一种基于有限元软件的LNG全容式储罐的力学分析方法

技术领域

本发明涉及LNG全容式储罐力学分析方法技术领域，尤其涉及一种基于有限元软件的LNG全容式储罐的力学分析方法。

背景技术

液化天然气(Liquefied Natural Gas，简称LNG)主要成分为甲烷，是一种优质清洁能源。目前我国正在大力改善能源结构，天然气消耗比重迅速增加，其中LNG的进口量逐年增加，我国沿海地区陆续建起一批LNG接收站，并有几十个LNG接收站正在规划或建设中。

在LNG接收站中，LNG储罐是成本和技术含量最高的单体，目前主流LNG储罐为全容式储罐。全容罐主体一般包括：穹顶、墙体、承台和桩基组成的混凝土外罐，9％镍钢内罐和由玻璃砖、沥青毡、珍珠岩等组成的保冷材料。

目前LNG储罐由16万方大型储罐向20万方、22万方、27万方超大型储罐发展，材料成本越来越高；其主要受力结构为混凝土外罐和9％镍钢内罐，能否对其进行合理可靠的力学分析将决定整个储罐能否安全可靠同时控制成本。对于此类特殊结构，采用有限元软件进行受力分析，乃至采用多种有限元软件进行对比验证已成为国内外惯例。

ABAQUS软件是国内外应用最广、认可程度最高的大型通用有限元软件之一，在土木建筑、机械、材料、声学、电磁学等多个领域都有着广泛应用，在国内高校、科研机构和工程公司有着比较高的普及度。因此结合ABAQUS软件开发LNG储罐有限元模型、进行有限元分析，是掌握LNG储罐在不同荷载下的力学响应规律、得到受力分析结果并确定尺寸和用料的一个重要且有效的途径，对提高设计可靠性同时兼顾经济性具有重要意义。

发明内容

本发明要解决的技术问题是如何提供一种能够真实反映桩土相互作用并提取关键位置内力，从而为确定材料用量提供重要参考的基于有限元软件的LNG全容式储罐的力学分析方法。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于有限元软件的LNG全容式储罐的力学分析方法，所述方法包括步骤：S1、确定储罐各结构单元类型，并建立部件结构。

S2、根据设计资料建立各类混凝土、钢材和保冷材料的材料属性，并赋予相应结构。

S3、根据设计要求装配所述储罐各部分结构。

S4、根据分析类型选择相应分析步和输出变量。

S5、对外罐、内罐和保冷材料三个部件划分网格，对关键部位进行剖分并加密网格。

S6、建立储罐模型各部分相互作用关系和桩土相互作用关系。

S7、根据需要施加各类荷载作用和边界条件。

S8、计算完成后，提取桩基、外罐和内罐内力。

优选的，所述步骤S1具体包括：通过以梁单元模拟桩基础，通过以实体单元模拟外罐和保冷结构，通过以壳单元模拟内罐，根据要求分别建立所述桩基础、所述外罐、所述保冷结构及所述内罐。

优选的，所述步骤S2包括：通过对所述外罐、所述保冷结构及所述内罐的结构分别进行剖分。

优选的，通过对所述外罐、所述保冷结构及所述内罐的结构分别进行剖分具体包括步骤：将所述外罐剖分为承台、罐壁和穹顶；将所述内罐进行分层处理，根据设计要求中的密度、弹性模量和泊松比数据建立混凝土和保冷结构材料属性，并赋予相应的结构；建立所述梁单元截面属性，根据桩基参数输入桩径并赋予桩基础；根据所述内罐设计参数建立多个壳单元截面属性，分别输入内罐壁板厚度，赋予对应内罐壁板。

优选的，所述步骤S3具体包括：根据桩基布置图采用阵列方法布置桩基；根据储罐设计图纸将桩基与外罐合并为一个部件结构，并将保冷材料和内罐移动到相应位置。

优选的，所述步骤S4包括：根据所述分析类型选择相应分析步，对恒荷载、活荷载、风荷载、雪荷载、预应力荷载、水压/气压试验、气升顶荷载、保压浇筑荷载、操作/泄漏工况液压荷载选择静态分析步；对操作/泄漏工况温度场分析选择传热分析步，对操作/泄漏工况热力耦合分析作用选择热力耦合分析步；对地震作用，进行反应谱分析时振型分析和反应谱分析步或时程分析步。

