立式低溫儲罐的實體模型簡化分析

張 為，李 晶

(長春理工大學機電工程學院，吉林長春130022)

隨著國內乙烯裝置的不斷擴大和增加，以及沿海地區液化石油氣、天然氣的儲存規模和需求的增大，對于低溫儲罐的需求和大

型化的要求也日益增長［1］.從立式低溫儲罐的結構特點［2-3］上可以看出，橫向地震載荷作用時，低溫儲罐主要承受載荷部件為徑向拉帶，由于徑向拉帶是沿著罐體中心軸環向布置，這就有可能使拉帶產生壓縮失穩，拉帶失穩之后就會影響分析結果的真實可靠性.本文就是針對以上問題提出對兩種結構進行對比分析，此兩種結構分別為不考慮徑向拉帶壓縮失穩結構和考慮徑向拉帶壓縮失穩結構.同時本文采用實體建模［4］，達到了建模簡單，修改容易的參數化效果.

1 立式低溫儲罐的整體結構

立式低溫儲罐的整體結構及實體模型如圖1所示.

圖1 立式低溫儲罐的整體結構及實體模型

儲罐總高為13.818 m，外筒外徑為3 m，厚度為9.4742 mm，材料為Q235-B;內筒體外徑為2.5 m，厚度為9.35 mm，材料為 1.430 1(歐盟鋼材牌號);內筒體和外筒體由16徑向拉帶(上下各8個均勻分布在內筒體封頭上)和4個沿著內外筒夾套之間周向均勻分布的軸向拉帶連接.

徑向拉帶的寬度為101.6 mm，厚度為12.7 mm，材料為0Cr18Ni9［5］;軸向拉帶寬度為 120 mm，厚度為19 mm，材料為0Cr18Ni9;為保證外筒體的穩定性［6］，沿著外筒體軸向設有5個均勻分布的加強圈［7］;整體結構由四個支腿支撐.

2 有限元分析

2.1 有限元幾何模型建立

本文采用三維實體模型軟件［8］creo1.0建立立式低溫儲罐實體模型，應用有限元分析軟件workbench進行有限元分析［9］.由于該總體結構用實體建模，同時還具有薄殼體征，因此采用solidshell單元進行網格劃分和結構分析.

為了對比起見，文中分析了兩種不同結構形式的立式低溫儲罐，分別為不考慮徑向拉帶壓縮失穩結構和考慮徑向拉帶壓縮失穩結構.

2.2 徑向拉帶壓縮失穩實驗

壓縮失穩［10］即薄板在壓縮變形過程，失去了保持其原來平面形狀的能力而產生彎曲隆起的現象.壓縮失穩的根本原因是壓應力的存在和彎曲(有的伴隨著扭轉)的出現.壓縮失穩的特征，以無限制的繼續彎曲(或加上扭轉)來說明.由此可以看出，當結構受地震載荷時有些徑向拉帶可能會產生失穩，失穩之后的徑向拉帶失去了原來的作用，嚴重時可能會影響軟件分析結果，導致應力不真實性使結構失效.所以在考慮徑向拉帶壓縮失穩結構中，要先進行拉壓測試，經過測試結果，得出上下封頭上各5個拉帶受壓，即去掉這10個徑向拉帶.

2.3 理論驗證

對于細長受壓桿件，當壓力較小時，構件能保持原有的直線平衡狀態;若壓力增大到某一數值時，構件會突然變彎，使結構不能正常工作，這種現象稱為喪失穩定［11］.

壓桿類型判定依據見表1.

表1 壓桿判定依據

其中:

E表示材料彈性模量(不銹鋼為2×105MPa);λ表示壓桿柔度;a，b表示直線經驗公式系數;σs表示材料的屈服強度;σp表示材料的比例極限(不銹鋼為30.1);μ表示壓桿的長度因數(見表2);

表2 壓桿的長度因數μ

在本文中，徑向拉桿形狀及與內外筒體連接位置如圖2所示.

圖2 徑向拉桿形狀及與內外筒體連接位置

其簡化情況如圖3所示，其中徑向拉桿長l為 998.65 mm，寬 h 為 101.6 mm，厚度 s為12.7 mm.

圖3 徑向拉桿簡化圖

通過計算得:

柔度極限:從保守的角度來看，本計算中選擇第一種情況下的慣性矩，即選取I(1)來計算慣性半徑.

根據表1可知，該壓桿為大柔度壓桿，所以根據歐拉公式得:

根據圖2徑向拉桿形狀及與內外筒體連接位置將徑向拉桿受力情況簡化成如圖4所示.已知內筒受力 F內=4.983×105N，外筒 F外=1.3282×105N，即合力.

圖4 徑向拉桿受力簡圖

由受力方向可知，受力為 F1，F2，F3，F4，F5的桿件為受壓桿件，經給出的數據計算可得:

所以在計算過程中，考慮壓桿失穩的影響，將受力為 F1，F2，F3，F4，F5的桿件去掉.通過該理論計算結果驗證了上述拉壓測試的正確性，可以用該簡化方法進行下一步的模擬計算.

2.4 載荷與邊界條件

外筒體加外壓 0.1 MPa，垂直地震力［12］1 070 327.4 N，水平地震力631374.9 N.邊界條件是在儲罐的4個支腿處加全約束.加載形式如圖5所示.

圖5 兩種結構加載方式

2.5 結果分析

由于圖5的加載方式主要就是校核徑向拉帶與外筒體連接部位的應力，所以圖6給出了兩種結構外筒體的等效應力分布.

圖6 兩種結構的等效應力分布

不考慮徑向拉帶壓縮失穩結構的等效應力為121.79 MPa，考慮徑向拉帶壓縮失穩結構的等效應力為141.4 MPa，壓縮失穩影響因素達到16%，此數值超過了允許范圍(即5%以內).因此可以得出此種簡化考慮的正確性，對于儲罐實體結構分析考慮壓縮失穩是十分重要的.

3 結 論

本文在分析儲罐實體模型的基礎上得出了一種新的簡化分析方法，突出了壓縮失穩在這類立式低溫儲罐結構分析中對其結果的影響，同時表明了三維實體軟件中實體模型導入有限元分析軟件的可行性，此種簡化方法不僅使分析結果更趨于實際情況，也更能確定得出的等效應力能夠滿足結構的強度要求.

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