液化天然气储罐外壳结构模态分析.pdf

李志秋 液化 天然气储罐外壳结 构模 态分析 7 5 液化天然气储罐外壳结构模态分析 李志秋 大庆石化 工程有 限公司 。 黑龙江大庆1 6 3 7 1 4 【 摘要】 针对 目 前 国内外对液化天然气 L N G 储罐振动特性 的研究相对较少这一问题， 本文应用高级 A N S Y S软件开展了 L N G储罐外壳的自振特性模态分析， 建立了 L N G储罐外壳三维有限元模型， 经过扩展模态分 析， 得到了 L N G储罐有限元模型的频率 、 振型及振型的分布特点 ， 为进一步开展 L N G储罐外壳的地震响应分析奠 定良好的基础。 【 关键词】 L N G ； 储罐外壳结构； 自 振特性 【 中图分类号】 T U 3 7 8 ． 7 【 文献标识码】 B 【 文章编号】 1 0 0 1 6 8 6 4 2 0 1 1 0 8 0 0 7 5 0 2 与其它燃料相 比， 液化天然气有着明显的优点， 不但 占 用的空间小， 而且燃烧充分， 因此其消费量 日益增加， 用来储 存液化天然气的储罐 L N G储罐 建造量也逐渐增多， 并有着 向大型化发展的趋势， 目前储罐最大容积可达 2 0 X 1 0 n l ， 储 罐直径可为 1 0 0 m左右。对于这样超大的围护外壁结构， 本 身的造价很高， 而且一旦在强震中发生破坏 ， 将很难修复加 固， 同时破坏时也会产生如液体的泄漏 、 爆炸、 污染等次生灾 害 ， 因此， 开展大型 L N G储罐动力性能的研究成为人们关 注的热点问题之一。本文针对大型的L N G储罐， 应用 A N S Y S 软件 建立了混凝土外壳有限元模型， 通过对有限元模型 开展模态分析 ， 得到了 L N G储罐外壳的自振特性和模态， 为 拟罐壁。本文采用 A N S Y S软件对 L N G储罐外壳进行模拟 ， 采用具有八节点的六面体 S h e l l 6 3弹性壳单元模拟罐壁。 图1 L N G 储罐有限元模型 进一步进行 L N G储罐的抗震设计奠定基础。 本文建立的 L N G储罐有限元模型参数如下 储罐的容 1 储罐外壳有限元模型 积为 1 51 0 m 3 ， 半径为4 0 ． 1 m， 高度为 3 7 ． 2 1 m， 壁板厚为 由于罐壁厚度远远小于长度和内径 ， 故采用壳单元模8 0 0 mm， 混凝土弹性模量为 3 ． 0 X 1 0 MP a ， 泊松比为 0 ． 2 ， 密 OO OO● OO ● 0O● 0 0● OO◆ 0O 0 000 0 O● OO● OO ● 0O ◆O O● Oo ● 00◆ 00 0 0o● OO ◆ 00● Oo ●O O◆ OO 4 b oO ● OO● OO 0 000 0O ● oO● OO ◆ OO● Oo ● OO◆ OO ● OO● 0O ●o 0● OO● 0O ● 0O● Oo ●O O● OO ● 0O ●O O● o0● o O● 0 型如 图 4所示 。 4结 果分析 通过表 2中数据对比分析可看出， 利用 A N S Y S软件计 算出的储罐 c o s 0型梁式振动频率和储液晃动频率与文献 [ 1 ] 所得结果基本一致。根据文献[ 3 ] 解得 2 OO0 m ’ 储罐壳 液耦合振 动基本周 期 T o0 ． 1 6 s ， 将周 期换算 成频率 为 6 ． 2 5 H z ， 与 A N S Y S结果非常接近， 证明了本文所采用的有限 元模型和分析方法可以用于储罐的模态分析。 从图2中可以看 出， 2 0 0 0 m 储罐的 c o s 0型梁式振型比 较明显 ， 波形突出。在水平地震作用下梁式振动容易被激 发， 对储罐的抗震性能起主要作用。 5结语 ● 1 采用有限元软件 A N S Y S建立了2 0 0 0 m 。敞口锚固 式储罐有限元计算模型 ， 得到了储罐的振动特性 ， 储罐前三 阶 c o s 0 型梁式振动频率为 6 ． 0 8 7 、 1 2 ． 7 4 8 、 2 1 ． 7 7 H z ， 前三阶 储液晃动频率为0 ． 2 4 7 、 0 ． 4 1 8 、 0 ． 5 1 7 H z 。 2 储罐的 C O S 0型梁式振型在水平地震作用下容易 被激发， 对储罐的抗震性能起主要作用。储液的晃动周期 长， 是导致储罐浮顶失效的主要原因。周向 c o s n 0多波振型 在地震时很难被激发， 并非储罐的主要动力特性。 [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] 参考文献 Ve l e r s o s A S。 