Comparison between auto psa and caesar ii for pipe hanger spring design

G(s) =
Kd s
2
+ ( Kp + 2) s + KI
s
3
+ (12 + Kd ) s
2
+ ( Kp + 25) s + KI
为了提高系统的精度 ,积分系数 KI 可选大一
些 ,取 KI = 100 ,通过 MA TLAB 仿真得到系统的开
环阶跃响应曲线见图 5[3 ]
。
图 5 　PID 校正后的系统开环响应曲线
从图 5 可以看到系统的静态误差接近为 0 ,超
调量也很小 ,上升时间和过渡时间也比较短 ,已达到
设计要求。
5 　结语
通过上述分析可以看出 ,该新型油罐液位自动
控制系统在理论和实际上都是切实可行的。但需通
过加入 PID 校正装置来改进系统的性能 ,以达到预
定的要求。文中没考虑到外界扰动对系统的影响是
因为当系统受到外界扰动时 ,同样可以通过 PID 校
正装置来消除。
参考文献 :
[1] 　杨叔子. 机械工程控制基础(第 4 版) [ M]. 武汉 :华中科技大学
出版社 ,2002.
[2] 　金发庆. 传感器技术与应用[ M]. 北京 :机械工业出版社 ,2002.
[3] 　冯巧玲 ,范为福 ,邱道尹 ,等. 自动控制原理[ M ]. 北京 :北京航
空航天大学出版社 ,2003.
[4] 　黄忠霖. 自动控制系统的 MA TLAB 实现[ M ]. 北京 :机械工业
出版社 ,2005.
(杜编)
　　收稿日期 : 2007209228
作者简介 : 张书俊(19762) ,男 ,河南内乡人 ,助理研究员 ,博士 ,主要从事有限元 CAE 软件的开发研究。
文章编号 : 100027466 (2008) 0220059205
AutoPSA 与 CAESAR II 在弹簧选型中的比较
张书俊 , 李国斌
(长沙优易软件开发有限公司 , 湖南长沙　410013)
摘要 : 结合实际的工程例题 ,比较了优易管道应力分析软件 AutoPSA 与美国管道应力分析软件
CA ESAR II 在弹簧选型方面的异同。考虑到热态吊零、冷态吊零以及各种弹簧选取方式 ,探讨了
AutoPSA 弹簧设计的基本功能。针对管道的多工况运行状态 ,AutoPSA 提供了多载荷工况弹簧
支吊架设计方法。AutoPSA 全面支持不规则弹簧表 ,可以处理支吊架脱空现象。算例表明 ,Au2
toPSA 与 CA ESAR II 分析结果非常吻合。
关键词 : 管道 ; 支吊架 ; 弹簧 ; 应力分析 ; 热态吊零 ; 冷态吊零
中图分类号 : TQ 050. 1 ; TQ 050. 3 　　　　文献标志码 : B
Comparison Between AutoPSA and CAESAR II for Pipe Hanger Spring Design
ZHANG Shu2jun , LI Guo2bin
(U ESoft Corp. , Changsha 410013 , China)
Abstract : The hanger spring design of AutoPSA and CA ESAR II is compared with some actual
engineering examples. The result about basic analysis such as hot load design ,cold load design and
several spring selected methods are provided. Considering multiple operating cases of pipe system ,
multiple load case design is adopted in AutoPSA. AutoPSA is accurate and universal ,thus suitable
　第 37 卷　第 2 期　　　　　　　　　　　　　石　油　化　工　设　备　　　　　　　　　　　　　Vol137 　No12 　
　2008 年 3 月　　　　　　　　　　　　　PETRO2CHEMICAL EQU IPMEN T 　　　　　　　　　　　　　Mar1 2008

for engineering application in power ,oil and gas ,chemical industry ,etc. The results of evaluated
examples demonstrate that AutoPSA is comparable with CA ESAR II ,and exceed the latter in
some domain.
