SAP5程序在化工设计中的应用在化工设计中，有许多结构分析和结构计算问题。譬如：在化工管网、高压容器，各种化工厂房及基础等设计中，都会遇到许多结构的分析和计算，特别是对一些较为复杂的结构，如何准确地、清楚地了解它的受力情况，为设计提供正确的数据，一直是设计人员感到棘手的问题。SAP5程序是目前国内外较为流行也是比较有效的结构分析程序之一，它的应用范围很广，可用于机械、士建、航空、动力、水利、矿山等工程实际问题中，可以解决各种复杂的结构计算，在化工设计中推广和应用SAP5程序，对提高化工设计水平，缩短设计周期也有明显的效果。SAP5是StructuralA nalysisProgram第五版的缩写，是以有限元位移法为基础的线性的静动力结构分析程序，由美国加利福尼亚大学伯克利分校的K．J．Bathe等人领导而发展起来的。原SAP5程序是用FORTRAN语言编写的，共有条语句，内外存贮占用量比较大，一般只能在进口的大、中型计算机上实现，但目前我国大、中型计算机数量有限，计算费用又昂贵，因此其使用范围受到一定限制。TQ-16机是我国较为普及的机种，在该机上运行的SAP5程序，由于受内外存贮量和某些功能的限制，删除了动态汁算和绘贝建中毛宇兰(上海化工设计院)图等功能，使计算速度和结构规模受到一定影响，但计算费用可以节省五倍以上，并保留了静态计算的全部功能和总剐矩阵的带宽优化，改编后的程序经考核，与原SAP5程序计算结果一致。最近，SAP5程序又成功地移植到了微型计算机上，虽然微机的计算速度较慢，但鉴予微机非常普及，性能又较稳定，因此推广应用SAP5程序具有积极的意义。SAP5程序考虑了十一种不同类型的结构(表中序号3单元包括两种结构)或这十一种结构的组合，这十一种结构如21""22页附表所示。从上述表中可以看出，SAP5在单元的选择上，采取了少而精的原则。它抛弃了早期的一些粗糙单元，对每种类型仅选一两种精度高、灵活多变、适应性强的单元。单元类型较齐全，又灵活多变，再加上特殊单元，就使在对结构作力学简化时，受限制较少。单元库的特点之一就是上面提到的特殊单元(包括边界元、伪单元、读入单刚元)。特殊单元可以处理一些难以处理的结构连接问题。对斜支座、已知节点位移、周期性边界、板与块体的连接、各种复杂的节点连接等特殊问题，通常在总刚形成后加以处理。对大型问题，采用分块存取和频繁调用文件就显得累赘笨拙，且无通用性。SAP5采取不同的处理方法，它在单元一级已处理好有关特殊节点之间的剐度联系，这些特殊连接对总刚矩阵的影响用特殊单元刚度阵的形式反第杰期上海化i‘§l·┏━━━┳━━━━━━┳━━━━━━━━┳━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━┓┃J序号┃单元类型┃形状┃功能说明┃┣━━━╋━━━━━━╋━━━━━━━━╋━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━┫┃┃┃┃空间杆元可取任意方向·可承受三个方向的力和均匀变┃┃1┃杆单元┃┃┃┃┃┃匹==：=j，┃┃┃┃┃┃化的热载荷。┃┣━━━╋━━━━━━╋━━━━━━━━┫┃┃┃┃┃粱可以取空间任意方向．阿U度系数考虑了剪切的影响．┃┃┃┃┃‘┃┃┃┃┃通过对粱端任意方向自由度的松弛．可以获得梁端铰支、滑┃┃┃┃┃ j．┃┃2┃梁单元┃ jE雪·┃动、自由等不同的约束情况。引进了主副自由度的概念．可┃┃┃┃┃以方便地处理偏心板梁组合等问题。┃┣━━━╋━━━━━━╋━━━━━━━━╋━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━┫┃┃平面应┃┃采用四节点等参元(可退化为常应变三角形元)和带内┃┃┃力、平┃┃自由度的wilson不协调元。膜元可取空间任意方向，平面应┃┃┃面应变┃ r弋┃变和轴对称元则规定在YZ平面内，性质随温度变化的各向┃┃┃┃┃同性和正交异性材料都能处理．单元载荷有温度力、体积┃┃3┃┃·。———也┃力、I—J边的面压力。