优选的，所述步骤S5包括：对外罐、内罐和保冷材料进行精细化剖分，使其能够划分三维八节点减缩积分六面体网格，布种密度间距1m-2m；以一个水平坐标轴为中心线将外罐、内罐和保冷材料均划分出1m宽区域，增加布种密度，所述布种密度为0.125m；对实体单元采用三维八节点减缩积分实体单元，对梁单元采用空间两节点线单元梁单元，对壳单元采用四节点减缩积分壳单元。

优选的，所述步骤S6包括：通过铁绑定外罐和保冷材料、保冷材料和内罐；根据地质勘察报告划分储罐下土层，确定各土层标高、厚度，计算桩基的计算宽度b，根据土质情况确定水平抗力系数的比例系数m，根据k＝z×b×m×h计算出弹簧常数k，其中，z和h分别为弹簧所在位置的深度和土层厚度；将桩基础按土层剖分，每层土中点位置施加弹簧常数相等的两个水平方向的弹簧。

优选的，所述步骤S7包括：对桩端施加固支约束；根据需要对模型施加各类荷载，其中恒荷载、活荷载、风荷载、雪荷载、预应力荷载、水压/气压试验、气升顶荷载、保压浇筑荷载、操作/泄漏工况液压荷载、爆炸荷载可通过压强施加，操作/泄漏工况温度场分析和热力耦合分析可通过生成负载选项中的热通量或者创建边界条件选项中的温度施加，地震作用可通过输入地震反应谱或地震加速度时程曲线施加。

优选的，所述步骤S8包括：提交计算并完成后提取各关键部位内力，对桩基内力可以直接提取梁单元的轴力、剪力和弯矩；对内罐可以直接提取等效应力；对承台和穹顶实体单元结构，采用提取桩截面的轴力和弯矩的方法提取1m宽加密区域的径向轴力/弯矩和环向轴力/弯矩；对罐壁采用提取桩截面的轴力和弯矩的方法提取1m宽加密区域的竖向轴力/弯矩和环向轴力/弯矩。

本发明的技术效果在于：S1、确定储罐各结构单元类型，并建立部件结构；S2、根据设计资料建立各类混凝土、钢材和保冷材料的材料属性，并赋予相应结构；S3、根据设计要求装配所述储罐各部分结构；S4、根据分析类型选择相应分析步和输出变量；S5、对外罐、内罐和保冷材料三个部件划分网格，对关键部位进行剖分并加密网格；S6、建立储罐模型各部分相互作用关系和桩土相互作用关系；S7、根据需要施加各类荷载作用和边界条件；S8、计算完成后，提取桩基、外罐和内罐内力。使得全容式储罐的所有重要受力结构，能够准确反映各结构之前的相互关系，并能够简洁有效地反映地质条件对桩基及整个储罐的影响；能够实现模型关键位置实体单元内力的提取，可以在不过多增加单元数、控制计算成本的情况下得到较为准确的结果。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种基于有限元软件的LNG全容式储罐的力学分析方法的流程图。

图2是本发明实施例提供的有限元软件中某LNG储罐建模整体图。

图3是本发明实施例提供的有限元软件中某LNG储罐模型分解图。

图4是本发明实施例提供的有限元软件中某LNG储罐建模整体图。

图5是本发明实施例提供的有限元软件中某LNG储罐模型分解图。

图6是本发明实施例提供的有限元软件中某LNG储罐模型整体图。

图7是本发明实施例提供的有限元软件中某LNG储罐模型网格剖面及加密区域图。

图8是本发明实施例提供的某LNG储罐模型桩土弹簧图。

附图标记说明：1-穹顶，2-罐壁，3-承台，4-桩基，5-底部和侧壁保冷材料，6-内罐壁板和底板，7-网格加密区域，8-桩土弹簧。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

