LNG储罐外壁地震响应有限元分析

来源:用户上传      作者: 袁朝庆 潘德涛 谌飞翔

　　摘要： 利用ADINA分别建立LNG储罐空罐SHELL壳体单元及3D-SOLID实体单元有限元模型.对2种模型进行模态分析，验证SHELL单元模型的有效性.在El Centro地震波作用下对LNG储罐混凝土外壁进行地震响应分析.结果表明：在地震作用下，LNG储罐外壁的位移和加速度沿罐高方向逐渐增大；空罐时，LNG储罐外壁位移及加速度时程曲线与地震波形基本一致.
　　关键词： LNG储罐； 地震响应； 时程分析； ADINA
　　中图分类号： TU352.1； TB115.1文献标志码： B
　　
　　Finite element analysis on seismic response of
　　LNG tank outer wall
　　
　　YUAN Zhaoqing1,2, PAN Detao2, CHEN Feixiang2
　　
　　(1. Heilongjiang Mitigation and Protective Engineering Key Laboratory, Daqing 163318, Heilongjiang, China;
　　2. School of Civil Engineering and Architecture, Northeast Petroleum University, Daqing 163318, Heilongjiang, China;）
　　
　　Abstract： The finite element models based on SHELL element and 3D-SOLID element are established for empty LNG tank by using ADINA. The modal analysis of the two models are processed to verify the validity of SHELL element model. The seismic response of outer concrete wall of LNG tank under El Centro seismic waves is analyzed. The results show that the displacement and acceleration of LNG tank outer wall gradually increases along wall height direction under the effect of earthquake; the time-history curves of displacement and acceleration of LNG tank outer wall are consistent with the seismic waves when the tank is empty.
　　Key words： LNG tank; seismic response; time-history analysis; ADINA
　　
　　0引言
　　 ADINA（Automatic Dynamic Incremental Nonlinear Analysis）是由美国麻省理工学院的BATHE 教授带领的 ADINA R&D 公司研发的商用工程软件［1］，是基于有限元技术的大型通用分析仿真平台之一.ADINA广泛适用于机械工业、建筑工程、水利电力、航空航天、电子和生物医学等领域，可对线性、非线性、静力、动力、传热、计算流体力学以及流-固耦合等工程问题求解.ADINA的很多求解技术持有专利，其非线性问题稳定求解、多物理场仿真等功能已处于全球领导地位，尤其针对结构非线性和流-固耦合等复杂问题具有强大优势，被业内认为是非线性有限元发展方向的代表.［2］
　　 基于此种情况，本文通过ADINA有限元软件，分别应用其中2种有限元单元（3D-SOLID和SHELL）建立LNG储罐混凝土外壁模型.其外壁及穹顶都为混凝土结构，故在ADINA中应用3D-SOLID单元建立模型是可行及正确的.由于应用3D-SOLID单元计算量较大，对计算机要求很高，不有利于大规模计算，故另建SHELL单元模型，分别进行模态分析并对比结果，验证SHELL单元的有效性；然后在静力基础上对LNG储罐外壁进行地震响应分析，并详细分析所得结果.
　　1模型建立
　　1.1基本参数
　　 本文以某LNG项目中的地面全容式混凝土顶LNG储罐为原型建立有限元模型.该罐容积为160 000 m3，罐内天然气密度为470 kg/m3，弹性模量为2.6×108 N/m2，液面高度为30 m；外罐壁材料为钢筋混凝土，密度为2 500 kg/m3，弹性模量为3.86×1010 N/m2，泊松比为0.167；内罐直径为80 m，外罐与内罐的间隔为1 m，外罐厚为800 mm，外罐壁高为38.4 m；罐顶为整浇混凝土板壳，高为12.49 m，厚为400 mm.罐顶和外壁均采用C45等级混凝土.
　　1.2假设条件和边界条件
　　 分别采用3D-SOLID单元与SHELL单元在ADINA中建立LNG储罐混凝土外壁的有限元模型，见图1.
　　
　　（a）采用3D-SOLID单元建立的有限元模型
　　（b）采用SHELL单元建立的有限元模型
　　
　　将LNG储罐预应力混凝土外壁底部视为固定端,不考虑地基对罐体动力反应的影响，不考虑罐顶约束,将其视为自由端.对LNG储罐混凝土外壁进行地震分析时,忽略保温层对结构的影响.
　　1.3储罐的非线性地震反应分析
　　 储罐非线性地震反应分析：储罐系统在地震地面加速度u¨g作用下的运动平衡方程［3］为Mu¨+Cu•+Ku=-MIu¨g式中：M，C和K分别为系统的质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵，对于本文研究的问题，由储罐和储液中各单元的相应矩阵集成；u为节点位移向量；I为单位向量.本文采用ADINA中的直接积分Newmark法求解结构动力响应.［4］
　　2储罐模型模态分析
　　 对储罐进行动力分析，首先必须求出储罐在空罐以及装有液化天然气状态下的自振周期和频率.在不考虑阻尼的影响条件下，典型的模态分析求解过程为：先根据结构力学模型确定基本特征方程［5］KFi=w2iMFi式中：Fi为第i模态振型向量；wi为第i模态固有频率.针对本文有限元模型，计算2种有限元空罐模型的前10阶模态和频率误差，见表1，可知，最大频率误差为4.39%，由此可见SHELL单元的有效性.故在保证其计算精度和计算速度上，应用SHELL单元代替3D-SOLID单元计算可行.
　　
　　3 输入地震波及结果
　　 输入EI Centro南北方向地震波（见图2），设基本地震加速度峰值［6］为0.35g,持续时间为12 s,时间间隔为0.02 s.分析SHELL壳体单元有限元模型LNG储罐外壁在地震波作用下的位移和加速度曲线.
　　
　　3.1SHELL壳体单元储罐地震反应分析
　　 SHELL壳体单元空罐储罐在水平方向施加地震作用后，得沿壁高方向各节点在载荷作用时间内的最大位移值和最大加速度曲线，见图3；取LNG储罐罐身2点（分别为壁高6 m和30 m处）以及罐壁顶点处节点，分析其位移和加速度时程曲线，分别见图4～6.

