大型原油儲(chǔ)罐的靜力數(shù)值分析

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1、·2O·油氣儲(chǔ)運(yùn)大型原油儲(chǔ)罐的靜力數(shù)值分析*孫建剛一王凱蔣峰趙曉磊張榮華(大連民族學(xué)院土木建筑工程學(xué)院)(大慶石油學(xué)院土木建筑工程學(xué)院)孫建剛王凱等：大型原油儲(chǔ)罐的靜力數(shù)值分析，油氣儲(chǔ)運(yùn)，2009，28(8)20~26。摘要建立了大型儲(chǔ)罐的有限元模型，其靜力問(wèn)題采用空間有限元分析，地基用彈簧單元模擬，罐壁用殼單元模擬，液體用三維流體單元模擬。分析了儲(chǔ)罐液位高度和地基模量對(duì)儲(chǔ)罐應(yīng)力的影響。分析結(jié)果表明，儲(chǔ)罐液位越高，其根部和底板邊緣區(qū)域內(nèi)的環(huán)向應(yīng)力、徑向應(yīng)力及軸向應(yīng)力越大；地基模量對(duì)儲(chǔ)罐外壁軸向應(yīng)力和環(huán)向應(yīng)力的影響主要集中在第一圈板的下部。對(duì)于15×10m。原油儲(chǔ)

2、罐，正錐和倒錐底板儲(chǔ)罐的應(yīng)力和變形相似。主題詞大型原油儲(chǔ)罐應(yīng)力錐度有限元方法數(shù)值分析阻尼。一一、前刖言舌對(duì)于非錨固大型油罐，罐壁的最大應(yīng)力發(fā)生在元件罐下部(一般在第一圈或第二圈壁板上)，同時(shí)該區(qū)域也是最容易發(fā)生“象足”屈曲的位置。在底板靠近邊緣的部分，應(yīng)力存在突變。可見(jiàn)，研究?jī)?chǔ)罐下部和底板邊緣的受力特點(diǎn)十分必要。圖2地基彈簧單元概念化模型二、有限元模型的建立和參數(shù)設(shè)置3、殼單元和液體單元的選取n1、單元網(wǎng)格劃分由于殼單元可以用來(lái)模擬厚殼或薄殼結(jié)構(gòu)，因兼顧計(jì)算精度和計(jì)算量的要求，采用試算的方此儲(chǔ)罐壁和底板均采用8節(jié)點(diǎn)等參單元進(jìn)行模擬，法確定網(wǎng)格密度?？紤]到儲(chǔ)罐壁下

3、部受力比較復(fù)雜見(jiàn)圖3。液體采用三維流體單元進(jìn)行模擬，采用勢(shì)的特點(diǎn)，網(wǎng)格采用上疏下密的方式劃分，劃分之后的流理論進(jìn)行計(jì)算，其液體表面為自由面單元，其他為有限元模型見(jiàn)圖1。流體面單元，見(jiàn)圖4。(a)內(nèi)外面的描述圖1立式鋼制儲(chǔ)罐有限元模型2、地基單元的模擬采用彈簧單元模擬地基，彈簧單元的概念化模(b)由殼單元向?qū)嶓w單元的轉(zhuǎn)變型見(jiàn)圖2?？梢酝ㄟ^(guò)儲(chǔ)罐半徑、儲(chǔ)液密度、地基的剪圖3殼單元切波速、土壤密度等參數(shù)計(jì)算地基總的等效剛度和*建設(shè)部研究開(kāi)發(fā)項(xiàng)目(2007一K3—1)。**116600，遼寧省大連市經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)遼河西路18號(hào)；電話：(0411)87656202。第28卷

