立式圆柱形储罐地震响应研究

摘要

立式圆柱形储油罐是石油储运中的重要设施。近年来，我国石油化工业发展迅速，建造了更多、更大的立式圆柱形储油罐。一方面，我国是一个多地震国家，许多储油罐位于地震区，存在着抗震问题；另一方面，我国当前面临一个新的地震活动高潮期，所以储油罐的抗震研究具有十分迫切而重要的意义。目前，储油罐的发展趋势为薄壁、基础浮放和体积大型化。大型储油罐几乎全部为外浮顶储罐，罐体直接浮放在基础上，因此，自由搁置在基础上的外浮顶储油罐的抗震问题是当今研究的热点之一。 对于储油罐的抗震分析，目前一般采用简化法进行分析。有限元数值分析也得到了一定的应用，但是因为自编程序的功能、计算精度等限制，无法在工程设计中得到普遍应用。本文采用商业有限元分析软件ANSYS对储油罐的抗震性能进行了计算分析，主要包括以下几个方面的研究工作： 1、总结了弹塑性有限元基础理论，在分析不同弹塑性本构模型优缺点的基础上，确定了适合储油罐和地基提离的弹塑性本构关系。 2、建立了考虑液固耦合作用的立式外浮顶储罐有限元模型。分析了非锚固罐有限元模型中的非线性接触问题，建立了添加加强圈的外浮顶储油罐的有限元模型。 3、对2000m3和50000m3储油罐进行了模态分析，计算了两种储油罐的前三阶模态。同时，进行了结构影响分析，包括罐壁形式、浮顶和加强圈等。 4、分析了2000m3和50000m3非锚固储油罐在水平地震载荷激励下的动力响应。包括储液晃动波高，罐壁大的应力和应变，底板的提离及剪力。同时分析了锚固罐的地震响应，并与非锚固罐的结果进行了对比分析。

目录

文摘

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第一章绪论

1.1课题研究背景和意义

1.2储油罐系统的结构

1.3储罐常见震害分析

1.4立式储罐抗震研究进展

1.4.1锚固罐的抗震研究

1.4.2非锚固罐的抗震研究

1.5本文的主要研究内容

第二章储罐地震响应分析的弹塑性有限元理论

2.1有限元方法的理论基础

2.1.1有限元方法

2.1.2有限元方法的三个发展阶段

2.1.3 有限元和变分原理

2.2 弹塑性理论基础

2.2.1 塑性力学的基本概念

2.2.2 弹塑性增量理论的材料屈服准则

2.2.3 弹塑性增量理论的正交定律

2.2.4 弹塑性增量理论的硬化准则

2.3储罐地震响应分析的弹塑性本构模型

2.3.1 弹塑性本构方程

2.3.2储罐的弹塑性力学计算模型

2.4 地基的弹塑性力学计算模型

2.5本章小结

第三章立式圆柱形储罐ANSYS有限元模型

3.1有限元分析方法

3.1.1有限元方法的分析步骤

3.1.2瞬态动力方程及求解方法

3.1.3 ANSYS有限元软件简介

3.2储罐系统有限元模型的建立

3.2.1储罐系统的几何模型

3.2.2储罐系统单元的确定

3.2.3几何模型的网格划分

3.3流固耦合的实现及接触问题的分析

3.3.1流固耦合的实现

3.3.2模型非线性接触问题的分析

3.4地震波输入的相关问题

3.4.1结构地震反应分析方法

3.4.2地震波的选取原则

3.4.3地震波的输入

3.5本章小结

第四章立式储流固耦合自振特性分析

4.1 基本概念

4.1.1流固耦合的基本概念

4.1.2储罐模态分析的基本概念

4.2储罐固有振动特性的规范算法

4.3储罐固有振动特性的有限元计算方法

4.3.1 罐-液耦合系统自由振动方程

4.3.2罐-液耦合系统有限元模型地建立

4.3.3罐-液耦合系统模态分析方法

4.3.4储罐有限元模型的可靠性验证

4.4储罐系统的模态计算

4.4.1 锚固罐空罐的自振特性分析

4.4.2充液锚固罐振动特性分析

4.4.3储罐的cos nθ型振动特性

4.4.4储液顶面的晃动特性分析

4.4.5非锚固罐的自振特性分析方法

4.5储罐自振特性影响因素分析

4.5.1不同壁厚形式的储罐自振特性分析

4.5.2浮顶对储罐自振特性的影响

4.5.3加强圈对储罐自振特性的影响

4.6本章小结

第五章储罐地震动力响应数值计算

5.1 非锚固罐地震响应分析的有限元模型

5.1.1储罐地基的有限元模型

5.1.2两类储罐的有限元模型

5.1.3储罐有限元模型的可靠性验证

5.2非锚固罐地震响应底板提离分析

5.2.1地震波的选取

5.2.2底板提离的结果分析

5.2.3非锚固罐底板提离的结论

5.3 非锚固罐罐壁应力应变结果分析

5.3.1 罐壁应力应变结果分析

5.3.2储罐屈服条件研究

5.4锚固罐的地震响应分析

5.4.1锚固罐底板受力分析

5.4.2锚固罐罐壁受力分析

5.4.3锚固罐液体晃动分析

5.5锚固罐与非锚固罐结果对比分析

5.6本章小结

第六章结论

参考文献

攻读硕士学位期间取得的学术成果

致谢