淺談地震載荷條件下大型LNG儲罐分析軟件的設(shè)計與開發(fā)

夏夢瑩，陳團(tuán)海，肖立，彭延建，楊帆，劉洋

（中海石油氣電集團(tuán)有限責(zé)任公司，北京 100028）

超大容積化已經(jīng)成為LNG儲罐未來發(fā)展的一個重要趨勢，超大容積儲罐的研發(fā)成功將大大降低單位容積儲罐的工程造價。中海石油氣電集團(tuán)有限責(zé)任公司在多年的超大容積LNG全容儲罐設(shè)計建造研究過程中，有限元分析是大型LNG儲罐地震強(qiáng)度設(shè)計的重要工具，在目前的設(shè)計中，主要采用國外某大型商業(yè)有限元軟件進(jìn)行分析，本研究旨在基于國產(chǎn)化Simdroid基礎(chǔ)軟件平臺開發(fā)一套國產(chǎn)有限元軟件，該國產(chǎn)軟件首先能夠替代國外商業(yè)軟件在地震載荷條件下大型LNG儲罐設(shè)計中的全部功能，同時又要具有針對性，針對大型LNG儲罐設(shè)計中涉及的有限元模擬單元類型、求解類型及設(shè)計結(jié)果類型進(jìn)行定制化開發(fā)。最終實現(xiàn)一系列面向地震載荷作用下LNG儲罐的仿真分析專用模塊，以提高LNG儲罐設(shè)計工作效率。

1 軟件框架設(shè)計

大型LNG儲罐有限元軟件整體功能框架如圖1所示，該系統(tǒng)從功能上劃分為定制化模塊、通用平臺和后臺數(shù)據(jù)三部分。

圖1 軟件框架設(shè)計

定制化模塊是在Simdroid軟件完成LNG儲罐各分析計算工程測試的基礎(chǔ)上，定制開發(fā)的一系列專用功能模塊。

其中熱分析主要包括：（1）熱分析參數(shù)化建模：根據(jù)溫度場分析的需要，在Simdroid熱分析環(huán)境定制開發(fā)的參數(shù)化建模模塊，用這些模塊用戶可以快速建立熱分析有限元模型；（2）溫度工況載荷加載：根據(jù)溫度場分析的需要，在Simdroid熱分析環(huán)境定制開發(fā)的載荷施加模塊，用這些模塊用戶可以快速進(jìn)行熱分析邊界載荷的施加，針對的工況包括正常溫度工況、泄漏工況和火災(zāi)工況；（3）溫度結(jié)果后處理：針對整罐溫度場分析的共性結(jié)果提供的快速查看溫度分布等后處理結(jié)果的功能。

地震結(jié)構(gòu)分析部分主要包括：（1）結(jié)構(gòu)分析參數(shù)化建模：根據(jù)結(jié)構(gòu)分析的需要，在Simdroid結(jié)構(gòu)分析環(huán)境定制開發(fā)的參數(shù)化建模模塊，用這些模塊用戶可以快速建立結(jié)構(gòu)分析有限元模型；（2）結(jié)構(gòu)工況載荷加載：根據(jù)結(jié)構(gòu)分析的需要，在Simdroid結(jié)構(gòu)分析環(huán)境定制開發(fā)的載荷施加模塊，用這些模塊用戶可以快速進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析邊界載荷的施加，針對的工況包括恒載、活載、氣壓、水壓、風(fēng)載、雪載、響應(yīng)譜地震、時程地震、混凝土收縮、沖擊等工況；（3）結(jié)構(gòu)工況結(jié)果后處理：針對結(jié)構(gòu)分析的共性結(jié)果提供的快速查看位移、內(nèi)力、應(yīng)力等后處理結(jié)果的功能。

關(guān)鍵部件校核設(shè)計則是在完成上一步工況組合、結(jié)果數(shù)據(jù)提取的基礎(chǔ)上需要對樁基、承臺、外墻、穹頂、穹頂鋼結(jié)構(gòu)等關(guān)鍵部位按照專業(yè)規(guī)范進(jìn)行校核分析。

在定制化模塊的基礎(chǔ)上，基于Simdroid通用平臺實現(xiàn)地震荷載條件下大型LNG儲罐有限元軟件的開發(fā)，主要用到了Simdroid的前后處理器、熱求解器和結(jié)構(gòu)求解器，這些通用模塊為各專業(yè)模塊提供了基礎(chǔ)功能支撐。

同時，通過后臺數(shù)據(jù)為各定制化模塊提供運行所需的數(shù)據(jù)支撐，包括仿真材料數(shù)據(jù)、型材截面數(shù)據(jù)、各定制化模塊驅(qū)動Simdroid運行的Python腳本等。

