一种用于LNG薄膜围护系统的数值计算方法及系统

技术领域

本发明涉及液化天然气(LNG)存储技术领域，特别是关于一种用于LNG薄膜围护系统的数值计算方法及系统。

背景技术

现今，由于能源需求的迅速增长带来更多对于清洁能源方面的需求，而LNG是清洁能源的重要代表。目前世界范围内现有的LNG储罐包括单容罐、双容罐、全容罐和薄膜罐。全容罐和薄膜罐由于其安全性相较前两种储罐类型更高，且土地利用率也更高，是目前LNG接收站普遍采用的形式。目前，全容罐在世界范围内已被广泛建造，中国的全容储罐的建造比例更高，现有的大型LNG终端全部采用该型式的储罐。而薄膜罐在施工工期上比全容罐更能有效节约工期，且钢材用量能够大幅度减小，比全容罐能节约10％～15％的投资，目前接收站向大型化的发展趋势下，在相同外罐容积下采用薄膜罐可获得更大的有效容积，且薄膜罐理论容积的增加没有技术瓶颈。

对大型LNG薄膜罐开展研究，采用有限元方法对其进行数值仿真计算用于储罐结构设计，是掌握大型LNG薄膜罐核心的关键因素。薄膜罐的金属薄膜内罐，作为非自支撑式结构，其液相载荷和其他施加在金属膜上的荷载通过绝热层全部传递到混凝土外罐上，其气相压力由储罐的顶部承受。而薄膜罐荷载从内罐传递到外罐的承重形式与全容罐的罐底部分相同，因此可以借鉴目前全容罐的有限元方法，开展薄膜罐的数值计算方法研究。

目前，针对薄膜储罐的数值模拟计算中，由于结构复杂，多数研究均对薄膜罐的结构进行了一定的简化。例如，针对薄膜罐的钢质薄膜内罐的结构形式，大部分简化为已成型的褶皱型波纹凸起状结构，并无针对由平板形成褶皱状这一过程的模拟，而该项简化将会对其结构受力情况有所影响。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种考虑褶皱结构形成过程的用于LNG薄膜围护系统的数值计算方法及系统。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：第一方面，提供一种用于LNG薄膜围护系统的数值计算方法，包括：

确定LNG薄膜围护系统中薄膜内罐的褶皱形式；

采用各项同性的塑性模型，根据确定的褶皱形式，模拟薄膜内罐褶皱的结构；

对薄膜内罐褶皱的结构的褶皱形式进行求解，确定薄膜内罐的数值。

进一步地，所述薄膜内罐的褶皱形式包括褶皱的宽度、深度、长度、弧度以及褶皱的组合形式，所述褶皱的组合形式包括褶皱是由横向和纵向褶皱各几条褶皱组合而成以及褶皱之间的角度。

