软土场地大型LNG储罐考虑桩土相互作用的地震响应分析

在通用有限元软件ANSYS平台上建立了桩-土-LNG储罐相互作用体系的三维整体有限元模型,分析了在IV类软土场地上考虑桩土相互作用对LNG储罐地震响应的影响。结果表明,LNG储罐的基底剪力峰值、倾覆力矩峰值和内罐壁等效应力最大值均有不同程度的减小,而最大晃动波高增大。另外还讨论了不同保温层刚度对LNG储罐地震响应的影响,通过对比发现,保温层刚度对储罐的地震响应具有重要的影响,随着保温层刚度在一定范围内的增加,基底剪力峰值、倾覆力矩峰值和最大晃动波高变化较小,但内罐壁等效应力最大值减小明显。     

微幅晃动下考虑地基效应的矩形贮液结构动力响应研究

一般情况下矩形贮液结构通过底板直接坐落在地基上,有必要在考虑地基效应的基础上研究其动力特;定义微幅晃动波高限值,并建立矩形贮液结构的简化模型。采用人工边界模拟地基效应,建立了有限元计算模型,对比两类模型对应的晃动波高以验证简化模型的合理性,基于势流理论在微幅晃动范围内研究在不同边界条件、不同地震波和不同地震加速度幅值下矩形贮液结构的动力响应。结果表明,两类模型得到的晃动波高趋势一致,且最大晃动波高相差较小。在微幅晃动范围,液体最大晃动波高和地震加速度幅值成线性关系,考虑土-结构相互作用后,壁板水平位移、壁板有效应力和液体晃动压力有较大程度的的减小,而地基效应对液体晃动波高影响很小。     

考虑摆动效应的立式储罐隔震分析简化力学模型

对于基础隔震大型立式储罐的地震响应分析问题,考虑土壤与结构的相互作用和储罐的摆动效应,从流体速度势理论出发,结合储罐储液与罐壁的边界条件,建立液体运动势函数和相应的基底剪力、倾覆力矩及波高的理论表达式;并依据剪力和弯矩等效的原理,建立了具有摆动效应的基础隔震储罐的力学简化模型,利用能量原理建立了考虑摆动效应的立式储罐隔震体系的运动方程。同时,以15万m~3大型储罐为例,进行了减震效应数值计算分析,并与无摆动效应的隔震体系的简化力学模型进行了比较分析。结果表明:大型储罐采用基底隔震装置,可以有效地降低储罐的基底剪力,对液体晃动波高的控制效果较差,建议在高烈度区,满足晃动波高的前提下,储罐上部结构可以降低烈度进行设计。     

基于概率密度演化的带有环形隔板圆柱形罐体中流体的晃动研究

考虑大型储油罐在地震荷载作用下罐体中流体晃动对设备造成的严重影响,工程上常采用防晃板来抑制液体的晃动,其中以环形防晃板的应用最为广泛。基于概率密度演化理论分析了带有环形隔板罐体中流体的晃动响应。首先介绍了求解罐中流体晃动响应的"流体子域法",介绍了广义概率密度演化方程及其差分解法;然后总结了对罐中流体晃动响应进行概率密度演化分析的基本步骤;最后通过算例得出流体液面波高的均值与方差,得到波高峰值出现的时间以及最大波高峰值,这使得对流体晃动响应的把握更为精确,也为储液罐及防晃板的精细化设计提供了依据。     

球形储罐罐底附加黏弹性阻尼器减震研究

为了研究球形储罐罐底附加黏弹性阻尼器后的减震效果,推导了球形储罐考虑储液晃动效应的抗震简化力学模型、罐底附加黏弹性阻尼器的初始简化力学模型及二次简化力学模型,并进行了地震动响应分析,得出采用减震措施后能大幅削减球罐支承的受力,对储液晃动波高亦有一定控制作用;同时有限元数值仿真结果表明,在罐底附加黏弹性阻尼器后能有效减小球罐地震动响应;将有限元计算结果与数值解进行对比分析,数值解与有限元解十分接近,相互验证了计算结果的准确性。当采用简化力学模型进行减震设计时,初始简化模型及二次简化模型计算结果应适当放大,从结构安全性考虑放大系数可取1.1~1.2。     

匀加速激励下的液体晃动力解析计算

针对矩形容器在匀加速运动下的液体晃动问题,采用基于非线性振动的解析方法求出容器所受液体晃动力的解析近似解,并分析其非线性效应以及加速度大小和充液率的影响作用。根据流体速度势的解析解计算边壁处的流体压力,而对于部分边壁区域的流体压力则采用线性分布的近似估计。对流体压力沿边壁做积分即可获得边壁处液体晃动力的解析近似解。计算结果表明,非线性因素并不会对容器所受晃动力产生较大影响,晃动力非线性项与加速度立方成正比;充液率的变化会使得线性晃动固有频率的数值发生改变,进而对晃动力线性项造成影响,其影响程度与固有频率曲线的变化趋势较为一致。     

