超大型儲罐罐體及大角焊縫應力分析軟件開發(fā)

白海永　方永利　黃志新

摘 要：容量較大的儲罐一般為立式圓筒形儲罐，當其容積超過10萬立方米時，習慣上稱為超大型儲罐。超大型儲罐罐體應力水平及大角焊縫的應力水平是影響超大型儲罐安全的重要因素之一。文章采用ANSYS APDL語言，以超大型儲罐罐體及大角焊縫為對象，實現了參數化建模、施加參數化載荷與求解以及參數化后處理結果的顯示，從而實現參數化有限元分析的全過程。然后采用Mirosoft Excel界面輸入數據，并利用Mirosoft Excel VBA語言將APDL所需要的參數信息輸出，進行了超大型儲罐罐體及大角焊縫應力分析軟件的二次開發(fā)，從而大大簡化有限元分析處理的過程。在軟件中只要輸入相應的幾何設計參數、材料參數、載荷參數等輸入參數，就可以方便地進行罐體及大角焊縫的應力分析。軟件可以對15萬至20萬立方米的超大型儲罐罐體及大角焊縫進行參數化分析，可以計算 GB50341-2003《立式圓筒形鋼制焊接油罐設計規(guī)范》中所規(guī)定的罐體自重、液體靜壓力、風載荷以及地震載荷等載荷作用下的應力和變形分布情況。

關鍵詞：大型儲罐；大角焊縫；罐體；應力分析；軟件開發(fā)

大型石油儲備設施成為有效快速降低石油儲備成本的主要發(fā)展趨勢。隨著我國石油工業(yè)的發(fā)展以及國家原油戰(zhàn)略儲備庫項目的實施，儲罐的大型化將成為發(fā)展的必然趨勢[1-2]。而容量較大的儲罐一般為立式圓筒形儲罐，當其容積超過10萬立方米時，習慣上稱為超大型儲罐。近年來，隨著國民經濟的飛速發(fā)展和國家原油戰(zhàn)略儲備庫項目的實施，大型儲罐的數量逐年迅速增加，因此，盡快提高超大型儲罐的設計和建造水平就成為當前最重要的。國內外對于超大型儲罐研究較多，主要表現在常規(guī)大型儲罐設計和有限元仿真計算。常用的設計方法可分為常規(guī)設計方法和分析設計方法。“分析設計方法”是根據壓力容器結構的不同失效形式進行應力分類，將分類后的應力按相應的應力強度準則加以限制，以設計出安全可靠、經濟的壓力容器[3-4]。

應力分析表明，超大型儲罐的大角焊縫區(qū)域是儲罐最危險的區(qū)域之一，國內外的大型儲罐由于大角焊縫處發(fā)生脆裂的事故偶有發(fā)生。究其原因，主要是由于大角焊縫處應力值高，且材料為低合金高強度鋼板，內部缺陷易于擴展，造成脆性斷裂破壞或低周疲勞破壞。因此，詳細了解大角焊縫處的應力分布，如何有效降低大角焊縫處的應力水平就變得十分重要[5]。但是由于目前超大型儲罐的分析設計方法所采用的有限元軟件是通用軟件，不具備針對超大型儲罐的專業(yè)性分析功能，復雜的英文界面和繁瑣的分析步驟又給從事分析設計的技術人員造成了很大的障礙。另外，雖然有限元軟件具有較強大的前、后處理功能，但使用者必須具有一定的力學基礎和豐富的分析經驗，在幾何建模和力學簡化等方面需要花費很多時間和精力。為此本文進行了基于有限元軟件的集成開發(fā)，使開發(fā)出的超大型儲罐罐體及大角焊縫應力分析軟件充分體現專業(yè)化、用戶化、便捷化的特點，大大縮短了超大型儲罐罐體及大角焊縫進行分析設計的時間。

1 軟件開發(fā)方法

本文采用了ANSYS APDL語言，以超大型儲罐罐體及大角焊縫為對象，實現了參數化建模、施加參數化載荷與求解以及參數化后處理結果的顯示，從而實現參數化有限元分析的全過程。ANSYS APDL即ANSYS參數化設計語言（ANSYS Parametric Design Language），它是一種解釋性語言，可以利用參數創(chuàng)建模型，并自動實現分析任務。APDL允許復雜的數據輸入，使用戶對任何設計或分析屬性有控制權（例如：幾何尺寸、材料、邊界條件和網格密度等），擴展了傳統(tǒng)有限元分析范圍以外的能力，并擴充了更高級運算（包括參數化建模、設計優(yōu)化等），為用戶控制任何復雜計算的過程提供了極大的方便。利用APDL的程序語言與宏技術組織管理ANSYS的有限元分析命令，就可以實現參數化建模、參數化的網格劃分與控制、參數化的材料定義、參數化載荷和邊界條件定義、參數化的分析控制和求解以及參數化后處理結果的顯示，從而實現參數化有限元分析的全過程。在參數化的分析過程中可以修改其中的參數達到反復分析各種尺寸、不同載荷大小的多種設計方案，極大地提高了分析效率，減少了分析成本。

