3.     CSiPlant基本概念

CSiPlant使用图形用户界面创建的模型来进行管道系统的分析和设计。成功运行CSiPlant的关键是理解其在管道系统建模中采用的独特而强大的方法。本章将介绍这些基本概念和相关术语。

3.1 建模过程概述

使用本程序建立模型有两个重要考虑：

?         程序针对管道系统建模进行了优化。因此，建模过程和设计功能都是针对管道系统定制的。

?         程序的模型是基于对象的，这些对象包含点、管道、阀门、法兰、支吊架和结构框架。通常在绘制时，会为这些对象指定属性，以定义管道系统和支撑结构，也可以对这些对象施加荷载。

通过这种简单的形式，建立模型需要三个基本步骤：

?         使用图形界面中提供的各种绘制工具，绘制或插入一系列管道、接头、阀门、法兰、支吊架和框架对象，这些对象代表管道系统和支撑结构。

?         使用指定（Assign）菜单选项为管道和框架对象指定属性（截面和材质）和荷载。注意，管道、元件和支吊架属性的指定可以与绘制/插入对象同步完成。

?         使用设计（Design）菜单指定设计要求，以便在执行分析时包含柔性系数。

模型完成后，可以进行分析和设计（Run Analysis & Design）。此时，程序会自动将基于对象的模型转换为基于单元的模型，即分析模型。分析模型由管道节点、框架节点、管道单元、连接单元和框架单元组成，这些单元在数学上表示管道和支撑系统的不同构件。将几何模型转换为分析模型是程序内部进行的，对用户来讲是不会感觉到的。

3.2 物理建模术语

在CSiPlant中，我们经常提到对象、构件和单元。对象指模型中的物理管道和结构构件。单元指程序内部用于生成刚度矩阵的有限元。多数情况下，对象和物理构件是一一对应的，用户在CSiPlant界面中“绘制”的正是这些对象，这些对象用于精确模拟物理构件。用户通常不需要关心将这些对象划分为数学或分析模型所需的单元。使用CSiPlant，模型创建和结果报告都是采用对象模型。

在传统有限元分析程序中，对于较大的物理构件，用户需要定义有限元子集。在CSiPlant中，用户绘制的对象或物理构件通常在程序内部细分为更多有限元的分析模型，而无需用户输入。由于用户只处理基于物理构件的对象，因此创建模型和解释结果所需的时间更少，另外一个好处是分析结果通常更适合随后的设计校核。

对象的概念对您来说可能是新的，但掌握这个概念非常重要，因为它是CSiPlant中创建模型的基础。使用一段时间理解对象的概念后，您会认识到基于物理对象建模的简单性、方便性，以及编辑和创建复杂模型时的强大能力。

3.3 单位

CSiPlant使用四种基本单位：力、长度、温度和时间。模型可以随时使用其它单位，例如，管段使用英寸单位，轴网布局使用英尺单位。但时间总是以秒为单位。

角度测量始终使用以下单位：

?         几何图形（如坐标轴方向）始终以度为单位。

?         转动位移始终以弧度为单位。

?         频率始终以转/秒（Hz）为单位。

质量和重量之间有一个重要的区别。质量仅用于计算动力惯量和由地面加速度引起的荷载。重量是可以像任何其他力荷载一样施加的力。输入重量值时请确保使用力的单位，输入质量值时请确保使用质量单位（力-秒²/长度）。

新建模型时，程序会要求指定一个单位系统进行初始化（“U.S.”或“公制”）。此选项设置模型的默认值，并控制用于数据输入和输出的单位。

3.4 坐标系和轴网

模型的所有定位都是基于全局坐标系定义的，全局坐标系是一个三维直角坐标系。三个轴X、Y和Z相互垂直，并满足右手定则。

CSiPlant总是认为+Z方向是竖直向上的。默认重力方向为–Z方向。

可以定义其他坐标系，以帮助建立和查看模型。对于每个坐标系，将定义一个三维轴网，该轴网由用于在模型中定位对象的辅助线组成。每个笛卡尔（直角）坐标系均相对于全局坐标系进行定位。