如图1所示，本发明实施例提供了一种基于有限元软件的LNG全容式储罐的力学分析方法，所述方法包括步骤：S1、确定储罐各结构单元类型，并建立部件结构。

具体的，通过有限元软件来确定储罐的各结构单元类型，通过获取的各结构单元类型，来建立部件结构。

S2、根据设计资料建立各类混凝土、钢材和保冷材料的材料属性，并赋予相应结构。

具体的，根据设计的资料来建立各类混凝土、钢材和保冷材料的材料属性，并根据建立的各类混凝土、钢材和保冷材料的材料属性赋予相应结构。其中，相应结构混凝土结构，钢材结构，保冷材料结构等。

S3、根据设计要求装配所述储罐各部分结构。

具体的，根据上述获得的混凝土、钢材、保冷材料赋予的相应结构，根据设计要求装配储罐各部分结构，从而使得储罐装配方便。

S4、根据分析类型选择相应分析步和输出变量。

S5、对外罐、内罐和保冷材料三个部件划分网格，对关键部位进行剖分并加密网格。

具体的，通过对外罐、內罐和保冷材料这三个部件划分网格，对关键部位进行剖分并加密网格，使得外罐、內罐和保冷材料网格划分清楚，同时，还能对主要的部位进行加密网格，外罐、內罐和保冷材料安全性高。

S6、建立储罐模型各部分相互作用关系和桩土相互作用关系。使得储罐模型和桩土相互作用关系建立完整，方便了解储罐模型和桩土。

S7、根据需要施加各类荷载作用和边界条件。

S8、计算完成后，提取桩基4、外罐和内罐内力。

其中，本发明的有限元软件为ABAQUS有限元软件。

具体实施例时，确定储罐各结构单元类型，并建立部件结构；根据设计资料建立各类混凝土、钢材和保冷材料的材料属性，并赋予相应结构；根据设计要求装配所述储罐各部分结构；根据分析类型选择相应分析步和输出变量；对外罐、内罐和保冷材料三个部件划分网格，对关键部位进行剖分并加密网格；建立储罐模型各部分相互作用关系和桩土相互作用关系；根据需要施加各类荷载作用和边界条件；计算完成后，提取桩基4、外罐和内罐内力。使得全容式储罐的所有重要受力结构，能够准确反映各结构之前的相互关系，并能够简洁有效地反映地质条件对桩基4及整个储罐的影响；能够实现模型关键位置实体单元内力的提取，可以在不过多增加单元数、控制计算成本的情况下得到较为准确的结果。

在本发明的一个可选实施例中，如图2-8所示，所述步骤S1具体包括：在Part模块(常用模块)中，通过以梁单元模拟桩基4础，通过以实体单元模拟外罐和保冷结构，通过以壳单元模拟内罐，根据设计图纸要求分别建立所述桩基4础、所述外罐、所述保冷结构及所述内罐。其中，外罐包括承台3、罐壁2和穹顶1等。

在本发明的一个可选实施例中，如图2-8所示，所述步骤S2包括：通过对所述外罐、所述保冷结构及所述内罐的结构分别进行剖分。通过对不同的外罐、保冷结构和內罐分别进行有效的剖分，从而使得外罐、内罐和保冷结构剖分清楚，便于人们了解各个外罐、内罐和保冷结构的结构。

在本发明的一个可选实施例中，如图2-8所示，通过对所述外罐、所述保冷结构及所述内罐的结构分别进行剖分具体包括步骤：将所述外罐剖分为承台3、罐壁2和穹顶1；将所述内罐进行分层处理，根据设计要求中的密度、弹性模量和泊松比数据建立混凝土和保冷结构材料属性，并赋予相应的结构；建立所述梁单元截面属性，根据桩基4参数输入桩径并赋予桩基4础；根据所述内罐设计参数建立多个壳单元截面属性，分别输入内罐壁2板厚度，赋予对应内罐壁2板。使得外罐、内罐、保冷结构各个结构剖分清楚，便于进行分析。