2 軟件功能設(shè)計

地震荷載條件下大型LNG儲罐有限元分析軟件基于云道通用仿真平臺軟件Simdroid按照LNG儲罐仿真計算要求定制開發(fā)實現(xiàn)，從應(yīng)用功能上分成工程數(shù)據(jù)庫、溫度分析系統(tǒng)和地震結(jié)構(gòu)分析系統(tǒng)三個子系統(tǒng)（圖2）。工程數(shù)據(jù)庫包括仿真材料庫和型材截面庫，是熱分析和結(jié)構(gòu)分析中都需要用到的數(shù)據(jù)，在熱分析環(huán)境和結(jié)構(gòu)分析環(huán)境中都可使用。溫度分析系統(tǒng)是在Simdroid熱分析環(huán)境中定義開發(fā)的一系列面向LNG儲罐溫度場分析的專用模塊，包括熱模型參數(shù)化建模、載荷施加和結(jié)果后處理一系列模塊。地震結(jié)構(gòu)分析系統(tǒng)是在Simdroid結(jié)構(gòu)分析環(huán)境中定義開發(fā)的一系列面向LNG儲罐結(jié)構(gòu)分析的專用模塊，包括結(jié)構(gòu)模型參數(shù)化建模、載荷施加、結(jié)果后處理及設(shè)計與校核一系列模塊。

圖2 軟件功能設(shè)計

3 軟件平臺

基于建立的軟件平臺可以定制化開展LNG儲罐仿真工況計算，實現(xiàn)包括恒載、活載、預(yù)應(yīng)力載荷、水壓、地震反應(yīng)譜、地震時程等一系列工況載荷的自動加載及求解計算；搭載CAD建模模塊，具備二維建模能力和三維建模能力，且支持全參數(shù)化建模；開發(fā)仿真材料庫和型材截面庫，實現(xiàn)對材料數(shù)據(jù)、截面數(shù)據(jù)的添加、刪除、編輯等功能，材料數(shù)據(jù)和截面數(shù)據(jù)在建模及計算中可被自動引用；定制化開發(fā)溫度工況載荷施加模塊，可針對正常溫度工況、泄漏工況和火災(zāi)工況快速進(jìn)行熱分析邊界荷載的施加；通過工況組合模塊，實現(xiàn)基礎(chǔ)計算工況的結(jié)果組合、包絡(luò)以及在此基礎(chǔ)上的結(jié)果數(shù)據(jù)提取；通過規(guī)范校核模型，實現(xiàn)在獲得結(jié)果數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上按照規(guī)范算法對目標(biāo)部件在地震載荷條件下的安全性進(jìn)行校核計算（圖3）。

圖3 地震載荷條件下大型LNG儲罐分析軟件界面顯示

4 軟件主要特點

針對地震載荷條件下大型LNG儲罐分析軟件，大型LNG儲罐的三維幾何模型采用全參數(shù)的建模方式，自動創(chuàng)新仿真模型，通過修改截面參數(shù)即可實現(xiàn)LNG儲罐三維幾何模型的修改，支持對不同尺寸的LNG儲罐進(jìn)行仿真，分析結(jié)構(gòu)在OBE、SSE地震荷載作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，并支持對不同部件的材料參數(shù)進(jìn)行修改。

分析模型的網(wǎng)格和加載力大小均設(shè)置參數(shù)化接口，可根據(jù)幾何特征尺寸自主確定網(wǎng)格剖分尺寸及網(wǎng)格剖分?jǐn)?shù)。更改阻尼系數(shù)及增量步數(shù)的求解參數(shù)，來滿足不同參數(shù)的仿真需求。

地震載荷條件下，大型LNG儲罐分析軟件采用隱式動力分析計算方法，對LNG儲罐在OBE、SSE地震荷載作用下進(jìn)行分析計算，進(jìn)而獲得LNG儲罐在地震荷載條件下的加速度、位移及應(yīng)力變化，實現(xiàn)整體加速度、位移云圖及部件應(yīng)力位移云圖自動輸出，極大地提高了儲罐工程師的設(shè)計效率。

針對儲罐穹頂這一關(guān)鍵部位設(shè)計時，為準(zhǔn)確計算該結(jié)構(gòu)在雪載荷、設(shè)計正壓、自重載荷工況下的變形與受力狀態(tài)，需要根據(jù)真實儲罐結(jié)構(gòu)，仿真模擬穹頂混凝土結(jié)構(gòu)與包括鋼面板和頂梁框架的穹頂鋼結(jié)構(gòu)，針對這一特殊結(jié)構(gòu)，開發(fā)了自動劃分網(wǎng)格技術(shù)，避免使用CAE軟件進(jìn)行重復(fù)性手動劃分網(wǎng)格，并結(jié)合設(shè)置儲罐穹頂荷載參數(shù)設(shè)置接口，可根據(jù)實際需要自主設(shè)定工況條件，采用通用靜力學(xué)計算方法進(jìn)行穹頂結(jié)構(gòu)受力分析，進(jìn)而獲得位移及應(yīng)力云圖，幫助設(shè)計人員評估各工況變形與受力狀態(tài)，進(jìn)行穹頂結(jié)構(gòu)的設(shè)計優(yōu)化。

5 結(jié)語

針對大型LNG儲罐設(shè)計的復(fù)雜性，針對典型儲罐結(jié)構(gòu)形式與地震載荷極端設(shè)計工況，基于國產(chǎn)化有限元軟件平臺，構(gòu)架地震載荷條件下大型LNG儲罐分析軟件整體框架，設(shè)計了涵蓋熱分析、地震結(jié)構(gòu)分析與后處理輸出的軟件功能模塊，形成了基于數(shù)據(jù)庫的自動校核，進(jìn)一步提高了大型LNG儲罐設(shè)計中分析評價準(zhǔn)確性和效率，為實際儲罐工程的設(shè)計提供有力的幫助。