发展附加质量模型应用于储液罐的动力分析

提出一种新的用于表述附加质量分布规律的公式和有限元单元模型,接入ABAQUS有限元软件对储液罐动力试验模型进行了数值模拟,分析对比了弹塑性屈曲“象足效应”和“钻石效应”的实验数据,证明所提出的附加质量公式是合理和有效的,并指出原经验公式在分析动水压力问题时的缺陷。模拟中考虑了储液罐壁动力响应加速度的方向对液体惯性作用力的影响,从而准确地模拟了储液罐壁与液体的相互作用。动力时程和频率响应的定量分析表明:地震荷载对储液罐计算模型所做的外力功是导致罐壁塑性变形、产生“象足效应”的决定性因素。     

管材参数对输液管流固耦合振动的影响

采用特征线法对一蓄水池-管道-阀门(RPV)系统的流固耦合振动响应进行了数值计算,研究了管道结构阻尼、管材泊松比以及管道壁厚管道材料对系统振动响应的影响。结果表明：随着管道结构阻尼的增大,管壁本身的振动受到抑制;当管道结构阻尼大于某一临界值时,系统的振动能量主要集中在液体里,造成液体压力能的升高;随着泊松比的增大或管道壁厚的增大,液体的压能增大,管壁的轴向振动强度降低。     

空气夹层对含液结构在球形弹体侵彻作用下动态响应的影响

基于一维应力波理论对高强水中冲击波在不同介质间的传播进行分析,提出了2种防护含液结构的空气夹层形式,建立了数值仿真模型。在验证数值仿真方法的基础上,分析了含液结构在弹体侵彻过程中空穴演化、冲击波传播、空气夹层结构变形等的动态变化过程及弹体速度衰减规律,讨论了不同舱室结构在球形弹体侵彻作用下的冲击波特点和结构不同组成部分的能量转换关系,对比了不同弹速下前后板的塑性变形。研究结果表明:(1)在含液结构中添加空气夹层能有效降低含液结构前板和后板的冲量、能量和塑性变形;(2)空气夹层影响前后板变形的主要原因为阻抗失配和空气夹层变形引起的稀疏波及液体空化;(3)从整体看,双层间隔板结构衰减前后板变形能力优于方格夹层板结构,但随着弹速的增加,双层间隔夹层板的前后壁变形相互制约,2种结构对含液塑性变形的改变逐渐接近。     

5000m^3立式拱顶储罐应力分析与弱顶性能评价

根据国内外相关设计标准与规范,石油天然气等易燃易爆气体的储罐必须设计成弱顶结构,以最大限度地降低因内部超压而发生事故的危害程度。为了得到合适的弱顶结构设计方法,以常见的5 000 m^3立式拱顶储罐为对象展开分析。首先,根据GB 50341-2014《立式圆筒形钢制焊接油罐设计规范》,对储罐结构参数进行设计并对其弱顶性能进行初步评价;然后,利用有限元分析方法对储罐结构进行分析,获得储罐在空罐、半罐、满罐工况下的提离高度、提离半径、最大等效应力和薄膜应力等关键参数,并在此基础上对储罐强度、稳定性、破坏形式和弱顶性能进行综合评价;最后,分析了顶壁连接焊角高度、罐顶曲率半径、边缘板厚度和罐体高径比等关键参数对储罐弱顶性能的影响。结果表明:基于GB 50341-2014设计的5 000 m^3立式拱顶储罐并不具备弱顶性能,顶壁连接焊角高度减小到3.75 mm,或罐顶曲率半径增大到3.0D(D为储罐直径),或边缘板厚度增大到15 mm,或罐体高径比增大到2.0都能使该储罐满足弱顶结构的设计要求。研究结果可为储罐弱顶结构的改进提供参考。     

内置有水平挡板的矩形储液器非线性晃动分析

该文以内置有水平挡板的矩形储液器为研究对象,对储液器的非线性晃动问题展开研究。利用势流理论和虚功原理,推导了由水平挡板引起的储液器非线性阻尼比(非线性体现于波高有关)的计算公式,同时考虑水平挡板对储液器晃动频率的影响而对非线性阻尼比计算公式进行了修正。结合液体晃动的非线性分析理论,研究了水平挡板处于不同位置、挡板长度不同时储液器的液面波高与晃动力变化情况。利用Fluent软件进行了数值模拟,并与理论模型分析的结果进行对比。结果表明:当水平挡板靠近储液器底部或长度较小时,储液器内液体的非线性晃动现象较明显,利用非线性三阶模态方程推导得到的波高、晃动力与数值模拟结果较接近,而仅考虑一阶线性响应会明显低估储液器液面波高,但其求解的晃动力却与考虑非线性值的状况基本一致;随着挡板到自由液面距离的变小或挡板长度的增大,储液器液面波高、晃动力幅值减小,液体晃动呈线性变化,说明水平挡板靠近自由液面或增大其长度时能够提高储液器的阻尼比,进而也更能抑制液体的非线性晃动。同时水平挡板逐渐靠近自由液面或长度逐渐增大时,储液器晃动频率逐渐减小,减小的幅度分别可达到5.7%~28%。     

