文摘

液体储罐生命线结构和战略非常重要。重损害甚至崩溃的这些设施遭受强烈地震可能导致灾难性的后果。摘要多级系列液体储罐的地震反应是由一个有限元模拟方法,并验证了一个缩小的实验。水箱的结构灵活性和liquid-structure耦合特征之间的液体和舱壁被认为在研究。multimass-block和弹簧模型的纵向振动采用相当于液体的储罐。之间的关系连接弹簧和刚度矩阵的元素是显式地推导。四级系列液体储罐的地震响应分析,和加速度响应,坦克的压力反应,液体的垂直振动。实验结果与仿真结果吻合较好,验证了建模方法的有效性。

1。介绍

液体储罐结构和战略非常重要的生命线,因为他们在行业和重要使用核电站(1]。重损害甚至崩溃的这些设施遭受强烈地震可能导致灾难性的后果,如爆炸、火灾和环境污染(2]。大量液体储罐的地震安全性能是至关重要的,直接影响经济性能、可靠性和使用寿命的坦克(3]。地震固耦合分析解决方案使用的坦克是分析师和工程师的目的,包括初步估计,风险评估和验证数值模型的4]。

液体储罐的抗震性能是由于liquid-structure高度复杂的相互作用,导致单调乏味的设计过程从抗震设计的观点。提高液体储罐的结构地震响应,在过去的几十年里,学者们已经提出了很多有效的研究方法,包括集中质量方法,分布式质量方法,测试分析方法。Housner [5)和森布鲁斯和纽马克6)建立了一个集中质量模型的液体储罐及其地震响应研究。这些模型被修改的哈(7),考虑了地震分析的舱壁的灵活性。集中质量的方法,所包含的液体是不可压缩、非粘性的和无旋流。典型的模型包括单自由度模型(8),两个自由度的模型(9- - - - - -11潜浮性能)和模型(12- - - - - -18]。在[8),成立了一个简化的一个自由度理想化和特别关注晃动效果。在两个自由度的模型中,如[9- - - - - -11),液体的质量被认为是作为一个对流质量造成晃动现象,一个冲动的质量,加速和坦克。潜浮性能在集中质量模型,整个槽液体质量振动三种不同的模式:晃动质量,冲动的质量,严格的质量。

在研究使用分布质量模型19- - - - - -27),有限元法通常用于建立模型liquid-structure液体储罐的耦合分析。罐壁总是被视为结构元素,和液体作为流体元素。根据坦克和液体之间的相对运动关系,结构元素的运动协调约束和流体元素建立了。然后,地震激励应用于分析坦克和流体的动态。针对计算晃动频率,以及晃动水平地震荷载作用下的瞬态响应,Karamanos [20.,21)提出了一个地震晃动的有限元公式卧式圆柱形工业容器。靖远县李(23)采用有限元软件ABAQUS跟踪的动态响应历史大型钢筋混凝土储罐在不同的地震波。坦克的动态特征和失效模式的结构进行了考虑钢筋的影响。一边抚摸Rawat [24,25)研究三维地面圆柱和矩形刚性液体储罐装满水并受地震激励。坦克的分析进行了使用耦合acoustic-structural和拉格朗日方法耦合的有限元方法。在[26),液体储罐的地震反应数值研究了双线性滞后轴承元素的孤立在长期的地面运动。有限壳元素槽结构和边界元素的液体地区就业。流固运动方程加上了隔震体系的控制方程来表示整个系统的行为。在[27),通过详细的数值分析有限元模型,考虑到高架钢槽的几何结构和固耦合效应对任意水平的液体灌装,以及各种支撑系统引入的非线性。

在使用测试分析方法的研究28- - - - - -30.),一个真正的或处理的液体罐通常是按比例缩小的模型,和测试研究是由使用地震发生测试床。在[28),一系列的强迫振动测试,其测量反应被认为是作为基准,在圆筒形储罐进行了实验模型。所有的测试参数比例根据相似的法律。张成泽Ho公园(29日]提出了动态测试结果的圆柱形液体储罐在水平地震荷载作用下研究其动态行为特征,包括要和oval-type振动。Bae和Ho公园(30.]提出了振动台测试的结果进行检查的动态行为按比例缩小的圆柱形钢槽模型考虑到一个固定的存在与否屋顶和附加质量水箱的顶部为各种流体的水平。