进一步地，所述采用各项同性的塑性模型，根据确定的褶皱形式，模拟薄膜内罐褶皱的结构，包括：

建立上层离散刚体单元和下层离散刚体单元；

在上层离散刚体单元和下层离散刚体单元之间建立一层薄膜单元，并采用四节点缩减积分单元，针对该薄膜单元进行网格划分的单元形式，模拟得到薄膜内罐；

在上层离散刚体单元与薄膜单元的表面之间建立面-面接触，并采用罚函数、硬接触的形式建立接触；

在下层离散刚体单元与薄膜单元的表面之间建立面-面接触，并采用罚函数、硬接触的形式建立接触；

采用各项同性的塑性模型，根据确定的褶皱形式，通过加载位移在上层离散刚体单元和下层离散刚体单元上的形式，模拟出薄膜内罐褶皱的结构。

进一步地，所述网格划分时要求网格大小小于褶皱曲率的1/5。

进一步地，所述对薄膜内罐褶皱的结构的褶皱形式进行求解，确定薄膜内罐的数值采用静态、不考虑惯性力的求解算法。

进一步地，所述薄膜内罐的数值包括褶皱的宽度、深度、长度、弧度以及褶皱的组合形式。

第二方面，提供一种用于LNG薄膜围护系统的数值计算系统，包括：

褶皱形式确定模块，用于确定薄膜内罐的褶皱形式；

模拟模块，用于采用各项同性的塑性模型，根据确定的褶皱形式，模拟薄膜内罐褶皱的结构；

求解模块，用于对模拟出的薄膜内罐褶皱的结构形式进行求解，确定薄膜内罐的数值。

进一步地，所述模拟模块，包括：

离散刚体单元建立单元，用于建立上层离散刚体单元和下层离散刚体单元；

薄膜内罐模拟单元，用于在上层离散刚体单元和下层离散刚体单元之间建立一层薄膜单元，并采用四节点缩减积分单元，针对该薄膜单元进行网格划分的单元形式，模拟得到薄膜内罐；

第一接触建立单元，用于在上层离散刚体单元与薄膜单元的表面之间建立面-面接触，并采用罚函数、硬接触的形式建立接触；

第二接触建立单元，用于在下层离散刚体单元与薄膜单元的表面之间建立面-面接触，并采用罚函数、硬接触的形式建立接触；

褶皱结构模拟单元，用于采用各项同性的塑性模型，根据确定的褶皱形式，通过加载位移在上层离散刚体单元和下层离散刚体单元上的形式，模拟出薄膜内罐褶皱的结构。

第三方面，提供一种处理设备，包括计算机程序指令，其中，所述计算机程序指令被处理设备执行时用于实现上述用于LNG薄膜围护系统的数值计算方法对应的步骤。

第四方面，提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序指令，其中，所述计算机程序指令被处理器执行时用于实现上述用于LNG薄膜围护系统的数值计算方法对应的步骤。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：

1、本发明由于根据确定的褶皱形式模拟LNG薄膜围护系统中薄膜内罐褶皱的结构，将目前大部分的LNG薄膜罐数值计算中薄膜内罐的结构形式进行优化，基于有限元方法，采用离散刚体单元和薄膜单元模拟薄膜内罐褶皱形状的形成过程，通过准确模拟褶皱形成过程，从而减少数值计算中由于结构形式简化带来的误差影响。

2、本发明建立准确模拟LNG薄膜围护系统中薄膜内罐的形成过程的薄膜内罐，用于LNG薄膜罐的整体计算模型中，以降低结构简化引起的计算误差。

3、本发明能够对LNG薄膜围护系统中薄膜内罐褶皱结构带来的受力特点进行有效分析，提供薄膜罐内罐焊接施工时的技术指导，防止薄膜结构整体失效。

综上所述，本发明可以广泛应用于液化天然气存储技术领域中。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。在附图中：

图1是本发明一实施例提供的方法流程示意图；

图2是本发明一实施例提供的离散刚体单元结构示意图，其中，图2(a)为上层离散刚体单元结构示意图，图2(b)为下层离散刚体单元结构示意图；

图3是本发明一实施例提供的薄膜单元结构示意图；

图4是本发明一实施例提供的建立接触示意图；

图5是本发明一实施例提供的位移施加结构示意图；

图6是本发明一实施例提供的网格划分结果示意图；

图7是本发明一实施例提供的褶皱计算有限元结果结构示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施方式。虽然附图中显示了本发明的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。

应理解的是，文中使用的术语仅出于描述特定示例实施方式的目的，而无意于进行限制。除非上下文另外明确地指出，否则如文中使用的单数形式“一”、“一个”以及“所述”也可以表示包括复数形式。术语“包括”、“包含”、“含有”以及“具有”是包含性的，并且因此指明所陈述的特征、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但并不排除存在或者添加一个或多个其它特征、步骤、操作、元件、部件、和/或它们的组合。文中描述的方法步骤、过程、以及操作不解释为必须要求它们以所描述或说明的特定顺序执行，除非明确指出执行顺序。还应当理解，可以使用另外或者替代的步骤。

