大型立式储罐网壳顶的有限元分析与优化

摘要

随着石油储罐日趋大型化，原有的肋环型罐顶结构形式暴露出很大的局限性。参考建筑结构领域中大型馆场常用的网壳顶结构具有大跨度、力学性能好等优点，愈来愈多不同形式的钢制和铝制网壳被应用于储罐罐顶上。但是对于大直径储罐的网壳顶结构的选型与设计，国内石化行业尚未制定详尽的设计标准，已有的研究也不够系统和深入，造成罐顶的选型设计依然是大型储罐设计中的重点和难点。
　　本文基于相关学者的研究成果，通过对七种常见单层球面网壳结构进行对比研究，筛选出两种适用于大型立式拱顶储罐罐顶的网壳结构（凯威特加联方混合型网壳以及短程线型网壳）作为本文的研究对象。使用有限元软件ANSYS分别对两种网壳结构的钢制形式与铝制形式在两种控制工况下进行了强度、刚度、稳定性方面的模拟仿真并分析对比了计算结果。最后从兼顾安全性与轻量化的角度优化了钢制凯威特加联方混合型网壳的杆件截面几何参数。本文主要研究工作如下：
　　（1）参考某公司50000m3大型立式储罐网壳顶设计，确定了拟分析的两种网壳结构的几何尺寸与计算工况。对两种网壳顶结构的钢制形式与铝制形式均进行实体建模并开展有限元分析，分析结果表明无论是钢制形式还是铝制形式，两种网壳结构在两种控制工况下的强度、刚度与稳定性均符合设计要求。
　　（2）探讨了材料选用（钢材与铝材）、网壳选型（凯威特加联方混合型网壳与短程线型网壳）对罐顶结构的力学性能与稳定性的影响，分析结果表明，不论钢制还是铝制，短程线型网壳在强度和稳定性上均优于凯威特加联方混合型网壳；不论何种网壳型式，铝制网壳顶相比钢制强度要更高，钢制网壳顶相比铝制在稳定性上更有优势。
　　（3）针对钢制凯威特加联方混合型网壳，利用ANSYS软件的Design Opt优化模块对网壳杆件的截面几何参数进行优化设计，不仅得到了H、B、t1、t2这四个参数和网壳结构强度之间的关系，而且通过调整四个设计变量，使得优化后的结构兼顾了经济性与力学性能，仿真计算结果也验证了优化后的结构相较优化前更加合理。

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