卞学吉;王茂廷;张亚彬;王朝鹏
【摘 要】以大型立式圆筒型储罐为研究对象,采用简化建模研究大型储罐的结构应力,应用有限元软件ANSYS,对罐体、地基和基础建立三维有限元模型.在结构静力的分析中,把储液等效成梯度压力,罐体与地基之间的相互作用采用了接触面的方式,得到了罐体、地基和基础的应力和位移情况.%This paper takes the large vertical storage tank as object of study. and uses finite element analysis software ANSYS to establish 3d finite element models of storage tank, foundation and base. In the static structure analysis, the liquid and the surface between the storage tank and foundation are used as pressure gradient and contact surface to obtain stress and displacement of the tank body, foundation and base. 【期刊名称】《机械制造与自动化》
【年(卷),期】2017(046)004
【总页数】5页(P62-65,88)
【关键词】大型储罐;结构应力;ANSYS软件
【作 者】卞学吉;王茂廷;张亚彬;王朝鹏
【作者单位】辽宁石油化工大学,辽宁 抚顺113001;辽宁石油化工大学,辽宁 抚顺113001;辽宁石油化工大学,辽宁 抚顺113001;辽宁石油化工大学,辽宁 抚顺113001
【正文语种】中 文
低乳糖【中图分类】TH123+.4
目前大型立式储罐抗震研究采用的主要手段有：小型震动台上的实验研究、数值模拟和理论分析。有限元应用软件配合强大的计算机处理能力，无疑在研究大型立式储罐固有特性、响应及屈曲破坏方面有相当大的推动作用。应用有限元软件进行计算机建模求解，辅助工程实际对大型立式储罐进行研究已变成一种非常有效的方式。这种方式具有经济、灵活、可操作性等优势，将大大加快问题的解决速度，有事半功倍的效果。在大型储油罐的设计建造中，结构应力、抗风、抗震等性能是必须考虑的关键因素[1]。随着储罐容积的不断大型化，壁厚与内径的比值越来越小，储罐安全问题也越来越突出，所以大型立式储罐
的安全研究工作不容忽视。
用有限元分析法对大型储罐的应力应变进行计算分析。现以某油库罐区的10×104m3的外浮顶原油罐为例进行有限元建模及应力应变计算分析。
1) 储罐的结构条件：储罐内径80m，罐壁高度21.97m，罐壁壁板分为9层，从下到上的壁板厚度分别为32mm、29mm、22mm、19mm、15mm、12mm、12mm、12mm、12mm。罐底边缘板厚度和宽度分别为 20mm、2 000mm。罐壁板和边缘板材质均为SPV490Q。罐壁基础采用钢筋混凝土环梁和环梁内的砂垫层。有限元模型基础和地基的数值均取实际平均值，具体参数见表1-表3。
论我国经济的三元结构
2) 本文涉及到的荷载有表面荷载、重力荷载和DOF约束[2]，按储罐在盛水实验条件进行有限元分析计算，载荷力：罐体自重、充水 20.2m时的静水压。水的静压力对罐壁呈三角形分布，水的密度ρ=1 000kg/m3，ρg=9 810N/m3，罐底部的静压力为 P=ρgh=0.197 96MPa。
3) 边界条件：圆筒型立式储罐是轴对称结构，所以承载状态也为轴对称。罐体选用 8 节点
的壳shell93单元，以储罐体的1/10即在0°～36°范围进行建模[3]。模型的边界条件为在罐体的 0°和 36°的面和线上施加对称边界条件。基础外部建有环形刚性混凝土环墙，底板与基础之间的相互作用采用接触面单元来模拟。混凝土环墙和地基都选用8节点的实体solid45单元，基础砂垫层模型和混凝土环梁模型的表面除和罐底板有边界约束外没有其他约束。地基模型的下表面认为是由坚硬的岩石或硬土支撑的，相对来说比较结实和稳定。所以假设地基模型的下表面施加全方位的约束。 4) 地基荷载的处理。地基所受2种应力的作用即自重应力和附加应力，这2种应力分别是由土体自重和外载荷引起的。本文在模型中施加z轴正方向的重力加速度。在基础与地基的模型上表面，在基础和储罐的接触面上施加相当于罐自重和水压当量的均布荷载，来计算分析基础和地基的受力变形情况。