Key words: pipe ; hanger ; spring ; stress analysis ; hot load design ; cold load design
　　支吊架的设计是管道设计中的重要环节。如果
支吊架设计不当 ,不能承受管道重量等引起的载荷 ,
将可能导致管道的一次应力超标。另外 ,通过支吊
架的设计还可以对管道的变形加以控制 ,从而减小
管道的二次应力和管道对设备的推力 ,保证管道的
正常运行。对于往复式运动机械装置 ,通过设置适
当的支架还可以达到减小管道振动的目的[1 ]
。支吊
架弹簧选型是正确进行应力分析的前提[2 ]
,文中介
绍我国具有自主知识产权的第一个能进行动力分析
且被大量使用的管道应力分析软件 AutoPSA (以下
简称 AutoPSA) 的支吊架弹簧选型功能。通过具体
的管道实例计算与美国管道应力分析软件 CA E2
SAR II(以下简称 CA ESARII) 的计算结果进行了
对比。
1 　基本功能
AutoPSA 提供了国内外 15 种弹簧标准数
据[2 ]
,支持热态吊零和冷态吊零。吊零 ,是指按每个
支吊点处管道自重产生的垂直位移为 0。的条件来
分配支吊架荷重。在冷状态实现吊零荷重分配称为
冷态吊零 ,在热状态实现吊零荷重分配称为热态吊
零。AutoPSA 不仅可以进行位于两管间的支吊架
设计(使用连接节点) 、支吊点附近有固支的支吊架
设计(使用约束释放) 以及弯头处的支吊架设计 ,而
且能够模拟带摩擦的弹簧支架。
2 　实例比较
2. 1 　吊零
某排汽管道系统见图 1 ,材料为 A106 B ,工作
温度为 320 ℃,工作压力为 0. 98 MPa ,有 7 个弹簧
支吊架 ,详细参数和例题见文献[3 ] 。在满足工作载
荷、位移量、安装载荷以及载荷变化系数的前提下 ,
根据管道实际运行情况或用户的不同要求 ,存在各
种选取弹簧的方法。本例中 AutoPSA 与 CA ESAR
II 的热态吊零和冷态吊零结果见表 1 和表 2。
从表 1 和表 2 可以看出 , AutoPSA 和 CA E2
SAR Ⅱ计算所得到的垂直位移和工作载荷非常吻
合 ,垂直位移最大误差不超过 0. 02 mm ,工作载荷
最大误差不超过 6 N 。CA ESAR II 中默认采用常
规的上下限法选取弹簧 ,即要求工作载荷和安装载
荷位于弹簧表的上下限之间 ,还可以采用中线选取
方法 ,即在满足上下限的前提下 ,要求工作载荷尽可
能接近弹簧表中线。AutoPSA 兼容了 CA ESAR II
的这 2 种选择方式 ,从表 1 和表 2 可以看出 ,通过这
2 种方法选得的弹簧 ,AutoPSA 和 CA ESAR II 完
全一致。另外结合实际情况 ,Auto PSA 提供了工作
载荷经济范围选择法 ,即要求工作载荷和安装载荷
均尽可能接近弹簧表中线。从表中可以看出 ,工作
载荷经济范围选择法更能兼顾弹簧在管道冷、热态
交替变化过程中处于合适的受力状态。
图 1 　某排汽管道
2. 2 　多载荷工况弹簧设计
一般情况下 ,静力分析的前 2 个工况一般默认
将重力工况(W) 和热态无弹簧力工况 (W + D1 + T1
+ P1) 用于弹簧选型。当管系有多个运行状态时 ,
AutoPSA 提供了多载荷工况自动选弹簧功能。假
设管系存在 T1/ P1/ D1 和 T2/ P2/ D2 2 个运行状
态 ,则多载荷工况弹簧设计会生成 3 个选弹簧工况 :
重力工况(W) 、热态无弹簧力工况 1 ( W + D1 + T1
+ P1) 和热态无弹簧力工况 2 (W + D2 + T2 + P2) ,
用户可以根据实际情况 ,选择弹簧力工况 1 或弹簧
力工况 2 来设计弹簧 ,还可以采用最大载荷工况、最
大位移工况、平均载荷和平均位移工况、最大载荷和
最大位移工况等选取合适的弹簧。
・06・　　　　　　　　　　　　石　油　化　工　设　备　　　　　　　　　　　　2008 年　第 37 卷

表 1 　热态吊零支吊架选型
支吊点号并联数算法
弹　簧　型　号
上下限法最接近中线法经济范围法
垂直位移
/ mm
工作载荷
/ N
2
1 AutoPSA ZH115 ZH116 ZH116 - 1. 301 45 403
1 CAESARII ZH115 ZH116 - 1. 299 45 409
3
2 AutoPSA ZH111 ZH111 ZH111 11. 906 11 304