默认情况下，绘图操作总是会捕捉到轴网线交点，除非关闭该选项。还有许多其他捕捉功能，例如捕捉到点和中点，以及捕捉到轴。使用捕捉功能能够确保建立准确的模型。不使用捕捉可能会导致对象之间出现“间隙”，从而导致模型连接错误。

模型中的每个对象都有自己的局部坐标系，用于定义属性、荷载和响应。每个局部坐标系的轴分别标记为1（红色）、2（绿色）和3（蓝色）。局部坐标系没有对应的轴网。

3.5 管道对象（Piping Objects）

在CSiPlant中绘制的管道对象用于表示物理的管道系统。创建模型时，用户首先绘制管道系统的几何，然后指定属性和荷载以完成管道的定义。

程序包含以下对象类型，按几何维度顺序列出：

?         管道节点在管道起点或结束点、方向改变处（如弯头）、分支处（如三通）、尺寸改变处（如异径管）、管道组件（如阀门）或支吊架处都会自动创建。此外，也可以在管道对象上和模型中的任意位置添加管道节点。

?         组件（阀门和法兰）可以在管道对象上的任意点添加。如果在添加组件的位置不存在管道节点，程序将自动创建一个管道节点。

?         支吊架可以在管道对象上的任意点添加。如果在添加支吊架的位置不存在管道节点，程序将自动创建一个管道节点。可用的支吊架类型包括固定架、导向架、限位架、承重架、吊杆、弹簧吊架、恒力弹簧、可变弹簧、阻尼器等。

?         管道对象用于建立管道模型。弯头、异径管和三通将使用用户指定的选项自动添加，以适合相应的几何图形。

作为一般原则，对象的几何应与实际构件的几何相一致。这样可以简化模型的呈现和设计过程。

运行分析时，CSiPlant会自动将基于对象的模型转换为用于分析的基于单元的模型。这种基于单元的模型称为分析模型，它由有限元和节点组成。运行分析后，基于对象的模型中的对象数仍与运行分析前相同。

程序也提供了手动连接管道和细分管道的选项，允许在绘制管道对象后对其进行更改。

删除组件（如阀门），程序将使用相等长度的管道替换该组件，以便保持管道连接。

3.6 管道（Pipeline）

CSiPlant模型可能由一条或多条管道组成。管道的流向，即向前和向后的方向，是在绘制管道时确定的，流向在管道末端用箭头标识。插入管道、组件和支吊架对象时，将使用管道流向。

管道节点、管道对象、组件和支吊架会按照流向使用字母数字组合的方案自动标记。向现有管道中添加新的管道会自动创建新管道名称和对象标签，这些标签由程序自动生成，用户后期可以修改。

3.7 结构对象（Structure Objects）

如前所述，CSiPlant使用对象来模拟物理结构构件。创建模型时，用户首先绘制对象的几何图形，然后指定属性和荷载以完成支撑结构的定义。

程序包含以下对象类型，按几何维度顺序列出：

框架节点会自动在结构框架对象的角点或端点处创建，并且可以在模型中的任何位置添加。

框架对象用于模拟梁、柱、支撑和桁架。

作为一般原则，对象的几何应与实际构件的几何相一致。这样可以简化模型的呈现和设计过程。

运行分析时，CSiPlant会自动将基于对象的模型转换为用于分析的基于单元的模型。这种基于单元的模型称为分析模型，它由传统的有限元和节点组成。运行分析后，基于对象的模型中的对象数仍与运行分析前相同。

程序也提供了手动细分框架对象的选项，该选项将基于物理构件的对象划分为多个对象。

3.8 管道属性集（Pipe Property Sets）

管道属性集用于“指定”（Assign）给每个管道对象，以定义模型中该管道对象的材质、截面和分析属性。管道材质、管道截面、保温层、外保护层、衬里材质和管内介质等属性应在定义管道属性集之前定义。例如，创建管道系统时，模型应具有：

