事故型冲击荷载作用下大型LNG储罐穹顶响应特征和损伤评估方法研究

摘要

进入“后石油时期”，LNG（Liquefied natural gas即液化天然气）作为清洁、高效的优质能源已成为全球争夺的热点。为了争取全世界的LNG供给，鉴于海上运输便利，许多国家在沿海地区建设大型LNG储罐。大型LNG储罐是LNG产业链条中的重要存储装置，由于其存储能量巨大，存储介质具有易燃、易爆、易扩散等特点，其安全要求等同于核电设施，其抵御事故型飞射物和爆炸冲击荷载作用的能力是该设施的重要设计指标。但大型LNG储罐在事故型冲击荷载作用下的响应特征尚不明确，建立相关标准仍缺少试验、理论及数值仿真支撑。为了早日实现大型LNG储罐的自主设计，构建符合我国国情的抗冲击设计标准，本文选取大型LNG储罐体系中结构形式较为复杂，最薄弱的穹顶作为研究对象，探究了其在事故型冲击荷载作用下的响应特征和损伤评估方法，主要研究内容如下:
　　(1)飞射物冲击穹顶试验研究:选取大型LNG储罐穹顶局部壳体为试验靶体，根据国外设计规范建议，将LNG接收站区常见法兰作为飞射物原形，以其冲击能量为参照制备弹体，通过变换参数进行了15个工况冲击试验。通过对穹顶局部破坏形态和关键损伤量分析，研究了飞射物冲击荷载作用下大型LNG储罐穹顶的响应特征和损伤机理，分析了其区别于常规混凝土结构的损伤特点。
　　(2)飞射物冲击穹顶数值仿真研究:采用AUTODYN非线性计算程序，建立了局部壳体冲击试验的显示动力分析模型和飞射物冲击LNG储罐穹顶的整罐分析模型。通过数值仿真与试验结果的对比分析，验证了数值仿真方法的有效性和正确性，揭示了试验较难获得的损伤发展过程信息和能量分布信息。通过局部壳体分析模型与整罐分析模型的对比分析，验证了仅选取局部壳体，分析飞射物冲击大型LNG储罐穹顶响应特征的可行性和有效性。
　　(3)爆炸冲击穹顶数值仿真研究:基于国外设计规范给出的建议性验算标准，以低压输送管道发生泄露为事故背景，采用AUTODYN非线性计算程序，建立了近场爆炸冲击荷载作用下的整罐结构分析模型，分析了近场爆炸冲击荷载作用下，大型LNG储罐穹顶的响应特征和极限抗爆能力。同时，以恐怖袭击和军事行动中大型LNG储罐穹顶可能遭受的接触爆炸为背景，建立了接触爆炸冲击作用下的穹顶局部壳体分析模型和整罐结构分析模型，探究了不同装药量下，大型LNG储罐穹顶的局部破坏形态，以及破坏形态与爆炸威力（TNT当量）间的对应关系。
　　(4)冲击荷载作用下的损伤评估方法研究:基于穹顶局部壳体抗冲击试验的始末状态数据，拟合出了事故型飞射物冲击作用下的关键损伤量计算公式。通过引入薄钢板的弹道极限速度，对穹顶侵彻度进行修正，建立了基于侵彻深度与穹顶厚度比值Kl(x/H)，这一无量纲参数为基准的损伤形态判定方法。通过对比分析爆炸冲击数值仿真结果和常用经验公式计算结果，给出了穹顶在接触爆炸和近场爆炸冲击荷载作用下的关键爆轰参数计算方法。基于爆炸威力和损伤形态之间的对应关系，建立了大型LNG储罐穹顶在爆炸冲击荷载作用下的损伤评估方法。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1选题背景和意义

1．2国内外研究进展

1．2．1大型LNG储罐在冲击荷载作用下的研究进展

1．2．2板、壳类混凝土结构在冲击荷载作用下的研究进展

1．3本文主要研究内容

第2章大型LNG储罐穹顶局部壳体抗飞射物冲击试验

2．1引言

2．2试验设计

2．2．1穹顶局部壳体的选取方法

2．2．2穹顶局部壳体靶体的设计与制备

2．2．3飞射物弹体的设计与制备

2．2．4试验装置

2．2．5测试内容及测点布置

2．2．6试验方案和流程

2．3试验结果与分析

2．3．1 关键损伤量

2．3．2 局部破坏形态与损伤机理

2．3．3 不同弹丸质量对比分析

2．3．4 不同冲击速度对比分析

2．3．5 不同靶板厚度对比分析

2．3．6 侵彻耗能与侵彻深度分析

2．3．7 不同位置应变时程

2．4 本章小结

第3章大型LNG储罐穹顶抗飞射物冲击数值仿真

3．1 引言

3．2冲击试验的显示动力分析模型

3．2．1几何模型

3．2．2单元选取和网络划分

3．2．3接触和边界条件设置

3．2．4材料模型选取

3．2．5 Damage Contour标定

3．3冲击试验的数值仿真结果

3．3．1冲击成坑破坏

3．3．2冲击震裂破坏

3．3．3冲击剥落屈曲破坏

3．3．4冲击侵彻屈曲破坏

3．3．5冲击贯穿屈曲破坏

3．4数值仿真与试验结果对比分析

3．4．1损伤发展过程对比分析

3．4．2局部破坏形态对比分析

3．4．3局部破坏损伤量对比分析

3．5飞射物冲击穹顶的整罐显示动力分析模型

3．5．1有限元模型建立

3．5．2整体响应情况

3．5．3局部模型与整罐模型对比分析

3．6本章小结

第4章大型LNG储罐穹顶抗爆炸冲击数值仿真

4．1引言

4．2近场爆炸冲击穹顶的数值仿真

4．2．1事故型泄露爆炸源

4．2．2有限元模型

4．2．3接触和边界条件设置

4．2．4材料模型选取

4．2．5模型验证

4．2．6损伤形态

4．2．7损伤机理

4．3接触爆炸冲击穹顶的数值仿真

4．3．1接触爆炸源

4．3．2有限元模型

4．3．3局部破坏形态

4．3．4损伤机理和损伤发展过程

4．3．5局部损伤与爆炸威力对应关系

4．3．6局部模型与整罐模型对比分析

4．4本章小结

第5章大型LNG储罐穹顶在冲击荷载作用下的损伤评估方法

5．1引言

5．2飞射物冲击荷载作用下的损伤评估方法

5．2．1能量分布规律

5．2．2关键损伤量的近似计算

5．2．3损伤评估

5．3设计规范抗飞射物冲击验算标准的标定

5．4爆炸冲击荷载作用下的损伤评估方法

5．4．1能量分布规律

5．4．2关键爆轰参数的近似计算

5．4．3损伤评估

5．5设计规范抗爆炸冲击验算标准的标定

5．6本章小结

第6章结论与展望

6．1结论

6．2展望

参考文献

攻读学位期间公开发表论文

致谢

作者简介