然后采用Mirosoft Excel界面輸入數據，并利用Mirosoft Excel VBA語言將APDL所需要的參數信息輸出，進行了超大型儲罐罐體及大角焊縫應力分析軟件的開發(fā)。Visual Basic for Applications（簡稱VBA）是新一代標準宏語言，是基于Visual Basic for Windows 發(fā)展而來的，主要能用來擴展Windows的應用程式功能，特別是Microsoft Office軟件。VBA 提供了面向對象的程序設計方法，提供了相當完整的程序設計語言。

2 軟件開發(fā)的理論基礎

所開發(fā)的分析軟件對超大型儲罐的強度及穩(wěn)定性進行分析，分析主要涉及以下內容：（1）建立軸對稱模型，進行大角焊縫應力分析。（2）建立罐體整體模型，進行罐體強度及穩(wěn)定性分析。

分析計算中，符合JB4732-2005《鋼制壓力容器-分析設計標準》和GB50341-2003《立式圓筒形鋼制焊接油罐設計規(guī)范》等國家相關標準規(guī)范的規(guī)定[6-7]。

2.1 基于軸對稱模型的大角焊縫應力分析

大角焊縫強度分析中，罐壁、抗風圈、加強圈、罐底、地基均采用PLANE183單元劃分。接觸面采用TARGE169單元和CONTA172單元劃分。

為節(jié)省計算時間及計算成本，根據罐體結構及載荷的特點，對罐體結構進行了簡化。大角焊縫應力分析中設備結構采用軸對稱形式；載荷有重力、液壓，均為軸對稱形式。因此強度分析各工況采用軸對稱平面模型。夯土層與混凝土環(huán)梁彈性模量較小，而且厚度較大，忽略土壤層對儲罐的變形量及應力水平影響較小。故模型中將土壤層忽略，夯土層與混凝土環(huán)梁全部建出。同時夯土層與混凝土環(huán)梁處于受壓狀態(tài)，兩者緊密連接，不會分離，因此模型中將兩者視為一體。模型如圖1所示。

在大角焊縫強度分析中，地震載荷和風載荷不是軸對稱的，因此無法施加，只可考慮罐內壁和底板的液壓載荷和罐體自重載荷。對于工作條件下的強度分析，液壓采用儲液壓力；而對于水壓試驗條件下的強度分析，液壓采用水壓試驗壓力。液壓分布如圖2所示。

強度分析中，假定夯土下表面位移為零。設備放置于地面，與地面之間無任何固定措施。兩者之間的摩擦力不會使兩者產生相對運動。因此在有限元建模過程中在地基底端添加全約束，并在罐底與地基之間添加接觸。另外在大角焊縫處，罐壁通過焊縫與罐底連接，焊縫未完全焊透。因此有限元建模過程中認為罐壁與罐底連接處（兩焊縫中間部位）添加接觸。

軸對稱模型強度分析中約束條件如圖3所示。

2.2 整體模型的罐體強度及穩(wěn)定性分析

對于罐體強度及穩(wěn)定性分析，罐壁、加強圈、抗風圈均采用SHELL181單元劃分。有限元網格模型如圖4所示。

對于罐體強度及穩(wěn)定性分析，強度分析考慮風載荷和地震載荷，同時為保證失穩(wěn)時波形的完整性，采用360°全模型。由于載荷只會引起罐壁失穩(wěn)，罐底對罐壁有加強作用，因此建模時忽略罐底以及地基，認為罐底處罐壁位移為零。因設備罐壁、罐底、抗風圈、加強圈等結構均具有薄殼幾何特征，因此采用殼單元建模。