名称为PIPEMATERIAL的管道材质。管道材质可以由用户定义，也可以从程序库中选择。在定义材料属性之前，应指定模量曲线和热胀系数曲线的数据。

名称为PIPESECTION的管道截面。管道截面可以由用户定义，也可以从程序库中选择。

名称为PIPEINSULATION的管道保温。管道保温层及外保护层、内衬和管内介质可由用户定义或从程序库中选择。

名称为PIPEPROPERTYSET的管道特性集使用了管道材质PIPEMATERIAL、管道截面PIPESECTION和保温材料PIPEINSULATION等属性。

如果将管道属性集指定给管道对象，则对管道截面、管道材质或管道属性集中使用的其他属性所做的任何更改都将自动应用于指定的管道对象。除非指定给对象，否则命名的管道属性集对模型没有影响。

3.9 结构截面（Structural Sections）

将结构截面指定给框架对象，以定义支撑结构的分析行为。结构材质应在定义框架截面之前定义。模型应具有：

名称为STEEL的结构材料属性。

名称为RECTANGLE的结构截面属性使用名称为STEEL的结构材料属性。

如果将结构截面属性指定给框架对象，则对其各自截面或材质定义所做的任何更改都将自动应用于指定的对象。除非指定给对象，否则命名的属性对模型没有影响。

3.10        管道组件（Components）

阀门和法兰等管道组件可以添加到管道上。绘制组件时，程序将自动生成具有适当属性的组件。用户可以通过定义用户指定属性的组件或从程序库中选择其他组件来更改分配。

3.11        管道支吊架（Supports）

CSiPlant提供多种管道支吊架，包括固定架、导向架、限位架、承重架、吊杆、弹簧吊架、恒力弹簧、可变弹簧、阻尼器和拉杆/连杆等。当绘制支吊架时，程序将自动生成具有适当属性的支吊架。用户可以通过定义用户指定属性的支吊架来更改分配。

3.12        荷载模式（Load Patterns）

荷载表示作用在结构上的力、压力、支撑位移、热效应等。结构上荷载的空间分布称为荷载模式。

可以根据需要定义任意多个命名的荷载模式。出于设计目的或荷载作用到系统上的方式，对于独立变化的荷载，应定义为单独的荷载模式。通常，恒载、活载、温度荷载、压力荷载、风荷载、静态地震荷载等需要定义为单独的荷载模式。

定义了荷载模式的名称后，应将特定的荷载值指定给对象，作为该荷载模式的一部分。指定给对象的载荷值包括荷载类型（例如，力、位移、温度）、大小和方向（如果适用）。如果需要，一个荷载模式中的不同荷载可以分配给不同的对象。每个对象可以施加多个荷载模式。

3.13        竖向荷载(Vertical Loads)

竖向荷载可以施加到管道节点、结构节点、管道对象和框架对象。竖向荷载通常在重力方向（或–Z方向）施加。节点对象可以施加集中力和力矩。管道和框架对象可以施加任意数量的集中荷载（力或力矩）或分布荷载（均布或梯度）。竖向荷载工况也可以包括构件自重。