能输出面心和各边中点I到5个点上┃┃┃和轴对┃┃┃┃┃称单元┃┃┃┃┃┃┃的法向，切向应力。┃┣━━━╋━━━━━━╋━━━━━━━━╋━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━┫┃┃三维八┃┃采用八节点等参块体元和包含内自由度的Wilson不协┃┃ l┃节点单┃固┃调六面体元．载荷有体力、温度力帮均匀表面力或按液体静┃┃┃┃┃压力变化的表面力。可输出体心和一个表面面心的应力及主┃┃┃兀┃┃应力。┃┣━━━╋━━━━━━╋━━━━━━━━╋━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━┫┃┃┃┃，．：。、┃┃┃┃┃采用由四个协调三角彤元拼成的四边形板壳元。每个三┃┃┃┃┃角形又由三个小三角拚成，小三角形在平面内采用常应变┃┃┃板或壳┃；今t┃膜元．对弯曲除保证挠度连续外，还保证相邻三角形边线上法┃┃5┃┃┃向导数的连续．拼装时，将内点的自由度逐级凝聚．最后形┃┃┃单元┃┃成协调的四边形壳元．每点6个自由度．精度高于一般板壳┃┃┃┃┃元．且可用于正交异性材料．可承受横向面压、体力、均匀┃┃┃┃┃变温和厚度方向温度梯度的作用，输出形心的应力和弯矩。┃┗━━━┻━━━━━━┻━━━━━━━━┻━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━┛·，曼奎．上海化工第lO卷┏━━━┳━━━━━┳━━━━━━━┳━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━┓┃┃┃┃相当于一个拉压弹簧或扭簧．对一个节点的某个方向提┃┃┃边界┃●┃供位移或转动的约束。其作用为：提供弹性支承和解决斜支┃┃6┃┃I-◎┃座问题；对节点给予指定位移；给壳体第六个自由度加以约┃┃┃单元┃┃┃┃┃┃┃束。┃┣━━━╋━━━━━╋━━━━━━━╋━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━┫┃}┃┃┃节点数可以在8—2l之间任意变化．位移插值节点数可┃┃┃8—21┃┃不同于坐标变换节点数．有等参、次参两种模式的曲边六面┃┃。7┃节点三┃。┃体元。能用于材料性质随温度变化的正交异性材料。载荷包┃┃┃┃┃括任意分布的面力和静水表面压力、温度力、体积力等。可┃┃┃┃┃输出体心、面心和：审点2T个位置中T个位置的应力。┃┃┃维单元┃┃┃┃，┃┃┃┃┃；┃┃┃┃┃1┃┃┃┃┣━━━╋━━━━━╋━━━━━━━╋━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━┫┃1┃┃┃根据两个节点之间巳知位移和转动之间的刚度联系．人┃┃L┃┃┃┃┃：┃┃┃为地建立一个12X t2的单刚模式，形成一个伪单元，每个节┃┃：8┃伪单元┃┃┃┃-┃┃┃点是6个自由度。这种单元可以方便地处理结构周期边界条┃┃┃┃┃件t过盈配合、剪力墙等特殊的节点对之间的约束关系。┃┣━━━╋━━━━━╋━━━━━━━╋━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━┫┃f┃┃┃┃┃┃┃┃是一个48X48的单刚模式．它是根据几个节点之间位移┃┃┃读入单┃┃的弹性联系．通过预先计算建立起来的单刚模式。可用来代┃┃9┃┃┃┃┃：┃┃┃┃┃f┃冈口单元┃┃替特殊单元和处理不同类型单元(如板与三维元．梁与平面┃┃}┃┃┃元)之间的连接问题．也为研究新单元提供方便┃┣━━━╋━━━━━╋━━━━━━━╋━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━┫┃●┃┃┃┃┃┃管道┃┃包括直管和曲管两种模式．在空间可以任意取向．剐度┃┃10┃┃ la==：捌┃阵中综台了拉、压、弯扭剪切和内压的影响．适用于管系结┃┃-┃┃┃┃┃；┃单元┃ l吲┃构的应力分析。