對于罐體強度及穩(wěn)定性分析，并考慮到罐底對罐壁加強作用，因此在罐壁底端添加全約束。并忽略地基與罐底。

均布外壓載荷及約束形式如圖5所示。

罐體采用殼單元建立模型，因此無法進行應力線性化，因此可采用殼單元的中面應力數值代替薄膜應力，采用殼單元的頂面或底面應力數值代替薄膜加彎曲應力。

2.3 強度校核方法

按照JB4732-2005《鋼制壓力容器-分析設計標準》（2005年確認）的規(guī)定，強度校核采用最大剪應力理論，應力強度規(guī)定為最大剪應力的二倍，即

為提取各處薄膜應力以及薄膜加彎曲應力，需對計算結果進行應力線性化處理，在結果提取處設置路徑，以便結果提取。由于大角焊縫處應力最大，軟件自動在大角焊縫處設置4條路徑，如圖6所示。

程序會自動提取各處薄膜應力以及薄膜加彎曲應力，4條路徑結果自動保存于ANSYS工作路徑下，設計人員只需讀取數值進行校核即可。

3 軟件界面與軟件使用方法

超大型儲罐應力分析軟件的主界面為Excel文件界面，如圖7所示，其中包括罐體分析、大角焊縫分析。

在軟件界面中輸入相應的設計參數，綠色單元格為數據輸入位置。當設計參數輸入完畢后，點擊“確定輸入完成”按鈕，軟件彈出輸出成果消息框，自動把設計參數寫入命令文件夾。然后將文件夾中所有txt文件復制到ANSYS工作目錄下，在ANSYS軟件中的選擇所生成的文本文件，即可完成大角焊縫分析和罐體分析。

4 結論

本文采用ANSYS APDL語言，并結合Mirosoft Excel VBA語言，進行了超大型儲罐罐體及大角焊縫應力分析軟件的開發(fā)。所開發(fā)出的軟件具有專業(yè)化、便捷化的特點，簡化了分析流程，大大縮短了分析設計的周期時間。

（1）通過建立的軸對稱模型和罐體整體模型，只要輸入相應的幾何設計參數、材料參數、載荷參數等輸入參數，可以對15萬至20萬立方米的超大型儲罐罐體及大角焊縫進行參數化分析。

（2）軟件內置了GB50341-2003《立式圓筒形鋼制焊接油罐設計規(guī)范》中所規(guī)定的罐體自重、液體靜壓力、風載荷以及地震載荷等載荷作用，通過有限元軟件計算后，程序可以自動提取關鍵位置的應力，并基于JB4732-2005《鋼制壓力容器-分析設計標準》進行校核。

參考文獻

[1]潘家華.中國的能源問題和國家石油儲備[J].油氣儲運，2004，23（12）：1-3.

[2]惠虎，宋虎堂，吳云龍，李培寧.大型原油儲罐的有限元強度分析[J].油氣儲運，2004，23（12）：21-25.

[3]潘家華.超大型浮頂儲罐多體力學分析與結構強度研究[D].大慶：東北石油大學，2010.

[4]湛盧炳.大型儲罐設計[M].上海科學技術出版社，1989.

[5]傅強，陳志平，鄭津洋.彈性基礎上大型石油儲罐的應力分析[J].化工機械，2002，29（4）：210-213.

[6]GB50341-2003.立式圓筒形鋼制焊接油罐設計規(guī)范[S].2004.

[7]JB4732-2005.鋼制壓力容器-分析設計標準[S].北京：全國壓力容器標準化技術委員會，2005.

作者簡介：白海永（1978-），男，工程師（容器所所長），從事壓力容器的設計開發(fā)工作。

在大角焊縫強度分析中，地震載荷和風載荷不是軸對稱的，因此無法施加，只可考慮罐內壁和底板的液壓載荷和罐體自重載荷。對于工作條件下的強度分析，液壓采用儲液壓力；而對于水壓試驗條件下的強度分析，液壓采用水壓試驗壓力。液壓分布如圖2所示。

強度分析中，假定夯土下表面位移為零。設備放置于地面，與地面之間無任何固定措施。兩者之間的摩擦力不會使兩者產生相對運動。因此在有限元建模過程中在地基底端添加全約束，并在罐底與地基之間添加接觸。另外在大角焊縫處，罐壁通過焊縫與罐底連接，焊縫未完全焊透。因此有限元建模過程中認為罐壁與罐底連接處（兩焊縫中間部位）添加接觸。

