個模態由模態振型（歸一化的振型）和模態屬性（周期和頻率）組成。模態分析可以使用特征向量法或里茲向量法：

?         特征向量法：確定系統的無阻尼自由振動振型和頻率，能夠反映管道系統的固有特性。

?         里茲向量法：考慮動力荷載的空間分布，與使用相同數量的自然振型相比，產生的結果更準確。里茲向量模態與特征向量模態不同，不能代表管道系統的固有特性。

運行反應譜或模態時程荷載工況需要先運行模態工況。

3.19        荷載工況（Load Case）

荷載工況定義了荷載如何施加到結構上，以及如何計算結構的響應。荷載工況也指定了參考溫度和壓力、設計類別，用于生成荷載和/或確定許用應力。有許多類型的荷載工況可用，廣泛地講，可以劃分為線性或非線性，這取決于結構對荷載的響應方式。

線性分析的結果可以進行疊加，即在分析后相加。線性分析的類型有：

?         靜力分析：最常見的分析類型。施加的荷載不會產生動力效應。

?         反應譜分析：計算加速度荷載引起的響應。需要反應譜函數。

?         時程分析：施加隨時間變化的荷載。需要時程函數。可以通過模態疊加法或直接積分法計算。

?         屈曲分析：計算荷載作用下的屈曲模態。

非線性荷載工況的結果通常不應進行疊加。所有共同作用在管道系統上的荷載應直接組合在特定的非線性荷載工況中。非線性荷載工況可以連接起來表示復雜的加載順序。非線性分析類型有：

?         非線性靜力分析：施加的荷載不會產生動力效應。

?         非線性時程分析：施加隨時間變化的荷載。需要時程函數。

可以定義任意數量的任何類型的荷載工況。分析模型時，必須選擇要運行的荷載工況。任何荷載工況的結果都可以選擇性地刪除。需要注意，荷載工況是獨立于規范的，基于規范的選項（如柔性系數）在運行設計要求時才被考慮。

分析結果（如果可用）可以被視為模型的一部分。

3.20        設計設置（Design Settings）

CSiPlant為不同類別的應力（如持續應力和位移應力）提供基于管道設計規范的校核。應力增大系數和柔性系數在校核中將自動執行。

管道設計程序可從ASME管道設計規范中選擇。

3.21        輸出和顯示選項

CSiPlant的模型、分析和設計結果可以通過多種不同的方式查看和保存，包括：

?         二維和三維模型視圖

?         多種圖形視圖設置，例如渲染視圖、雙線視圖、單線視圖

?         可定制用戶定義的設計報告

3.22        更多信息

本章僅簡要概述了CSiPlant的一些基本概念。更多信息可在CSiPlant的幫助中找到，包括程序所支持的規范的技術說明。這些文檔以Adobe Acrobat PDF格式提供，可以通過幫助菜單查看。