4、第8期孫建剛等：大型原油儲(chǔ)罐的靜力數(shù)值分析自由面接觸單元三、靜力分析未知節(jié)點(diǎn)位移中，u1、有限元分析結(jié)果與實(shí)測(cè)值的比較。j以15×10m。儲(chǔ)罐為例，在充水高度分別為6．13、10．54、15．72、19．00m時(shí)，比較實(shí)測(cè)值與有限元分析結(jié)果。圖5為在四種充水高度下，儲(chǔ)罐外壁的實(shí)測(cè)軸向應(yīng)力與有限元分析軸向應(yīng)力分布曲線的(a)自由面流體單元對(duì)比，可見(jiàn)實(shí)測(cè)應(yīng)力值分布在有限元分析曲線附近。2、水位對(duì)儲(chǔ)罐應(yīng)力的影響圖6為儲(chǔ)罐在不同水位下采用有限元法計(jì)算得流體一結(jié)構(gòu)接觸單元未知節(jié)點(diǎn)位移．I1到的外壁的應(yīng)力分布曲線。不同水位下的軸向應(yīng)力在每一圈壁板都有一個(gè)匯聚點(diǎn)，第一圈壁板上

5、的會(huì)固耦合處共用聚點(diǎn)在距底板上表面625mm處；第二圈壁板的匯由度的節(jié)點(diǎn)聚點(diǎn)在距底板上表面45llmm處。壁板上的軸向應(yīng)力主要由邊緣彎矩和邊緣剪力產(chǎn)生，具有衰減性，(b)流固耦合流體單元從第三圈壁板開(kāi)始，軸向應(yīng)力在零應(yīng)力值附近波動(dòng)，圖4流體單元最后趨于零，見(jiàn)圖6(a)。一一暑宕一一褪褪蠱g舊喧世世軸向應(yīng)力(MPa)軸向應(yīng)力(MPa)(b)充水高度1O．54m(a)充水高度6．13m一一暑量一一鍵褪gg瞎舊懈僻輜世世軸向應(yīng)力(MPa)軸向應(yīng)力(MPa)(c)充水高度15．72m(d)充水高度19．00m，圖5儲(chǔ)罐外壁軸向應(yīng)力實(shí)測(cè)曲線與有限元分析曲線的對(duì)比油氣儲(chǔ)運(yùn)—

6、g一避襄舊輜世蟹一日龜巴邋霍舊世765432lO四種水位下，軸向拉應(yīng)力的最大值基本出現(xiàn)在底板上表面370mm處相交；過(guò)了該點(diǎn)后，環(huán)向應(yīng)力一相同的高度，距底板1450mm處，即在抗震設(shè)計(jì)時(shí)沿著罐壁向上繼續(xù)增大，水位∞越高0，卯環(huán)向∞應(yīng)如力∞越大如，∞容易出現(xiàn)“象足”的位置。水位越高，邊緣應(yīng)力越大。達(dá)到最大值后開(kāi)始減小或波動(dòng)。由于每圈壁板連接圖7為儲(chǔ)罐在不同水位下外壁環(huán)向應(yīng)力隨高度變化處因變截面而產(chǎn)生的彎矩和剪力使得每圈壁板最下的曲線。壁板與底板連接處受底板的約束作用，環(huán)端的環(huán)向力減小，因而每圈壁板應(yīng)力的最大值不在向應(yīng)力為負(fù)值，水位越高，約束作用越強(qiáng)，應(yīng)力的絕最下端

7、，而是在距每圈壁板下端以上的某一位置，見(jiàn)對(duì)值越大；沿著罐壁向上，環(huán)向應(yīng)力逐漸增大，在距圖6(b)。300-200—1000lOO一龜域暹旨舊輜世外壁軸向應(yīng)力(MPa)外壁環(huán)向應(yīng)力(MPa一)一一一一一一一加m0加如加如∞∞(a)徑向應(yīng)力(b)環(huán)向應(yīng)力圖6不同水位下儲(chǔ)罐外壁的應(yīng)力分布曲線圖7為儲(chǔ)罐在不同水位下徑向應(yīng)力和環(huán)向應(yīng)力生突變，由受壓變成受拉；隨著與壁板距離的增加，的分布曲線。徑向應(yīng)力和環(huán)向應(yīng)力在靠近底板處發(fā)應(yīng)力逐漸衰減；水位越高，應(yīng)力的絕對(duì)值越大。底板距罐壁外側(cè)距離(m)底板距罐壁外側(cè)的距離m)(a)徑向應(yīng)力(b)環(huán)向應(yīng)力圖7不同水位下儲(chǔ)罐底板上表面的應(yīng)力

8、分布曲線3、地基對(duì)儲(chǔ)罐應(yīng)