軸對稱模型強度分析中約束條件如圖3所示。

2.2 整體模型的罐體強度及穩(wěn)定性分析

對于罐體強度及穩(wěn)定性分析，罐壁、加強圈、抗風圈均采用SHELL181單元劃分。有限元網格模型如圖4所示。

對于罐體強度及穩(wěn)定性分析，強度分析考慮風載荷和地震載荷，同時為保證失穩(wěn)時波形的完整性，采用360°全模型。由于載荷只會引起罐壁失穩(wěn)，罐底對罐壁有加強作用，因此建模時忽略罐底以及地基，認為罐底處罐壁位移為零。因設備罐壁、罐底、抗風圈、加強圈等結構均具有薄殼幾何特征，因此采用殼單元建模。

對于罐體強度及穩(wěn)定性分析，并考慮到罐底對罐壁加強作用，因此在罐壁底端添加全約束。并忽略地基與罐底。

均布外壓載荷及約束形式如圖5所示。

罐體采用殼單元建立模型，因此無法進行應力線性化，因此可采用殼單元的中面應力數值代替薄膜應力，采用殼單元的頂面或底面應力數值代替薄膜加彎曲應力。

2.3 強度校核方法

按照JB4732-2005《鋼制壓力容器-分析設計標準》（2005年確認）的規(guī)定，強度校核采用最大剪應力理論，應力強度規(guī)定為最大剪應力的二倍，即

為提取各處薄膜應力以及薄膜加彎曲應力，需對計算結果進行應力線性化處理，在結果提取處設置路徑，以便結果提取。由于大角焊縫處應力最大，軟件自動在大角焊縫處設置4條路徑，如圖6所示。

程序會自動提取各處薄膜應力以及薄膜加彎曲應力，4條路徑結果自動保存于ANSYS工作路徑下，設計人員只需讀取數值進行校核即可。

3 軟件界面與軟件使用方法

超大型儲罐應力分析軟件的主界面為Excel文件界面，如圖7所示，其中包括罐體分析、大角焊縫分析。

在軟件界面中輸入相應的設計參數，綠色單元格為數據輸入位置。當設計參數輸入完畢后，點擊“確定輸入完成”按鈕，軟件彈出輸出成果消息框，自動把設計參數寫入命令文件夾。然后將文件夾中所有txt文件復制到ANSYS工作目錄下，在ANSYS軟件中的選擇所生成的文本文件，即可完成大角焊縫分析和罐體分析。

4 結論

本文采用ANSYS APDL語言，并結合Mirosoft Excel VBA語言，進行了超大型儲罐罐體及大角焊縫應力分析軟件的開發(fā)。所開發(fā)出的軟件具有專業(yè)化、便捷化的特點，簡化了分析流程，大大縮短了分析設計的周期時間。

（1）通過建立的軸對稱模型和罐體整體模型，只要輸入相應的幾何設計參數、材料參數、載荷參數等輸入參數，可以對15萬至20萬立方米的超大型儲罐罐體及大角焊縫進行參數化分析。

（2）軟件內置了GB50341-2003《立式圓筒形鋼制焊接油罐設計規(guī)范》中所規(guī)定的罐體自重、液體靜壓力、風載荷以及地震載荷等載荷作用，通過有限元軟件計算后，程序可以自動提取關鍵位置的應力，并基于JB4732-2005《鋼制壓力容器-分析設計標準》進行校核。

參考文獻

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[2]惠虎，宋虎堂，吳云龍，李培寧.大型原油儲罐的有限元強度分析[J].油氣儲運，2004，23（12）：21-25.

[3]潘家華.超大型浮頂儲罐多體力學分析與結構強度研究[D].大慶：東北石油大學，2010.

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[6]GB50341-2003.立式圓筒形鋼制焊接油罐設計規(guī)范[S].2004.

[7]JB4732-2005.鋼制壓力容器-分析設計標準[S].北京：全國壓力容器標準化技術委員會，2005.

作者簡介：白海永（1978-），男，工程師（容器所所長），從事壓力容器的設計開發(fā)工作。

在大角焊縫強度分析中，地震載荷和風載荷不是軸對稱的，因此無法施加，只可考慮罐內壁和底板的液壓載荷和罐體自重載荷。對于工作條件下的強度分析，液壓采用儲液壓力；而對于水壓試驗條件下的強度分析，液壓采用水壓試驗壓力。液壓分布如圖2所示。

強度分析中，假定夯土下表面位移為零。設備放置于地面，與地面之間無任何固定措施。兩者之間的摩擦力不會使兩者產生相對運動。因此在有限元建模過程中在地基底端添加全約束，并在罐底與地基之間添加接觸。另外在大角焊縫處，罐壁通過焊縫與罐底連接，焊縫未完全焊透。因此有限元建模過程中認為罐壁與罐底連接處（兩焊縫中間部位）添加接觸。