An augmented incompressible material point method for modeling liquid sloshing problems

The incompressible material point method was proposed for modeling the free surface flow problems based on the operator splitting technique which decouples the solution of the velocity and the pressure in our previous work. To further model the coupling problems between the incompressible fluid and the moving irregular solid bodies, an augmented incompressible material point method is proposed in this paper based on the energy minimization form of operator splitting technique. The interaction between the fluid and the solid is taken into account via the work done by the fluid pressure on the solid bodies. By minimizing the total work done by the fluid pressure, volume-weighted pressure Poisson equations are obtained. The proposed method is validated with liquid sloshing in a rectangular tank subjected to various base-excitations, and is then used to study the optimal height of baffles mounted on the bottom of the tank to mitigate the sloshing wave.     

近地面空中爆炸马赫反射数值模拟研究

为研究马赫波冲击波参数的变化规律以及装药类型和装药形状对三波点迹线的影响,采用有限元分析软件AUTODYN建立了TNT装药近地面空中爆炸的有限元模型,将计算结果与试验结果进行了对比,两者吻合良好。在此基础上,对不同装药形状和装药类型的炸药进行了近地面空中爆炸的数值模拟。研究结果表明:马赫波波阵面上的冲量随高度增大而缓慢减小,超压峰值随高度增大先缓慢下降而后迅速减小。马赫波与地面近似垂直,其顶部的超压峰值仅为底部的67.6%~80.3%,顶部的冲量为底部的91.3%~99.0%。球形装药和长径比为1的柱状装药的三波点迹线几乎完全相同,柱状装药长径比越大,马赫波高度反而越小。C4炸药形成的马赫波高度略大于B炸药,但两者较为接近,TNT形成的马赫波高度明显小于C4和B炸药。     

Non‐linear sloshing in partially liquid filled containers with baffles

A finite element method is used for computing the non‐linear sloshing response of liquid in a two‐dimensional rigid rectangular tank with rigid baffles. The potential formulation is considered for the liquid domain and a mixed Eulerian–Langrangian scheme is adopted. The solution is obtained by the Galerkin method. The fourth‐order Runge–Kutta method is employed to advance the solution in the time domain. A regridding technique is applied to the free surface of the liquid, which effectively eliminates the numerical instabilities without the use of artificial smoothing. Through the comparison with the available results for the rectangular tank without baffle, the validity of the present formulation is checked and then extended to the solution of tanks with rigid baffles. The effects of baffle parameters such as position, dimension and numbers on the non‐linear sloshing response are examined. The present numerical solution procedure is also applied to the non‐linear sloshing problems in a circular cylindrical container with annular baffle. Copyright © 2006 John Wiley & Sons, Ltd.     

桔瓣式球型储液罐爆破振动响应分析

为研究深孔台阶爆破工况下,爆区中远端既有桔瓣式球型储罐振动响应问题,采用ANSYS/LSDYNA建立有限元模型,结合流固耦合算法,分析了不同起爆方式下球罐关键质点动态响应情况,重点研究了罐壁处不同质点的振动峰值速度和罐内储液对峰值速度的影响。结果表明:爆破地震所引起的振动破坏效应主要集中于球罐迎爆面罐壁与支柱连接处,其中罐壁与支柱连接处附近最为剧烈,易突破振速安全阈值,需要重点防护;采用延时起爆,减小药量等合理起爆方案可有效削弱爆破地震效应;适量调整罐内储液高度也可有效提高球罐自身的稳定性,起到有效的防护作用。     

弹性压应力波下直杆分叉动力失稳特征值有限元分析

运用有限元特征值分析方法对弹性压应力波作用下直杆分叉动力失稳问题进行了研究。基于应力波理论和相邻平衡准则导出了直杆动力失稳时的有限元特征方程,把弹性直杆的动力失稳问题归结为特征值问题。通过引入直杆动力失稳时的波前约束条件实现了此类问题的有限元特征值解法。     

弹性压应力波下直杆分又动力失稳特征值有限元分析

运用有限元特征值分析方法对弹性压应力波作用下直杆分叉动力失稳问题进行了研究。基于应力波理论和相邻平衡准则导出了直杆动力失稳时的有限元特征方程，把弹性直杆的动力失稳问题归结为特征值问题。通过引入直杆动力失稳时的波前约束条件实现了此类问题的有限元特征值解法。     

Boundary element analysis of liquid sloshing in baffled tanks

The paper concerns the natural frequencies and mode shapes of liquid sloshing in three dimensional baffled tanks with arbitrary geometries. The liquid is considered to be inviscid and incompressible and amplitudes of oscillations are assumed to be small. The tank bottom and the baffle are treated as rigid. The boundary element method is used to solve the considered problem. Triangular curvilinear 6-node boundary elements are applied. In the present formulation is not necessary to introduce the zoning method, because the baffles are treated as double layers immersed in liquid. After discretization the problem is formulated as the standard eigenvalue problem, which is limited to free surface degrees of freedom only. Several examples are given to verify the proposed method.