立式圆柱形非锚固储液罐的三维地震响应分析

摘要:文章运用ANSYS有限元软件建立了某20000m3储液罐的有限元数值分析模型,分析了储罐在三维地震响应下的加速度、提离的响应。分析结果表明:储液罐加速度反应有所放大;储罐发生了提离,提离区域成月牙形,并且在底板提离区域内应力强度有很大波动。

关键词:储液罐;三维地震;有限元;ANSYS;动态响应

中图分类号:TE927文献标识码:A文章编号:1009-2374 (2010)12-0028-03

大型储液罐多存放易燃、易爆、有毒介质,一旦在地震中遭受破坏,不仅会产生巨大的经济损失,而且还会产生次生灾害。因此大型储液罐的地震响应问题在国内外越来越受到重视,孙建刚教授一直致力于储液罐抗震方面的研究,针对储液罐的晃动与提离、应力应变、一维激励和三维激励的对比等问题做了比较深入的研究。

立式储液罐具有直径大、罐壁薄的特点,其地震响应包含很多非线性特征,分析起来十分复杂,国内外人员从不同角度对其做了多方面的研究,其中有限元数值模拟是常用的方法之一,本文采用ANSYS有限元软件建立了某20000m3立式圆柱形非锚固储液罐的有限元数值分析模型,分析了储液罐在三维地震激励下的加速度、提离的响应。

一、有限元模型的建立

(一)储罐基本参数

储罐容积为20000m3,直径34m,材质为09MnNiDR,壁板高度24.26m,拱顶高度5.99m,储罐总高度30.712m,在14.46m和20.86m处设有加强圈,底板厚10mm,壁板共10圈,各圈壁厚如表1所示。储罐密度7850kg/m3,弹性模量为2×1011Pa,泊松比υ=0.3,屈服应力σs= 410MPa。储液密度为580kg/m3,储液高度22.112m。

表1 储罐壁厚

第n圈 1 2 3 4 5 6 7,8 9 10

板厚/mm 22 20 18 16 14 12 10 10 24

(二)单元选取

储罐壁和底板采用shell63单元,该单元既具有弯曲能力又具有膜力,可以承受平面内荷载和法向荷载,该单元每个节点具有6个自由度。

基础采用solid45单元,该单元用于构造三维实体结构,单元通过8个节点来定义,每个节点有3个方向的平移自由度。

加强圈采用beam188单元,该单元是三维线性(2节点)或者二次梁单元,每个节点有六个或者七个自由度。当KEYOPT(1)=0(缺省)时,每个节点有六个自由度,当KEYOPT(1)=1时,每个节点有七个自由度,这时引入了第七个自由度(横截面的翘曲)。

在建模过程中对储液罐进行了适当的简化,忽略了所有接管和开孔,储液罐有限元模型如图1所示。储液罐与基础之间施加接触对,对基础的底部节点进行自由度全约束。

二、动态响应分析

(一)地震波的选取

选取地震烈度为9度的El Centro波,峰值加速度为0.4g,输入前15s的三向地震记录,地震波以惯性加速度的方式施加到储罐上。

(二)加速度时程

采用工程上常用的附加质量法来模拟固液耦合的响应,即将储罐中的液体以等效密度的形式直接附加于罐壁上。进行三维地震响应分析,提取储罐上节点649,1097,1641的x方向加速度时程曲线,三个节点的位置如图2所示,其x方向加速度时程曲线如图3～5所示,从图中可以看出,加速度峰值均出现在前10s之内,分别为-14.73m/s2、-10.83m/s2、-15.25m/s2。

沿罐高ab方向 (图2)取10个节点,分别提取其x方向加速度峰值,见表2。除了储罐底部加速度峰值较小外,其余各点加速度峰值都所放大,放大倍数为1～5,与文献[1]研究结果一致,并且最大加速度值出现在储罐上部 (图6)。

表2 沿罐高方向的加速度峰值

罐高m 0 2.97 5.94 8.91 11.88

加速度m/s2 3.46 14.11 14.47 12.3 8.26

罐高m 14.58 17.12 19.39 22.172 23.16

加速度m/s2 9.56 8.9 8.72 10.5 12.2

(三)提离分析

储罐在El Centro波的地震响应过程中,底板边缘在6.8s时有最大提离,最大提离高度为0.265m。最大提离点的提离位移曲线如图7所示,此时的底板提离区域云图如图8所示,从图中可以看出提离区域成月牙形,另外从分析中还发现储罐底板边缘沿环向的提离位移分布随时间的变化而改变,底板边缘各点均会发生提离。

在储罐出现最大提离时,从底板中心到最大提离点生成路径,提取沿该路径的应力强度变化曲线,如图9所示。从图中可以看出在储罐底板发生提离的区域应力强度急剧增大。

三、结论

1.运用ANSYS有限元软件建立了20000m3非锚固储液罐的数值分析模型,得到了地震烈度为9度的El Centro波作用下的三维地震响应结果。

2.在El Centro波作用下,储罐三维地震响应的加速度反应除了储罐底部外均有所放大,放大倍数为1～5,最大加速度出现在储罐上部。

3.在三维地震响应下储液罐发生了提离,最大提离高度为0.265m,提离区域成月牙形,并且沿环向的提离位移分布随时间的变化而改变,从分析中还可以看出储罐底板提离区域应力强度有很大波动。

参考文献

[1]孙建刚,王振,王向楠,杨宇.浮放储罐三维地震反应有限元分析[J].地震工程与工程振动,2008,28(6).

[2]孙建刚,王振,杨宇,孙颖.模型储罐三维地震反应振动台试验研究[J].地震工程与工程振动,2008,28(5).

[3]孙建刚,周利剑,李晓莉,李庆丽.水平地震激励下储罐液体晃动与提离分析[J].地震工程与工程振动,2007,27(5).

[4]张云峰,袁朝庆,孙建刚.储罐三维地震响应分析[J].大庆石油学院学报,2003,27(2).

[5]孙建刚,宫克勤,齐含兵,王莉莉.水平地震作用下无锚固储罐应力与应变响应分析[J].地震工程与工程振动,2007,27(3).

作者简介:张光浩 (1983-),男,河北深州人,北京化工大学机电工程学院硕士研究生,研究方向:大型储液罐抗震。