Ya n g J Y．Ea r t h q ua k e r e s p o n s e o f l i qu id s t o r a g e t a n k s ， a d v a n c e s c i v i l E n g i r [ c] ／ ／T h r o u g h E n g i r ．M e c h a n i c s ， p r o c e e d i n g s o f An n u a l EMD S p e c i alt y c o n f e ren c e，AS CE，Ra l e i g h， N ． C ． ，1 9 7 7 1 2 4 ． G B 5 0 1 9 1 1 9 9 3 ， 构筑物抗震设计规范[ s ] ． GB 5 0 3 4 1 2 0 0 3 ， 立式 圆筒形钢制焊接油罐设计规 范[ s ] ． 孙建刚．立式储罐地震响应控制研究[ D ] ．哈尔滨 中国地震 局工程力学 研究所 ， 2 0 0 2 ． 周利剑 ．水平地震激励下立式储罐与地基相互 作用动力 响应 分析[ D ] ．哈尔滨 哈尔滨工程大学， 2 0 0 6 ． 潘栋 ， 邓民宪．基于A N S S 的储液罐固有振动特性分析[ J ] ． 西部探矿工程 ， 2 0 0 8 ， 5 5 2 5 4 ． [ 收稿E 1 期] 2 0 1 1 0 4～ 2 7 [ 作者简介] 宋常利 1 9 7 7一 ， 男， 河北秦皇岛人， 硕士， 讲师， 从事土木工程 教学 和设 计工作 。 7 6 低温建筑技术 2 0 1 1 年第 8 期 总第 1 5 8 期 度为2 ． 51 0 k g ／ I n 。本文未考虑内罐贮液对外罐的相对 影响。储罐的底部近似认为固接， 尚未考虑底板对罐壁的 影响。L N G储罐有限元模型见图 1 。 2 L N G储罐外壁模态分析 应用 A N S Y S软件开展了 L N G储罐外壳的模态分析， 获 得前 1 O阶模态对应的频率 J 、 最大位移和环向波数， 见表 1 。表中“ 一” 表示该阶振型为竖向振动， 环向不存在波形。 表 1 L N G储罐前 l 0阶频率及振型 与其它结构体系不同的是 ， L N G储罐外壳有限元模型 除竖向振动外 ， 计算得到 的每一个频率值都对应两种明显 振型， 其环向波数 k值和最大相对位移 s 均相同， 只是两种 振型关于坐标 X O Z和 Y O Z平面的对称性略有不同， 前五阶 模态如图 2一图6所示。 图3 L N G 储罐外壁第二阶振型形式 从图上可以看出， 罐壁一阶振型为轴正对称， 二阶振型 却为轴反对称。即对于每一个圆频率 ∞可求得两个对应的 特征向量， 且两个特征向量对应的最大位移一直是相等的。 对于水平振型的在罐壁竖向产生半个波段。由于罐壁顶部 图6 L NG 储罐外壁第五阶振型形式 混凝土环梁的加强作用， 环向最大相对位移出现在罐壁的 中间位置； 当振型为竖向振动时， 穹顶的相对位移较大， 而 此时罐壁的变形很小 ， 可忽略不计。 3 结语 本文利用 S h e l l 6 3单元构建 了 L N G储罐外壁的三维有 限元模型， 获得了L N G储罐外壳有限元模型的前 1 O阶频率 及所对应的最大位移s和环向波数 k ， 并得出罐壁振型的分 布规律 ， 为进一步开展 L N G储罐的抗震设计奠定基础。 参考文献 [ 1 ] K J P e r s o n ． D e s i g n a n d c o n s t r u c t i o n a s p e c t s o f p o s t t e n s i o n e d L N G s t o r a g e t a n k s i n E u ro p e a n d A u s t r a l a s i a[ M] ．S w i t z e r la n d T mn s T e e h P u b l i c a t i o n L t d ． [ 2 ] 刘涛， 杨风鹏 ． 精通 A N S Y S [ M] ． 北京 清华大学出版社 ． [ 3 ] 郝文化 ． A N S Y S 土木工程应用实例[ M] ．北京 中国水利水 电出版社， 2 0 0 5 ． [ 4 ] 博弈创作室 ．A P D L参数化有限元分析技术及其应用实例 [ M] ． 北京 中国水利水电出版社， 2 0 0 4 ． [ 收稿 日 期] 2 0 1 1 0 3 - 2 3 [ 作者简介] 李志秋 1 9 6 2 一 ， 男， 黑龙江省大庆人， _T程师 大专， 主要从事建筑结构研究与设计工作。 ～ ●一 。 一 9