5) 本文采用了面与面的接触方式，选择targe170单元与conta174单元搭配使用。以基础砂垫层和混凝土环梁作为目标面，罐底板表面作为接触面。
图1、图2分别是储罐、地基与基础部分的模型。
储罐、罐基础和地基部分模型划分网格后，如图3、图4所示。
a) 位移分析
图5-图8分别为储液罐的径向位移、环向位移、轴向位移和总位移图。
从总位移图可以看出位移最大的区域出现在罐壁上，为93.738mm。从径向位移图中可以看出储罐罐壁沿径向方向出现了大面积不同程度的位移，最大值出现在罐壁的中上部和罐壁最上沿，其最大值为93.382mm和91.655mm。这说明在罐的中部和顶部需要设置加强圈，来有效地控制这部分的形变，和实际的情况相符合[4]。从环向位移图中可以看出环向方向罐壁的位移很小，对储罐的整体位移几乎没有影响。从轴向位移图(图9)中可以看出罐壁在罐底处有被提起的的现象，上提的最大高度为16.049mm。
储罐的整体沉降可由基础与地基的轴向位移图来观察，地基整体沉降高度在 164.193mm～297.03mm，峰值出现在罐底中心处。国内的标准规定浮顶罐当储罐底圈内直径D在80m～100m之间时，沉降差允许值为0.003D，也就是对于内径80m的罐，沉降差值不大于240mm，基本符合实际的工程需求。
b) 应力分析
数字示波器设计
储罐的应力强度如图10，从图中可以看出应力强度最大值区域分布在储罐底贴近底圈罐壁板处[5]，最大值为615.43MPa。在最大值出现区域附近罐底板所受的应力值也非常大，与最大值相差不多。
1) 罐底板部分
从罐底板表面应力分量分布图(图11)上可以看出，罐底板上的径向应力 SX 远比环向应力 SY 和轴向应力 SZ 大，其最大值即 SXmax=615.21MPa，位置在罐底板靠近最下层壁板处。在罐壁的底部应力较大，应力较大区域在底板上距罐壁0～2 000mm处，3个方向的应力在这个区域内变化的相当激烈，但略向底板中心方向移动，其个应力分量值快速地减小。由图12可以判断罐底板受到的主要应力为径向弯曲应力，罐底边缘板有上浮现象。
线圈骨架2) 罐壁部分
从罐壁板表面应力分量分布图(图13)可以看出，罐壁表面靠近底板的轴向应力SZ 远比环向应力SY和径向应力SX大，其最大峰值和最小峰值分别为SZmax=171.745MPa 和-174.231MPa，该区域在第一圈壁板的中间往下的部分，区域比较小。从第一层壁板的高度再往上，轴向应力就迅速地衰减[6]，如图14所示。
罐壁内表面的径向应力SX 很小。在距罐底表面2 000mm附近环向应力 SY逐渐变为主应力，但当超过 3 000mm以后，环向应力变化趋于稳定，其值在210MPa和240MPa之间，并占主导地位。如图15所示。明堂人形图
在总应力分布图中，应力强度最大值为 615.43MPa，储罐此处的材料为SPV490Q，SPV490Q的设计应力强度Sm=244MPa，615.43MPa<3Sm，3Sm为应力强度的许用极限，此处符合安全的要求。
大型储罐容量越大，径高比就越大，当内部装入储液时，荷载情况就属于典型的大面积圆形均布荷载[7]。具体情况如下。
从轴向应力图16中可以看出：竖向应力最大值出现在底板边缘附近，值为-0.201 966MPa。在罐体正下方区域内竖向应力值较其他区域的值要大，但在罐体正下方区域的竖向应力随着基础深度的增加有明显的减小，其他区域则变化不明显。在同一深度处(除罐底板与地基的接触面)，地基圆心处的竖向应力都大于底板边缘处地基的竖向应力[8]。
唯美主义运动从径向应力图17中可以看出：径向应力随地基深度增加迅速减小，地基径向应力影响的区域较浅，大约在地表到下方 20m的区域内，在这个区域内地基土有可能发生侧向变形。
从剪应力图18中可以看出：地基的剪应力最大值出现在底板边缘附近，值为0.663 71MPa。地基的剪应力沿地基深度方向衰减比较快，同一深度处，底板中心处的剪应力值相比边缘板附近的要小。罐底边缘板附近的地基土沿深度方向有可能被剪切损坏。
通过数值和图形的分析来看，模型基本符合实际情况，建模的方法和边界条件可行，同时得出以下结论[9]：
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