　　
　　由图3可知，空罐位移随罐身高度变大而增大，在罐壁顶端达到最大位移；空罐加速度随罐身高度变大而增大，在罐壁顶端达到最大加速度.由图4～6可知，空罐下LNG储罐外壁位移及加速度波形图与地震激励输入的波形基本一致，表明在水平地震激励下，储罐做强迫振动，从振幅上看，离地面越远的点振幅越大，表明LNG储罐外壁运动的整体波形是1阶梁式波形.
　　4结束语
　　应用ADINA软件对LNG储罐混凝土外壁进行地震响应分析，在考虑其计算要求和精度情况下，采用SHELL单元代替3D-SOLID单元进行计算.分别建立2种储罐有限元模型，对其进行模态分析以确定SHELL壳体单元的有效性.结果表明在保证其计算精度和计算速度上，应用SHELL壳体单元代替3D-SOLID实体单元计算可行.故在地震响应分析中，采用SHELL单元进行计算.
　　 地震响应计算结果表明：空罐外壁位移随罐身高度变大而增大，在罐壁顶端达到最大位移，为5.26 mm；加速度随罐身高度变大而增大，在罐壁顶端达到最大加速度，为2.86 m/s2.由时程曲线可知，空罐下LNG储罐外壁位移及加速度波形图与地震激励输入的波形基本一致，表明在水平地震激励下，储罐做强迫振动，从振幅上看，离地面越远的点振幅越大，LNG储罐外壁运动的整体波形是1阶梁式波.以上数据可为实际工程中LNG储罐外壁设计提供参考.参考文献：
　　［1］ADINA R&D, Inc. ADINA theory and modeling guide［R］. Watertown, 2005.
　　［2］王亚军, 王峰. 有限元分析系统在结构计算中的比较及展望［J］. 基建优化, 2003, 24(4): 50-54.
　　WANG Yajun, WANG Feng. The comparison and prospect of finite element analysis system in structure analysis［J］. Optimization Capital Construction, 2003, 24(4): 50-54.
　　［3］王翠翠. 考虑液-固耦合储液罐非线性地震反应分析［D］. 哈尔滨: 中国地震局工程力学研究所, 2008.
　　［4］李宏男, 李忠献. 结构振动与控制［M］. 中国建筑工业出版社, 2005: 58-69.
　　［5］姜英明. 立式圆筒形储罐自振频率的计算［J］. 化工设备与管道, 2004(6): 35-38.
　　JIANG YingMing. Calculation of natural vibration frequencies for vertical cylindrical storage tanks［J］. Process Equipment & Piping, 2004(6): 35-38.
　　［6］胡文源, 邹晋华. 时程分析法中有关地震波选取的几个注意问题［J］. 南方冶金学院学报, 2003, 24(4): 25-28.
　　HU Wenyuan, ZOU Jinhua. A few questions of seismic record’s choice for time-travel analyzing method［J］. J Southern Inst Metallurgy, 2003,24(4): 25-28.
　　(编辑 陈锋杰)

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