目前,有很多的地震反应分析研究一个柜;然而,研究分析多级系列槽不够深。不同于单级坦克,多级系列槽高,和长细比相对较大。因此,结构的灵活性坦克需要考虑。造成的“强迫振动”效应liquid-structure交互也应该被考虑。此外,研究文献大多只考虑横向晃动液体的影响,和纵向振动特征将被忽略。针对多级系列液体储罐的地震响应分析,本文构建了一个有限元模型包括liquid-structure舱壁和液体的耦合效应,以及液体的纵向振动特性。建模方法和实验研究验证同时进行。

2。质量矩阵和刚度矩阵

2.1。质量矩阵

由于结构的灵活性和耦合效应,多级系列坦克将形成一个塔效应当遇到地震;也就是说,地面荷载将增加在坦克。liquid-structure耦合问题的重要特征是两相介质之间的相互作用。固体结构变形或移动流体载荷的作用下,这反过来会影响变形或运动振幅和液体负荷的分布。在这个调查中,液体被认为是不可压缩、非粘性的和无旋流动。准静态流场和线性弹性结构变形小,排替压力的方程格式liquid-structure耦合系统可以表示为 在哪里p是液体的压力向量节点;u是固体节点的位移矢量;问liquid-structure耦合矩阵;米_f和K_f是液体的质量矩阵和刚度矩阵,分别;米_年代和K_年代结构的质量矩阵和刚度矩阵,分别;F_年代是外部负载向量;和ρ_f是液体的密度。

如果波动和液体的压缩性的影响被忽略,液体槽的动力学问题可以简化为附加质量的结构动力学问题。动态方程(1)可以写成

用方程(2)(1)和消除矢量p,一个人可以获得 在哪里米ʹ_年代=QK¹fQ^T/ρ_f是额外的质量矩阵代表流体在固体结构的影响。动态的关键问题,因此,在于附加质量矩阵的处理。

因为水箱结构和液体的质量特征是不同的,两个单独处理的质量建模过程。当计算的质量属性槽结构,假设结构质量是均匀分布。根据液体的非粘性的特征,当储罐横向弯曲,变形,大部分的液体将与水箱的结构,除了液体自由表面附近。此外,当水箱是畸形的纵向,液体只会跟随罐底的运动,只要纵向变形的影响槽的直径将被忽略。因此,水箱中的液体只是算作平移质量,和转动惯量是忽略。液体单元的质量矩阵可以写成 在哪里 ,在这是液体的质量单位和是液体的体积单位。

2.2。纵向刚度矩阵

为了模拟的纵向振动特征多级系列液体储罐,multimass-block模型是用来等效液体的纵向振动。以three-mass-block模型的单级液体储罐为例,其结构图表,力学模型,计算模型如图所示1。水箱中的液体分为三个质量块标记为米_l1,米_l2,米_l3,分别。坦克相当于一个无质量的梁,坦克被分配到的质量特性的节点梁元素集中质量的形式。采取的大规模作业过程的某些部分坦克为例,如图1(一)节点之间,罐壁的质量一个和根据其结构特点分为三部分。然后,质量标记为m_我1节点之间一个和c分配给节点b和质量标记为米_我节点之间c和e分配给节点d。同样,质量标记为m_{我+ 1}节点之间e和分配给节点f。通过这种重复,坦克的等效过程质量质量梁的节点可以完成。

储罐的位置自由表面的液体被标记为5,如图1 (c)。液体质心的位置的三个质量块标记为4、3、2,分别。柜桶部分的连接部分和罐底被标记为1。这些符号l₁,l₂,l₃表示液体高度对应的三个质量块,分别。坦克是圆柱形的内径2一个墙的厚度h材料的弹性模量E和泊松比μ。弹性系数矩阵(31日three-mass-block模型被定义为 在哪里K₁= 2πaEh/l₁,K₂= 2πaEh/l₂,K₃= 2πaEh/l₃是周围的舱壁的轴向刚性质量块吗米₁,米₂,米₃分别;K_B罐底的僵化。

刚度系数矩阵Kthree-mass-block模型可以得到解决的逆矩阵D作为

泉图之间的关系1 (c)和刚度矩阵的元素K所示如下方程:

3所示。仿真结果

3.1。液体储罐的模型

四级系列液体储罐的结构如图2,这是由四个圆柱形平底坦克I-IV,连接段和锥形头。槽的底部是由螺栓固定在基础。槽的结构尺寸和材料属性如表所示1。四个储油罐I-IV充满了液体,液体和质量在每个柜是35吨,45吨,25吨,分别和10吨。

储罐的力学模型建立了上述方法如图3。根据槽壁的几何属性和连接段,整个结构被认为是一个空心圆梁元素变厚度和截面。在有限元模型中,坦克的结构是由三维网状,3个节点的得票率最高梁元素。材料的弹塑性特性。连接段和坦克是由法兰和螺栓连接,连接部分的强度和刚度都预先设计有足够的保证金。连接段也视为空心圆柱结构,厚度是通过刚度等效方法。因此,得票率最高梁连接段也可以编织的元素,并根据其结构特点,部分的网格局部细化。四级的有限元模型系列液体储罐在ANSYS建立如图4。

液体的作业过程质量效应可以实现如下:以液体质量米_l1作为一个例子,如图1,质量水平的影响米_l1x和米_l1z同样是分布式的节点米₃来米_我附近的液体;其垂直质量效应米_l1y连接到液体质量米_l2,米_l3通过弹簧和相关梁节点K₁₄,K₂₄,K₃₄,K₄₅。弹簧-质量系统由集中质量米_l1,米_l2,米_l3,弹簧可以用来模拟液体的垂直地震响应在储罐质量。

3.2。地震波的调整

地震振幅(或强度)包括加速度峰值、峰值速度和峰值位移的地震波。在抗震分析中,地面运动加速度的峰值一般是用作强度标准。选择地面运动记录应根据一个适当的比例,以便调整所选波的峰值加速度等于相应的地震设防烈度。调整公式 在哪里一个ʹ(t),一个ʹ_马克斯代表了调整地震加速度曲线,峰值,分别;一个(t),一个_马克斯代表原始记录的地震加速度曲线,峰值,分别。

地震加速度曲线的调整小城波与8°设防烈度图所示5,其峰值加速度将0.2 g。地震波沿x -,y -,z设在都作为输入激励,和它们之间的峰值加速度率设置x:y:z= 1:0.65:0.85。

3.3。地震响应曲线的节点

在顶部节点o,如图3液体的储罐为研究对象,该节点的位移和加速度的曲线沿水平方向(x设在和z设在)和垂直方向上(y设在)如图6- - - - - -11,分别。

从数据可以看出6- - - - - -8地震激励作用下,节点o经历了大型振动位移。最大振幅沿x设在0.264,发生t= 6.5 s。振动位移沿z设在的相似x设在,但整体幅度略小,这是由于振幅的地震加速度输入z设在小于沿着x设在。这两个方向的位移反应首先随着地震加速度的增加而增加,然后减弱。在整个历史中,海浪一般呈现出“主轴”结构前长后短,这是由于这一事实地震波的能量主要集中在早期阶段。在图7由于大型储罐的轴向刚度,振动位移的节点y设在非常小,大部分时间在0.5毫米。显著的位移在初始阶段的原因是重力加速度的形式应用于液体储罐的阶跃函数计算的初始时间。显著的位移波动是系统的阶跃响应的重力加速度。

节点的振动加速度的峰值o沿着x设在约为3.382 m / s²,发生在时间t= 2.1 s。它是一致的输入地震波的高峰时间,和节点的峰值加速度的放大系数沿这个方向β_x= 1.691。节点的振动加速度的峰值沿z设在约为2.875 m / s²,这也发生在t= 2.1 s。节点的峰值加速度的放大系数沿这个方向β_y= 1.438。忽略了一步影响油罐的重力加速度在初始阶段,节点的纵向振动加速度引起的地面运动相对较少,这基本上是在±0.2 m / s²。地震波的计算结果表明,影响更大的横向振动槽,减少对纵向振动的影响。这主要是由于储罐的纵向拉伸和压缩刚度远远大于其横向弯曲刚度。