2 CAESARII ZH111 ZH111 11. 921 11 302
4
2 AutoPSA ZH307 ZH307 ZH307 47. 809 3 425
2 CAESARII ZH307 ZH307 47. 826 3 425
5
1 AutoPSA ZH109 ZH109 ZH109 - 15. 251 7 823
1 CAESARII ZH109 ZH109 - 15. 256 7 819
6
1 AutoPSA ZH108 ZH108 ZH108 14. 867 5 144
1 CAESARII ZH108 ZH108 - 14. 867 5 146
7
1 AutoPSA ZH106 ZH107 ZH106 - 16. 603 3 538
1 CAESARII ZH106 ZH107 - 16. 602 3 537
8
1 AutoPSA ZH111 ZH111 ZH111 - 17. 973 11 673
1 CAESARII ZH111 ZH111 - 17. 982 11 674
表 2 　冷态吊零支吊架选型
上下限法最接近中线法经济范围法
垂直位移
/ mm
工作荷载
/ N
2
1 AutoPSA ZH115 ZH116 ZH116 - 1. 301 45 403
1 CAESARII ZH115 ZH116 - 1. 299 45 409
3
2 AutoPSA ZH110 ZH110 ZH111 11. 906 11 304
2 CAESARII ZH110 ZH110 11. 921 11 302
4
2 AutoPSA ZH206 ZH206 ZH206 47. 809 3 425
2 CAESARII ZH206 ZH206 47. 826 3 425
5
1 AutoPSA ZH110 ZH110 ZH110 - 15. 251 7 823
1 CAESARII ZH110 ZH110 - 15. 256 7 819
6
1 AutoPSA ZH108 ZH109 ZH109 14. 867 5 144
1 CAESARII ZH108 ZH109 - 14. 867 5 146
7
1 AutoPSA ZH107 ZH207 ZH107 - 16. 603 3 538
1 CAESARII ZH107 ZH207 - 16. 602 3 537
8
1 AutoPSA ZH111 ZH211 ZH111 - 17. 973 11 673
1 CAESARII ZH111 ZH211 - 17. 982 11 674
　　考察图 1 所示的管系 ,增加一个温度为 450 ℃,
压力为 1. 8 MPa 运行工况。分别采用平均载荷和
平均位移工况(简称平均法) 、最大载荷和最大位移
工况 (简称最大法) 设计弹簧 , AutoPSA 和 CA E2
SAR II 的计算结果见表 3。可以看出 ,AutoPSA 和
CA ESAR II 得到的热位移相对误差非常小 ,选取的
弹簧型号则完全一致。
2. 3 　对不规则弹簧库的支持
图 2 所示的不规则弹簧管系工作温度为 300 ℃,
压力为4 MPa ,有 5 个弹簧支吊架 ,详细参数见文献
[3]例题。采用中国电力弹簧 ,计算结果见表 4 ,从表
4 中可以看出 ,在热位移和工作载荷计算结果一致的
图 2 　不规则弹簧算例管道
情况下 ,在 29 号和 38 号支吊点处 ,AutoPSA 选型正
确 ,CAESAR II 选型错误。如果改变管子壁厚 ,采用
LISEGA 弹簧的计算结果见表 5 ,从表 5 可以看出 ,在
37 号支吊点处 , AutoPSA 成功选出弹簧型号为
21C2 ,CAESAR II 则错误地提示为恒力弹簧。
・16・　第 2 期　　　　　　　　　　　　张书俊 ,等 :AutoPSA 与 CA ESAR II 在弹簧选型中的比较

表 3 　多工况支吊架选型
平均法最大法
平均法选型垂
直位移/ mm
最大法选型垂
直位移/ mm
工作载荷
/ N
2
1 AutoPSA ZH115 ZH115 - 6. 290 - 11. 278 45 403
1 CAESARII ZH115 ZH115 - 6. 289 - 11. 279 45 409
3
2 AutoPSA ZH110 ZH210 - 10. 015 - 31. 936 11 304