軸對稱模型強度分析中約束條件如圖3所示。

2.2 整體模型的罐體強度及穩(wěn)定性分析

對于罐體強度及穩(wěn)定性分析，罐壁、加強圈、抗風圈均采用SHELL181單元劃分。有限元網格模型如圖4所示。

對于罐體強度及穩(wěn)定性分析，強度分析考慮風載荷和地震載荷，同時為保證失穩(wěn)時波形的完整性，采用360°全模型。由于載荷只會引起罐壁失穩(wěn)，罐底對罐壁有加強作用，因此建模時忽略罐底以及地基，認為罐底處罐壁位移為零。因設備罐壁、罐底、抗風圈、加強圈等結構均具有薄殼幾何特征，因此采用殼單元建模。

對于罐體強度及穩(wěn)定性分析，并考慮到罐底對罐壁加強作用，因此在罐壁底端添加全約束。并忽略地基與罐底。

均布外壓載荷及約束形式如圖5所示。

罐體采用殼單元建立模型，因此無法進行應力線性化，因此可采用殼單元的中面應力數值代替薄膜應力，采用殼單元的頂面或底面應力數值代替薄膜加彎曲應力。

2.3 強度校核方法

按照JB4732-2005《鋼制壓力容器-分析設計標準》（2005年確認）的規(guī)定，強度校核采用最大剪應力理論，應力強度規(guī)定為最大剪應力的二倍，即

為提取各處薄膜應力以及薄膜加彎曲應力，需對計算結果進行應力線性化處理，在結果提取處設置路徑，以便結果提取。由于大角焊縫處應力最大，軟件自動在大角焊縫處設置4條路徑，如圖6所示。

程序會自動提取各處薄膜應力以及薄膜加彎曲應力，4條路徑結果自動保存于ANSYS工作路徑下，設計人員只需讀取數值進行校核即可。

3 軟件界面與軟件使用方法

超大型儲罐應力分析軟件的主界面為Excel文件界面，如圖7所示，其中包括罐體分析、大角焊縫分析。

在軟件界面中輸入相應的設計參數，綠色單元格為數據輸入位置。當設計參數輸入完畢后，點擊“確定輸入完成”按鈕，軟件彈出輸出成果消息框，自動把設計參數寫入命令文件夾。然后將文件夾中所有txt文件復制到ANSYS工作目錄下，在ANSYS軟件中的選擇所生成的文本文件，即可完成大角焊縫分析和罐體分析。

4 結論

本文采用ANSYS APDL語言，并結合Mirosoft Excel VBA語言，進行了超大型儲罐罐體及大角焊縫應力分析軟件的開發(fā)。所開發(fā)出的軟件具有專業(yè)化、便捷化的特點，簡化了分析流程，大大縮短了分析設計的周期時間。

（1）通過建立的軸對稱模型和罐體整體模型，只要輸入相應的幾何設計參數、材料參數、載荷參數等輸入參數，可以對15萬至20萬立方米的超大型儲罐罐體及大角焊縫進行參數化分析。

（2）軟件內置了GB50341-2003《立式圓筒形鋼制焊接油罐設計規(guī)范》中所規(guī)定的罐體自重、液體靜壓力、風載荷以及地震載荷等載荷作用，通過有限元軟件計算后，程序可以自動提取關鍵位置的應力，并基于JB4732-2005《鋼制壓力容器-分析設計標準》進行校核。

參考文獻

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[2]惠虎，宋虎堂，吳云龍，李培寧.大型原油儲罐的有限元強度分析[J].油氣儲運，2004，23（12）：21-25.

[3]潘家華.超大型浮頂儲罐多體力學分析與結構強度研究[D].大慶：東北石油大學，2010.

[4]湛盧炳.大型儲罐設計[M].上海科學技術出版社，1989.

[5]傅強，陳志平，鄭津洋.彈性基礎上大型石油儲罐的應力分析[J].化工機械，2002，29（4）：210-213.

[6]GB50341-2003.立式圓筒形鋼制焊接油罐設計規(guī)范[S].2004.

[7]JB4732-2005.鋼制壓力容器-分析設計標準[S].北京：全國壓力容器標準化技術委員會，2005.

作者簡介：白海永（1978-），男，工程師（容器所所長），從事壓力容器的設計開發(fā)工作。