可承受体力、温度力和内压的作用。┃┃●┃┃┃┃┗━━━┻━━━━━┻━━━━━━━┻━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━┛，第2期上海化士·23·映出来，迭加成总刚后，就不必再另作处理，这就使整个程序的结构既简洁明了又能灵活方便地处理各种特殊连接和边界问题。各类单元的共同功能是形成单元刚度、单元载荷、单元质量、单元应力和应力(或内力)的修正矩阵及节点自由度编号指示阵，而它所需要的节点信息(包括节点自由度的约束情况，节点坐标以及节点温度)是在主程序中输入的。然后，主程序对各个单元文件进行迭加、检查(或进行优化处理)，最后用高斯消去法和三角分解法对总刚进行求解。=、SAP5应用实例近两年来，我们已在TQ-16机上用SAP5程序计算了许多实际工程问题，特别在管网计算方面，应用最多，效果很好。1983年3月，化工部基建局委托工艺安装泼计中心在上海召开SAP5程序鉴定会。通过介绍、讨论和实例计算，与会者一致认为移植程序达到原SAP5的功能，并将其列为部级通用程序之一。限于篇幅，我们仅以管道单元的应用情况为例，作简单介绍。SA．P5中的管道单元可以处理目前国内有关管网计算程序中许多不能解决的问题，比如：端点自由、有附加位移、套管以及冷紧等各种情况。计算结果输出节点及中点(曲管的圆弧线中点)截西上沿单元局部坐标系的内力。应用管道单元可对管道系统作静力结沟分析。管道单元总体坐标系规定Y轴为铅直轴。管道单元的局部坐标系分直管与曲管两种情况。对直管单元丽言，局部坐标系的x7轴方向为由I节点到J节点方向。Y7轴分两种情况，若x7轴平行于整体坐标系沟Y轴(即此单元为铅直管)，则Y7轴l及平行于整体坐标系的z轴，z7轴平行于整体坐标系的x轴；若 x7轴与Y轴不平行，则过x7轴作一铅垂面，在此铅垂面内作Y7轴使与x7轴垂直，然后再作Z7轴使成右手坐标系。对曲管单元而言，其局部坐标系也可由两种方法形成，若管道单元曲率中心c坐标已知，则取Ic为Y7轴方向，ICxJC为z7轴方向，然后即可按右手坐标系决定x7轴方向；若管道单元两端切线交点K的坐标为已知，则IK即x7轴方向，IK xKJ为Z7轴方向，由此可定出Y7轴方向。应当指出，上述两种方法所建立的曲管单元局部坐标系应是相同的。／◇‘直营单元局部坐标系和曲管单元局部坐标系让我们来看下面一个管网图实例： o{7节电12的非。零付秘。_jlj。≯}、文．24·上海化工第10卷——～一__，——～…——一一～一…一一…一…——一————————一———一材料碳钢道单元。节点3、4、8所受载荷按节点集中En=27．9X106K／ft2Na=O．333 cent6．81×10—6 d。=10．T4ft t=0．5ft r=6．B1‘k／ft节点温度为740。C，仅考虑温度力及自重力。本题用管道单元计算，用边界元作辅助。结构中有三段弯管，阀门也作为等效直管处理。将管系统分为13个节点，共12个管兀lC件院件类型{号【 j一————————1 j直管|{} i}：；·2·J： f：I}I l17J弯头』 lJ——{———————．——1： i：{：1：{ l{ i。12I直管．力方式输入，节点9、儿的弹簧刚度用边界元加于结构，节点12的三个已知位移也用3个边界元给出。这样，共有五个边界元。为了确定边界元方向，又设置了五个节点，所以本题共有18个节点、五个边界元、12个管道单元(其中三个是弯管单元)。部分计算结果如下表所示：管元力与力矩上述计算结果为管网的支吊架安装、弹簧的选取以及管网与设备的连接提供了有用的数据，经过进一步的分析得知，管元素的受力基本上都在允许应力范围内，从而使负载后的安全有了保证。SAP5程序虽然功能强大，但要真正用好它，掌握它，也并非易事，还需要多实践，多分析。在对结构作力学简化时要尽量傲到合理、确切，以便确保计算结果的准确性。．

文章来源：《化工设计通讯》 网址: http://www.hgsjtxzz.cn/qikandaodu/2021/0420/694.html