尽管可以在文中使用术语第一、第二、第三等来描述多个元件、部件、区域、层和/或部段，但是，这些元件、部件、区域、层和/或部段不应被这些术语所限制。这些术语可以仅用来将一个元件、部件、区域、层或部段与另一区域、层或部段区分开。除非上下文明确地指出，否则诸如“第一”、“第二”之类的术语以及其它数字术语在文中使用时并不暗示顺序或者次序。因此，以下讨论的第一元件、部件、区域、层或部段在不脱离示例实施方式的教导的情况下可以被称作第二元件、部件、区域、层或部段。

本发明实施例提供的用于LNG薄膜围护系统的数值计算方法，该方法包括：确定LNG薄膜围护系统中薄膜内罐的褶皱形式；采用各项同性的塑性模型，根据确定的褶皱形式，模拟薄膜内罐褶皱的结构；对薄膜内罐褶皱的结构的褶皱形式进行求解，确定薄膜内罐的数值。本发明在模拟过程中，采用接触方法，通过考虑褶皱结构的形成过程，能够解决现有简化模型引起的分析结果误差，弥补目前薄膜罐数值计算方法中对薄膜内罐的结构形式简化引起的受力状态不准确的情况；充分利用有限元数值计算方法，采用离散刚体单元和四节点缩减积分薄膜单元，模拟薄膜内罐的褶皱结构的形成过程，能够更为准确地使用在薄膜罐计算过程中，有效提高数值模拟计算的准确性，降低由于结构形式简化带来的误差。

实施例1

如图1所示，本实施例提供一种用于LNG薄膜围护系统的数值计算方法，包括以下步骤：

1)确定LNG薄膜围护系统中薄膜内罐的褶皱形式。

具体地，薄膜内罐的褶皱形式包括褶皱的宽度、深度、长度、弧度以及褶皱的组合形式，其中，褶皱的组合形式包括褶皱是由横向和纵向褶皱各几条褶皱组合而成以及褶皱之间的角度。

2)采用各项同性的塑性模型，根据确定的褶皱形式，模拟薄膜内罐褶皱的结构，具体为：

2.1)建立上层离散刚体单元和下层离散刚体单元，如图2所示。

2.2)在上层离散刚体单元和下层离散刚体单元之间建立一层薄膜单元，如图3所示，并采用四节点缩减积分单元，针对该薄膜单元进行网格划分的单元形式，模拟得到薄膜内罐。

具体地，薄膜单元可以模拟结构，该结构一个方向的尺度(厚度)远小于其它方向的尺度，并忽略沿厚度方向的应力。

具体地，网格划分时要求网格大小小于褶皱曲率的1/5(如图6所示)。

2.3)如图4所示，在上层离散刚体单元与薄膜单元的表面之间建立面-面接触，并采用罚函数、硬接触的形式建立接触。

具体地，进行有限元建模时，需要定义不同结构体之间的接触，当两个结构体发生接触时，需要进行表面载荷求解。

具体地，罚函数是指在求解最优化问题(无线性约束优化及非线性约束优化)时，在原有目标函数中加上一个障碍函数，得到一个增广目标函数，能够对非可行点或企图穿越边界而逃离可行域的点赋予一个极大的值，即将有约束最优化问题转化为求解无约束最优化问题。

具体地，默认条件下，创建的法向接触属性均为硬接触，原则上硬接触不允许接触对之间产生穿透行为。

2.4)在下层离散刚体单元与薄膜单元的表面之间建立面-面接触，并采用罚函数、硬接触的形式建立接触。

2.5)如图5所示，采用各项同性的塑性模型，根据确定的褶皱形式，通过加载位移在上层离散刚体单元和下层离散刚体单元上的形式，模拟出薄膜内罐褶皱的结构。

具体地，在该模型中，采用各项同性的塑性模型，这意味着材料在各个方向上的性质是相同的，这种模型可以用于处理薄膜内罐在各个方向上的变形和应力。

具体地，通过加载位移，在上层离散刚体单元和下层离散刚体单元上施加形变，以模拟出薄膜内罐褶皱的结构。位移加载的方式可以根据具体情况进行选择，以满足实际问题的需求。利用该模型，可以研究薄膜内罐在不同加载条件下的变形和应力分布。这对于设计和优化薄膜内罐的结构和性能具有重要意义。

