储液特种结构流-固耦合机理及地震响应分析

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储油罐广泛应用于石油、核工程、船舶、化工等领域,是能源利用、再生产和供给的重要保障设施。特别是近年战略石油资源储备库的兴建及超大型储油罐的兴起,使得我国这个多地震的国家,必须高度重视对储油罐研究技术水平的发展。储油罐在经历地震激励时,罐内液体的晃动对罐体产生不利影响,当外界激励频率一旦接近储液系统的固有频率时,内部储存液体晃动将变得更剧烈而导致容器破坏,不仅造成重大经济损失及人员伤亡,还有更严重的火灾、爆炸及环境污染等次生灾害。因此,研究储液系统流一固耦合机理及流体对罐壁的影响,对外激励作用下储罐系统动力响应进行模态分析及时程响应分析,获得储罐地震响应曲线,为罐体的模型识别和损伤识别提供参数;研究储液系统地震响应控制问题,提高罐体结构本体抗力,削弱地震载荷对储罐产生的破坏力,确保储油罐系统在日常工作中的安全运营,在遭受突发性载荷作用时,以期减少灾害损失及环境污染。这是一个关系到社会可持续发展的重要课题。
  储液系统液体晃荡具有非常复杂的流体运动现象,呈现出很强的非线性和随机性,且对这一问题研究带有众多不确定性因素,使得获得的结果不能真实地反映出实际储液罐地震响应状态,这也就难免设计储罐时出现“防不胜防”的严重问题。目前,国内外对储液容器晃动问题的研究大多集中在液体晃动的二维问题上,对三维晃动问题研究较少,而事实上一些复杂的储液容器是不能简单进行二维处理的;在对三维晃动问题研究使用的数值模拟多使用自编程序,考虑到其功能及计算精度的局限性,获得的结果与理论值误差较大,因此,需要寻求一种方法可以通用于任意形状容器内液体三维晃动问题的求解;储液系统液体晃荡控制问题研究较少,需注重研究在外激励载荷下如何减小液体晃荡问题。
  本文针对上述存在问题做如下研究工作:
  内容一:刚性储罐液体晃动固有频率和模态问题研究
  ①基于声学模型算法,流体采用声学单元,自由液面“削皮”成膜单元,两者使用弹簧单元连接,建立储液罐三维晃动数学模型。
  ②以ABAQUS软件平台,编制相应的分析程序,分析液体晃动的特征频率、模态,并将其与理论界对比,验证方法的正确性。为研究储液罐晃动动力特性分析提供一种新的计算方法。
  ③分析储液罐在不同液体高宽比时,其晃动频率与液体深度、宽度的关系,并从中获得储液罐晃动的一般规律。
  内容二:考虑隔板的储罐防晃特性研究
  使用特有的声学模型算法,建立带防晃板的储液罐三维模型,研究隔板作为储液罐晃动阻尼器时,其液体晃动固有模态和固有频率的变化;研究防晃特性受隔板数量、半径及布置位置等因素影响关系。
  内容三:弹性储液罐流-固耦合机理研究
  ①使用流体声学单元(AC3D8)、自由液面膜单元(M3D4R)、弹簧单元(spring1)、弹性罐壁壳单元(S4R)、固-液交互面耦合单元(ASI4),建立弹性储液罐固-液耦合三维晃动数学模型。
  ②编制相应的分析程序,采用流-固耦合的位移-压力(u,p)格式有限元法,分析液体晃动的特征频率、模态,并将其与理论界对比,验证方法的正确性。为研究储液罐晃动动力特性分析提供一种新的分析方法。
  ③分析储液罐在不同液体高宽比及壁厚时,其晃动频率与液体深度、宽度、壁厚的关系,并从中获得考虑固.液耦合时储液罐晃动的一般规律。
  内容四:刚性/弹性储液容器地震响应分析
  编制相应的分析程序,建立地震条件下的刚性/弹性储液系统有限元模型,研究地震条件下储液容器的动态响应问题及变形破坏机理。
  内容五:考虑弹性隔板的储液容器地震响应分析
  以有限元软件Abaqus为平台,编制相应的分析程序,建立地震条件下的考虑弹性隔板流一固耦合的储液系统有限元模型,研究地震条件下储液容器的动态响应问题及隔板对地震载荷作用时液体晃荡控制问题。
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