2 CAESARII ZH110 ZH210 - 10. 006 - 31. 933 11 302
4
2 AutoPSA ZH207 ZH307 35. 177 47. 809 3 425
2 CAESARII ZH207 ZH307 35. 187 47. 826 3 425
5
1 AutoPSA ZH209 ZH209 - 28. 614 - 41. 978 7 823
1 CAESARII ZH209 ZH209 - 28. 629 - 42. 001 7 819
6
1 AutoPSA ZH208 ZH208 - 26. 845 - 38. 823 5 144
1 CAESARII ZH208 ZH208 - 26. 850 - 38. 833 5 146
7
1 AutoPSA ZH106 ZH206 - 21. 953 - 27. 304 3 538
1 CAESARII ZH106 ZH206 - 21. 951 - 27. 299 3 537
8
1 AutoPSA ZH211 ZH311 - 31. 445 - 44. 918 11 673
1 CAESARII ZH211 ZH311 - 31. 467 - 44. 952 11 674
表 4 　中国电力小弹簧( ZH1/ ZH2 01～05 型弹簧) 选型
支吊点并联数算法弹簧型号垂直位移/ mm 工作载荷/ N 安装载荷/ N
28
1 AutoPSA ZH105 1. 962 1 868 1 940
1 CAESARII ZH105 1. 962 1868 1 940
29
1 AutoPSA ZH104 - 1. 706 1 752 1 712
1 CAESARII ZH105 - 1. 706 1 752 1 690
36
1 AutoPSA ZH105 - 7. 314 2 285 2 017
1 CAESARII ZH105 - 7. 314 2 285 2 017
37
2 AutoPSA ZH101 - 9. 524 387 325
2 CAESARII ZH101 - 9. 523 387 325
38
2 AutoPSA ZH104 - 10. 759 1 759 1 503
2 CAESARII ZH105 - 10. 759 1 759 1 365
表 5 　LISEGA 小弹簧选型
28
1 AutoPSA 2131 1. 982 3 047 3 179
1 CAESARII 2131 1. 982 3 047 3 179
29
1 AutoPSA 2131 - 1. 727 2 786 2 671
1 CAESARII 2131 - 1. 727 2 785 2 670
36
1 AutoPSA 2131 - 7. 584 3 804 3 298
1 CAESARII 2131 - 7. 584 3 803 3 298
37
2 AutoPSA 21C2 - 9. 714 125 105
1 CAESARII 恒力弹簧 - 9. 714 250
38
2 AutoPSA 2121 - 10. 769 2 404 2 045
2 CAESARII 2121 - 10. 769 2 404 2 045
　　上述现象的本质问题为 ,CA ESAR II 不能全面
支持各种弹簧库 ,特别是不规则弹簧库 ,选弹簧算法
和弹簧数据库存在严重缺陷。需要指出的是 ,按西
北电力设计院编制的《火力发电厂汽水管道支吊架
设计手册》,ZH 系列弹簧 1～5 号小弹簧与其后弹
簧的预压缩值不同 ,在 CA ESAR II 需要使用扩展
选项才能获得正确结果 ,容易造成用户失误。L I2
SEGA 某些小弹簧型号由于不规则 ,在 CA ESAR II
中往往会出错 ,如 21D2 表示为 2102 ,21C1 之类小
号弹簧则只能选成恒力弹簧。
2. 4 　支吊架脱空
当管系上支吊点的间距很不均匀时 ,按吊零分
配荷重存在各支吊点载荷会有较大幅度不均的缺
点 ,甚至在某些支吊点上支吊力出现负值 (即脱空 ,
又称失重) [2 ]
。对这些支吊点(如吊零分配荷重过大
或过小的不均匀点、失重点以及需要承担一定支吊
・26・　　　　　　　　　　　　石　油　化　工　设　备　　　　　　　　　　　　2008 年　第 37 卷

荷重处) ,应该按人为给定载荷的大小按简支梁分配
原则计算。
　　处理失重时 ,AutoPSA 在计算的过程中会提