3)如图7所示，采用静态、不考虑惯性力的求解算法，对薄膜内罐褶皱的结构的褶皱形式进行求解，确定薄膜内罐的数值，薄膜内罐的数值包括褶皱的宽度、深度、长度、弧度以及褶皱的组合形式。

具体地，有限元仿真求解包括静态求解与动态求解，静态求解算法为施加的载荷与时间无关(恒定的载荷，或者载荷施加的非常缓慢)。惯性力是指当物体有加速度时，物体具有的惯性会使物体有保持原有运动状态的倾向，这里主要指不施加质量，使得没有重力等。

实施例2

本实施例提供一种用于LNG薄膜围护系统的数值计算系统，包括：

褶皱形式确定模块，用于确定LNG薄膜围护系统中薄膜内罐的褶皱形式。

模拟模块，用于采用各项同性的塑性模型，根据确定的褶皱形式，模拟薄膜内罐褶皱的结构。

求解模块，用于对薄膜内罐褶皱的结构的褶皱形式进行求解，确定薄膜内罐的数值。

在一个优选的实施例中，模拟模块包括：

离散刚体单元建立单元，用于建立上层离散刚体单元和下层离散刚体单元。

薄膜内罐模拟单元，用于在上层离散刚体单元和下层离散刚体单元之间建立一层薄膜单元，并采用四节点缩减积分单元，针对该薄膜单元进行网格划分的单元形式，模拟得到薄膜内罐。

第一接触建立单元，用于在上层离散刚体单元与薄膜单元的表面之间建立面-面接触，并采用罚函数、硬接触的形式建立接触。

第二接触建立单元，用于在下层离散刚体单元与薄膜单元的表面之间建立面-面接触，并采用罚函数、硬接触的形式建立接触。

褶皱结构模拟单元，用于采用各项同性的塑性模型，根据确定的褶皱形式，通过加载位移在上层离散刚体单元和下层离散刚体单元上的形式，模拟出薄膜内罐褶皱的结构。

本实施例提供的系统是用于执行上述各方法实施例，具体流程和详细内容请参照上述实施例，此处不再赘述。

实施例3

本实施例提供一种与本实施例1所提供的用于LNG薄膜围护系统的数值计算方法对应的处理设备，处理设备可以适用于客户端的处理设备，例如手机、笔记本电脑、平板电脑、台式机电脑等，以执行实施例1的方法。

所述处理设备包括处理器、存储器、通信接口和总线，处理器、存储器和通信接口通过总线连接，以完成相互间的通信。存储器中存储有可在处理设备上运行的计算机程序，处理设备运行计算机程序时执行本实施例1所提供的用于LNG薄膜围护系统的数值计算方法。

在一些实现中，存储器可以是高速随机存取存储器(RAM：Random AccessMemory)，也可能还包括非不稳定的存储器(non-volatile memory)，例如至少一个磁盘存储器。

在另一些实现中，处理器可以为中央处理器(CPU)、数字信号处理器(DSP)等各种类型通用处理器，在此不做限定。

此外，上述的存储器中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

本领域技术人员可以理解，上述计算设备的结构，仅仅是与本申请方案相关的部分结构，并不构成对本申请方案所应用于其上的计算设备的限定，具体的计算设备可以包括更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者具有不同的部件布置。

实施例4

本实施例提供一种与本实施例1所提供的用于LNG薄膜围护系统的数值计算方法对应的计算机程序产品，计算机程序产品可以包括计算机可读存储介质，其上载有用于执行本实施例1所述的用于LNG薄膜围护系统的数值计算方法的计算机可读程序指令。

计算机可读存储介质可以是保持和存储由指令执行设备使用的指令的有形设备。计算机可读存储介质例如可以是但不限于电存储设备、磁存储设备、光存储设备、电磁存储设备、半导体存储设备或者上述的任意组合。

上述实施例提供的一种计算机可读存储介质，其实现原理和技术效果与上述方法实施例类似，在此不再赘述。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。