在本发明的一个可选实施例中，如图2-8所示，所述步骤S3具体包括：在Assembly(程序集)模块中，根据桩基4布置图采用阵列方法布置桩基4；根据储罐设计图纸将桩基4与外罐合并为一个部件结构，并将保冷材料和内罐移动到相应位置。

具体的，根据桩基4布置图采用阵列方法布置桩基4；根据储罐设计图纸将桩基4与外罐合并为一个部件结构，并将底部和侧壁保冷材料5和内罐壁板和底板6移动到相应位置。

在本发明的一个可选实施例中，所述步骤S4包括：在Step模块中，根据所述分析类型选择相应分析步，对恒荷载、活荷载、风荷载、雪荷载、预应力荷载、水压/气压试验、气升顶荷载、保压浇筑荷载、操作/泄漏工况液压荷载等静力荷载选择Static General(静态)分析步。对操作/泄漏工况温度场分析选择Heat transfer(传热)分析步，对操作/泄漏工况热力耦合分析作用选择Coupled temp-displacement(热力耦合)分析步。对地震作用，进行反应谱分析时Frequency(振型分析)和Response Spectrum(反应谱)分析步或Dynamic,Implicit(时程分析)分析步。这样通过不同的分析类型选择不同的分析步，使得全容式储罐的所有重要受力结构，能够准确反映各结构之前的相互关系，并能够简洁有效地反映地质条件对桩基4及整个储罐的影响；能够实现模型关键位置实体单元内力的提取，从而使得分析效果更佳。

在本发明的一个可选实施例中，如图2-8所示，所述步骤S5包括：在Mesh模块中，对外罐(包括桩基4)、内罐和保冷材料进行精细化剖分，使其能够划分三维八节点减缩积分(3D8R)六面体网格，布种密度宜间距1m-2m；以一个水平坐标轴为中心线将外罐、内罐和保冷材料均划分出1m宽区域，增加布种密度，所述布种密度为0.125m；对实体单元采用三维八节点减缩积分(C3D8R)实体单元，对梁单元采用空间两节点线单元(B31)梁单元，对壳单元采用四节点减缩积分(S4R)壳单元。

在本发明的一个可选实施例中，如图2-8所示，所述步骤S6包括：在Interaction(相互作用)模块，通过铁绑定外罐和保冷材料、保冷材料和内罐；根据地质勘察报告划分储罐下土层，确定各土层标高、厚度，计算桩基4的计算宽度b，根据土质情况和《建筑桩基4技术规范》确定水平抗力系数的比例系数m，根据k＝z×b×m×h计算出弹簧8常数k，其中，z和h分别为弹簧8所在位置的深度和土层厚度；将桩基4础按土层剖分，每层土中点位置施加弹簧8常数相等的两个水平方向的弹簧8。

在本发明的一个可选实施例中，如图2-8所示，所述步骤S7包括：在Load模块中，对桩端施加固支约束；根据需要对模型施加各类荷载，其中恒荷载、活荷载、风荷载、雪荷载、预应力荷载、水压/气压试验、气升顶荷载、保压浇筑荷载、操作/泄漏工况液压荷载、爆炸荷载可通过压强(Pressure)施加，操作/泄漏工况温度场分析和热力耦合分析可通过生成负载(Creat load)选项中的热通量(heat flux)或者创建边界条件(Creat BoundaryCondition)选项中的温度施加，地震作用可通过输入地震反应谱或地震加速度时程曲线施加。

在本发明的一个可选实施例中，如图2-8所示，所述步骤S8包括：提交计算并完成后提取各关键部位内力，对桩基4内力可以直接提取梁单元的轴力、剪力和弯矩；对内罐可以直接提取等效应力；对承台3和穹顶1实体单元结构，采用提取桩截面的轴力和弯矩的方法提取1m宽加密区域7的径向轴力/弯矩和环向轴力/弯矩；对罐壁2采用提取桩截面的轴力和弯矩的方法提取1m宽加密区域7的竖向轴力/弯矩和环向轴力/弯矩。以上内力值可用于配筋计算、裂缝校核等。

以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。