示脱空的弹性支吊架编号 ,自动忽略该位置的支
撑 ,可以很方便地分析处理弹性支吊架的脱空现
象。今后将改进为 ,对于失重点 ,自动设置为给定
载荷点 ,给定载荷如果为水平管道 ,则为两侧简支
梁重量的一半。更复杂支吊架设置情况的算法可
以参考文献[ 2 ] 。
　　图 3 所示的脱空弹簧管系工作温度为 450 ℃,
压力为 3. 82 MPa ,有 8 个弹簧支吊架 ,详细参数见
文献[3 ]例题。从表 6 所示弹簧脱空计算结果可以
看出 ,在 23 号支吊点处 ,AutoPSA 提示支吊架脱
空 ,CA ESAR II 则错误地提示为恒力弹簧 ,显然会
误导用户。
图 3 　脱空弹簧算例管道系统示图
表 6 　弹簧脱空计算结果比较
1
1 AutoPSA ZH211 23. 343 13 007 15 412
1 CAESARII ZH211 23. 341 13 007 15 411
2
2 AutoPSA ZH209 19. 016 7 109 8 213
2 CAESARII ZH209 19. 014 7 108 8 212
3
1 AutoPSA ZH209 - 44. 131 7 914 5 351
1 CAESARII ZH209 - 44. 127 7 914 5 352
7
1 AutoPSA ZH312 44. 027 12 564 16 595
1 CAESARII ZH312 44. 024 12 563 16 593
16
1 AutoPSA ZH312 34. 549 15 878 19 041
1 CAESARII ZH312 34. 546 15 877 19 039
22
2 AutoPSA ZH103 - 0. 003 1 112 1 112
2 CAESARII ZH103 - 0. 003 1 112 1 112
23
1 AutoPSA 弹簧脱空 - 0. 003 0
1 CAESARII 恒力弹簧 0. 069 0
24
2 AutoPSA ZH107 - 0. 003 3 756 3 756
2 CAESARII ZH107 - 0. 003 3 756 3 755
3 　结语
管道应力分析软件 AutoPSA 支持冷态吊零、
热态吊零选取弹簧支吊架 ,可以采用上下限、中线以
及经济范围法选取弹簧支吊架。同时 AutoPSA 还
提供了多工况支吊架设计模块 ,全面支持各种不规
则弹簧表 ,能够很方便地处理解决弹性支吊架的脱
空现象。
参考文献 :
[1] 　唐永进. 压力管道应力分析[ M]. 北京 :中国石化出版社 ,2003.
[2] 　王致祥 ,梁志钊 ,孙国模 ,等. 管道应力分析与计算[ M ]. 北京 :
水利电力出版社 ,1983.
[3] 　张书俊 ,李国斌 ,陈百炼. AutoPSA 与 CAESARII 在弹簧选型
中的比较[ EB/ OL ]. 2007. http : ∥www. uesoft. com/ bbs7/ dis2
pbbs. asp ? boardID = 41 &ID = 2576 &page = 11
(杜编)
高效节能蒸发式冷凝器和空冷器
河北威力制冷设备有限公司成功研制开发了系列节能
环保产品 ———高效节能蒸发式冷凝器和蒸发式空冷器 ,并获
得了国家实用新型专利授权 ,产品可广泛应用在制冷、化工、
医药、食品、电力及冶金等行业。
蒸发式冷凝器、空冷器采用管外水膜蒸发来达到强化管
外传热的目的 ,是将水冷与空冷、传热与传质融为一体的新
型换热设备。由于该产品选用了变形管、椭圆管、波节管和
内外翅片管等新技术 ,碳钢管采用了整体热浸锌 ,所以新型
设备耐腐蚀、寿命长 ,使用中不结垢、不堵塞 ,提高了传热系
数 ,比封闭式用水带走热量的传热效率高出几十倍。
此设备在制造方面不属于压力容器 ,承受压力高时不容
易爆裂 ,安全可靠。在结构上采用敞开式设计 ,而且配用风
机强制排热 ,提高了换热效率。在冷凝冷却流程上 ,将冷凝
管组、水泵、风机、箱体及管道组合为一体 ,占地面积缩小了
60 %。采用变频电机 ,缩短了水泵扬程 ,节约电力 50 % ,节
约循环用水 95 %。
(钱伯章)
・36・　第 2 期　　　　　　　　　　　　张书俊 ,等 :AutoPSA 与 CA ESAR II 在弹簧选型中的比较

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