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十五万方非锚固油罐地震时程响应及动力屈曲分析

作　者: 王雷
导　师: 陈志平
学　校: 浙江大学
专　业: 化工过程机械
关键词: 十五万方油罐抗震规范动力响应 “象足”屈曲时程响应环向应力
分类号: TE972
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
下　载: 89次
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内容摘要

大型非锚固油罐是我国石油战略储备库的关键设备。在地震作用下,油罐的动力响应非常复杂。虽然从20世纪30年代开始,学者们就针对储油罐的动力响应进行了大量的研究,并编制了相应的规范,但是按规范设计的立式储油罐,在大的地震灾害中时有破坏发生,说明油罐动力响应机理和因素尚待进一步研究。本文针对大型非锚固十五万方油罐,进行地震时程响应分析,并利用等壁厚模型和简谐波加载对“象足”屈曲破坏行为进行研究,同时分析各种情况下动水压力产生的环向应力对“象足”屈曲的影响。开展的主要工作为：(1)对比分析中、美、日油罐抗震规范对地震力的考虑及对“象足”屈曲控制方法的异同；并以十五万方油罐为算例,采用无量纲参数法对中、美、日油罐规范的计算结果进行比较。(2)罐壁采用双线性弹塑性硬化材料,液体采用无旋、有粘、不可压缩流体,同时考虑材料、几何和接触状态非线性对十五万方油罐进行地震动力时程响应分析。分析了应力沿罐壁高度的分布情况,研究了储液的晃动、油罐的提离、油罐的滑移和罐壁加速度放大等现象,并得到了提离与晃动波高、轴向压应力之间的关系,以及比较了等壁厚和变壁厚模型对地震响应的异同等。(3)利用等壁厚模型和简谐波加载研究“象足”屈曲破坏的行为。研究结果表明：“象足”屈曲是弹塑性局部屈曲,是环向应力和轴向应力联合作用的结果。发生的条件是环向应力接近或者MISES应力超过材料的屈服应力,同时轴向压应力超过许用临界应力。油罐发生“象足”屈曲时,罐壁变形非常大会带动底板一起变形,底板也可能会发生塑性屈服破坏。(4)研究环向应力对“象足”屈曲的影响。研究结果表明：只有环向应力接近或MISES应力大于材料屈服应力时,油罐才会发生“象足”屈曲；环向应力越大,油罐越容易发生“象足”屈曲,在环向应力不高时,即使轴向压应力较大也不易发生“象足”屈曲。并从液面高度、载荷特征周期、载荷类型和载荷作用方向等方面研究动水压力产生的环向应力对“象足”屈曲的影响。

全文目录

致谢  5-6
摘要  6-7
ABSTRACT  7-9
目录  9-11
1 绪论  11-24
  1.1 研究背景  11-14
  1.2 非锚固油罐抗震研究简介  14-17
    1.2.1 地震对油罐的破坏形式  14-15
    1.2.2 油罐抗震研究方法介绍  15-17
  1.3 国内外非锚固油罐抗震研究进展  17-23
    1.3.1 油罐地震响应研究的进展  17-20
    1.3.2 非锚固油罐提离理论模型研究的进展  20-21
    1.3.3 油罐"象足"屈曲研究的进展  21-23
  1.4 本文主要研究内容和方法  23-24
2 油罐抗震理论和有限元相关理论  24-43
  2.1 油罐工程抗震设计的基本理论  24-31
    2.1.1 刚性基本理论  24-27
    2.1.2 弹性基本理论  27-29
    2.1.3 三质点力学模型理论  29-31
  2.2 有限元方法和理论  31-38
    2.2.1 接触碰撞算法  32-37
    2.2.2 Lagrange、Euler和ALE算法  37
    2.2.3 流固耦合算法  37
    2.2.4 大变形动力学数值计算方法  37-38
  2.3 地震波相关理论  38-42
    2.3.1 地震反应谱  38-40
    2.3.2 人工地震波拟合  40-42
  2.4 小结  42-43
3 中美日油罐规范对"象足"屈曲控制的比较分析  43-59
  3.1 美国石油协会规范API 650  43-48
    3.1.1 罐壁底部轴向压应力和环向应力计算式  43-45
    3.1.2 "象足"屈曲的控制  45-48
  3.2 日本钢制焊接油罐规范JIS B 8501  48-51
    3.2.1 罐壁底部轴向压应力和环向应力计算式  48-49
    3.2.2 "象足"屈曲的控制  49-51
  3.3 立式圆筒形钢制焊接油罐设计规范GB 50341  51-52
    3.3.1 罐壁底部轴向压应力计算式  51-52
    3.3.2 "象足"屈曲的控制  52
  3.4 钢制常压立式圆筒形储罐抗震鉴定标准SH/T 3026  52-54
    3.4.1 罐壁底部轴向压应力的计算式  52-53
    3.4.2 "象足"屈曲的控制  53-54
  3.5 十五万方油罐抗震计算算例  54-58
    3.5.1 十五万方油罐参数  54-55
    3.5.2 十五万方油罐抗震计算  55-58
  3.6 小结  58-59
4 十五万方油罐的地震时程响应分析  59-91
  4.1 有限元模型  59-61
  4.2 地震波简介  61-62
  4.3 基于8度远震作用下的油罐动力时程响应分析  62-75
    4.3.1 MISES应力时程  63-67
    4.3.2 晃动波高时程  67-69
    4.3.3 轴向应力时程  69-70
    4.3.4 提离时程  70-72
    4.3.5 加速度放大效应  72-74
    4.3.6 油罐滑移  74-75
  4.4 基于多遇地震和罕遇地震作用下的油罐动力时程响应分析  75-82
    4.4.1 多遇地震作用下的MISES应力时程  77-78
    4.4.2 罕遇地震作用下的MISES应力时程  78-79
    4.4.3 罕遇地震作用下的晃动波高和提离时程  79-80
    4.4.4 罕遇地震作用下的轴向应力时程  80-82
  4.5 等壁厚和变壁厚模型比较  82-88
    4.5.1 等壁厚的MISES应力时程  82-84
    4.5.2 等壁厚晃动波高时程  84-86
    4.5.3 等壁厚提离时程  86-87
    4.5.4 加速度放大效应  87-88
  4.6 小结  88-91
5 环向应力对"象足"屈曲行为的影响  91-108
  5.1 "象足"屈曲行为分析  91-98
  5.2 动水压力产生的环向应力对"象足"屈曲影响  98-106
    5.2.1 液面高度的影响  98-100
    5.2.2 载荷特征周期的影响  100-103
    5.2.3 载荷类型的影响  103-105
    5.2.4 载荷作用方向的影响  105-106
  5.3 小结  106-108
6 总结与展望  108-110
  6.1 总结  108-109
  6.2 展望  109-110
参考文献  110-113
作者简历  113

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