3.4。垂直振动的液体槽

地震反应加速度液体的质量中心的坦克I-IV数据所示12- - - - - -15。可以看出液体以来明显的沿垂直方向振动的波动的影响储罐的液体被认为是灵活性,如图1 (c)。液体的质量中心的加速度值坦克I和II是显而易见的,达到0.9 m / s²。然而,液体的质量中心的值在范围内的坦克III和IV是可忽略不计的±0.2 m / s²,相当于高级节点的值o。液体的振动加速度的差异可以解释不同的坦克质量中心如下:在方程(5)- (7),刚度系数矩阵Kthree-mass-block模型包括罐壁的刚度和底部。与储罐III和IV相比,储油罐I和II的长度更长,如图2,导致两个坦克拥有较低的刚性。此外,液体质量的两个坦克要重得多。低槽刚度和较重的液体质量不可避免地导致更多重要的地震反应液体坦克I和II。相反,坦克III和IV的长度更短,导致更高的刚性的两个坦克。此外,在坦克液体质量更轻。因此,高柜刚度和较轻的液体质量造成轻微的地震反应的液体坦克III和IV。

3.5。结合Deformation-Axial坐标图(最大变形)的时刻

从数据可以看出6和8整个结构的最大变形油罐发生的时间t= 6.5 s。这时,节点的组合变形曲线沿轴向方向的坦克如图16。柜的组合变形随身体的高度。坦克的整体变形呈现垂直悬臂梁的变形特性受水平荷载。最大总变形坦克0.331米的坐标y= 0。

3.6。应力随时间的变化曲线的支点

时间的压力历史曲线网格点,坦克的支点位置,梁单元如图17。最大的压力是194.24 MPa,小于材料的屈服应力。压力曲线呈现周期性波动的特点,和衰减的总体趋势是一致的减少输入地震波的强度。

4所示。测试验证

四级的缩小测试模型系列贮槽,如图18,生产来验证本文提出的研究模型的准确性。按比例缩小的模型主要由锥形,四级储油罐I-IV和最终的支持。测试模型的不同部分连接法兰和螺栓。为了模拟储罐液体的耦合效应,导致球和球和铁粉的混合物,如图19,填写不同的坦克。坦克第二和第四充满了球,和坦克我和III充满了铅球和铁粉的混合物。地震发生的实验进行了测试床的兰州理工大学。测量位置的加速度传感器和应变仪图所示20.。

4.1。加速度的比较结果

对比测试曲线和加速度的计算曲线的节点o沿着x设在和z设在图所示21。可以看出,两条曲线在良好的协议与波形振幅的趋势。然而,振荡周期明显不同。主要原因可以分析如下:(1)在数值模型中,输入地震波的频率设置较低(f= 10 Hz),降低计算成本,虽然在测试模型,设置更高的频率(f= 50赫兹)。地震激励输入频率的差异导致的受迫振动频率测试模型是更大的比计算模型。(2)由于加工技术的限制,扩展模型的刚度大于计算模型,从而导致更高的固有频率和响应频率在测试模型。

4.2。比较压力的结果

时间的压力历史曲线上的支承部分测试模型如图(22日),测试曲线之间的比较和计算曲线如图22 (b)。可以看出,两条曲线有相似的衰减和周期性特征,和它们的振幅也在良好的协议。与压力曲线计算模型相比,测试模型的曲线峰值毛边,这主要是由于在传感器外部信号的干扰。

5。结论

多级系列液体储罐的地震响应模拟和验证。水箱的结构灵活性和liquid-structure耦合特性和罐壁之间的液体被认为在研究中。额外的质量矩阵代表液态结构的影响是通过假设液体是不可压缩、非粘性的和无旋流动。为了模拟液体储罐的纵向振动特性,multimass-block和弹簧模型来等效液体的纵向振动。之间的关系连接弹簧和弹簧-质量模型的刚度矩阵的元素是显式地推导。

四级系列液体储罐的地震响应分析在ANSYS进行。加速度、变形和应力响应的坦克了。此外,由于槽壁的灵活性对液体的纵向振动被认为是在模型中,液体的垂直振动也获得。四级系列的储罐缩小模型加工和制造,以及随后进行的地震测试。实验结果与仿真结果吻合较好,这验证了建模方法的有效性。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者声明没有潜在的利益冲突的研究,本文的作者,和/或出版。

确认

作者想表达自己的真诚感谢赞助商和评论家评论有用和重要。这项研究是由中国国家自然科学基金资助(批准号51505485),陕西省自然科学基础研究项目(批准号2020 jm - 640),特殊项目基金Xijing大学高层次人才(批准号XJ18B08),陕西高校的青年创新团队。