管道系统及其支撑结构的典型竖向荷载包括：

?         恒载，包括保温层、外保护层、衬里和介质

?         叠加的恒载

?         活荷载

?         雪荷载

3.14        压力荷载（Pressure Loads）

管道对象上的压力荷载通过荷载工况引用包含压力的荷载模式生成。压力荷载可以使用绝对值或相对值定义。

3.15        温度荷载（Temperature Loads）

管道和框架对象上的温度荷载是温度变化产生的。这些温度变化是根据荷载工况中参考的荷载模式所指定的温度确定的。温度荷载可以使用绝对值或相对值定义。

3.16        函数（Functions）

定义函数是为了描述随时间或周期变化的荷载。函数仅用于动力分析。函数是一系列的横纵坐标的数据对。

有两种类型的函数：

?         反应谱函数是用于反应谱分析的加速度与周期的函数。加速度通常用重力加速度的比值表示。

?         时程函数是用于时程分析的荷载幅值与时间的函数。时程函数中的荷载值可以是地面加速度值，也可以是力或位移。

3.17        P-Delta

P-Delta指重力荷载对管道和支撑结构的横向刚度产生的非线性几何效应。定义荷载工况时，P-Delta选项设置在几何非线性选项下。几何非线性选项下有三个选项：

?         None：分析不考虑P-Delta。

?         P-Delta：平衡方程部分考虑管道系统的变形。

?         P-Delta plus Large Displacements：平衡方程考虑管道系统的变形——需要大量计算。

3.18        模态工况（Modal Case）

模态工况定义了要从模型中提取的模态的类型和数量。大多数情况下定义一个模态工况就足够了，但在荷载工况中可以定义无限数量的模态工况。每个模态工况产生一组模态，每个模态由模态振型（归一化的振型）和模态属性（周期和频率）组成。模态分析可以使用特征向量法或里兹向量法：

?         特征向量法：确定系统的无阻尼自由振动振型和频率，能够反映管道系统的固有特性。

?         里兹向量法：考虑动力荷载的空间分布，与使用相同数量的自然振型相比，产生的结果更准确。里兹向量模态与特征向量模态不同，不能代表管道系统的固有特性。

运行反应谱或模态时程荷载工况需要先运行模态工况。

3.19        荷载工况（Load Case）

荷载工况定义了荷载如何施加到结构上，以及如何计算结构的响应。荷载工况也指定了参考温度和压力、设计类别，用于生成荷载和/或确定许用应力。有许多类型的荷载工况可用，广泛地讲，可以划分为线性或非线性，这取决于结构对荷载的响应方式。

线性分析的结果可以进行叠加，即在分析后相加。线性分析的类型有：

?         静力分析：最常见的分析类型。施加的荷载不会产生动力效应。

?         反应谱分析：计算加速度荷载引起的响应。需要反应谱函数。

?         时程分析：施加随时间变化的荷载。需要时程函数。可以通过模态叠加法或直接积分法计算。

?         屈曲分析：计算荷载作用下的屈曲模态。

非线性荷载工况的结果通常不应进行叠加。所有共同作用在管道系统上的荷载应直接组合在特定的非线性荷载工况中。非线性荷载工况可以连接起来表示复杂的加载顺序。非线性分析类型有：

?         非线性静力分析：施加的荷载不会产生动力效应。

?         非线性时程分析：施加随时间变化的荷载。需要时程函数。

可以定义任意数量的任何类型的荷载工况。分析模型时，必须选择要运行的荷载工况。任何荷载工况的结果都可以选择性地删除。需要注意，荷载工况是独立于规范的，基于规范的选项（如柔性系数）在运行设计要求时才被考虑。

分析结果（如果可用）可以被视为模型的一部分。

3.20        设计设置（Design Settings）

CSiPlant为不同类别的应力（如持续应力和位移应力）提供基于管道设计规范的校核。应力增大系数和柔性系数在校核中将自动执行。

管道设计程序可从ASME管道设计规范中选择。

3.21        输出和显示选项

CSiPlant的模型、分析和设计结果可以通过多种不同的方式查看和保存，包括：

?         二维和三维模型视图

?         多种图形视图设置，例如渲染视图、双线视图、单线视图

?         可定制用户定义的设计报告

3.22        更多信息

本章仅简要概述了CSiPlant的一些基本概念。更多信息可在CSiPlant的帮助中找到，包括程序所支持的规范的技术说明。这些文档以Adobe Acrobat PDF格式提供，可以通过帮助菜单查看。