爆炸荷载作用下大型立式圆柱形储油罐动力响应分析

论文摘要

随着石化工业的发展,近些年来的能源危机和国家原油战略储备库项目的实施,迫使我国不得不建造更多更大的油罐。然而石油属于易燃易爆物质,如此众多数量的巨大油罐一旦发生爆炸等突发事故,将会导致严重的人员伤亡和财产损失,特别是爆炸后产生的次生灾害会对人类的生存环境造成更为严重的影响和危害。为了确保储液罐这类生命线工程的安全,有必要对其进行爆炸动力响应分析和抗爆性能评价,以采取必要的工程措施减轻直接和次生灾害。目前在储液罐的抗爆研究中,主要通过建立爆炸灾害数学评价方法与特征模型来对爆炸灾害进行风险分析与安全评价。虽然流体计算与爆炸力学结合的方法也得到一定程度的应用,但是针对大型储油罐爆炸模拟没有形成系统分析,无法为石化行业的大型储罐的防护和防爆设计提供有效的科学依据。因此本文结合大型储油罐结构的特点,采用大型通用有限元分析软件ANSYS/LSDYNA对拱顶立式圆柱形储油罐和浮顶立式圆柱形储油罐进行数值模拟和爆炸动力响应计算分析。本文主要是关于立式圆柱形储液罐在考虑液、空气等流体与钢制储油罐结构间的耦合、材料的非线性等多种因素作用下的爆炸动力反应分析问题。基于以上,本文做了以下几个方面的研究工作:1.基于ANSYS/LSDYNA对立式储液罐进行数值分析的基本原理以及爆炸动力学基本原理建立了试验用的缩尺拱顶罐和浮顶罐有限元模型。2.数值计算结果与路胜卓师兄所做储液罐爆炸试验结果进行了比较和分析,有效验证了储液罐ANSYS/LSDYNA模型的可靠性。3.建立了实际的5000m~3的拱顶储油罐有限元模型,进行了外部爆炸反应分析和内部爆炸反应分析。研究了此两种工况下的拱顶罐破坏机理。4.建立了实际的大型10×10~4m~3的浮顶储油罐有限元模型,进行了近地面爆炸反应分析和顶部爆炸反应分析。研究了近地面爆炸浮顶罐的破坏机理以及顶部爆炸时罐口单元的有效应力。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及研究意义
• 1.2 爆炸荷载下的储液罐研究现状
• 1.2.1 爆炸灾害数学评价方法
• 1.2.2 爆炸载荷模型研究概况
• 1.2.3 爆炸对结构响应的研究概况
• 1.3 研究中存在的不足
• 1.4 ANSYS/LSDYNA 在本文中的应用
• 1.5 本文主要研究内容
• 第2章 ALE 算法和试验罐数值模型的建立
• 2.1 引言
• 2.2 ALE 算法基本原理
• 2.2.1 ALE 算法及多物质单元的概念
• 2.2.2 结构动力学显式分析理论
• 2.3 实验用缩尺储液罐数值模型的建立
• 2.3.1 单元类型
• 2.3.2 材料模型和参数
• 2.3.3 实验用缩尺拱顶罐数值模型
• 2.3.4 实验用缩尺浮顶罐数值模型
• 2.4 本章小结
• 第3章 试验罐数值模型可靠性验证
• 3.1 引言
• 3.2 模爆器内储液罐爆炸试验简介
• 3.2.1 拱顶罐测点布置
• 3.2.2 浮顶罐测点布置
• 3.3 空气域及炸药有限元模型的建立
• 3.4 储液罐的数值模拟结果与试验结果的比较及分析
• 3.4.1 拱顶罐数值模拟结果与试验结果的比较及分析
• 3.4.2 浮顶罐数值模拟结果与试验结果的比较及分析
• 3.5 本章小结
• 第4章 5000 立方米拱顶储油罐爆炸反应分析
• 4.1 引言
• 4.2 5000 立方米拱顶储油罐ANSYS 模型的建立
• 4.2.1 5000 立方米拱顶储油罐尺寸数据
• 4.2.2 5000 立方米拱顶储油罐ANSYS 模型的建立
• 4.3 5000 立方米拱顶储油罐爆炸反应分析
• 4.3.1 5000 立方米拱顶储油罐外部爆炸反应
• 4.3.2 5000 立方米拱顶储油罐内部爆炸反应
• 4.4 本章小结
• 第5章 10 万立方米浮顶储油罐爆炸反应分析
• 5.1 引言
• 5.2 10 万立方米浮顶储油罐ANSYS 模型的建立
• 5.2.1 10 万立方米浮顶储油罐尺寸数据
• 5.2.2 10 万立方米浮顶储油罐ANSYS 模型的建立
• 5.3 10 万立方米浮顶储油罐近地面爆炸反应分析
• 5.3.1 罐壁进入塑性阶段的分析
• 5.3.2 罐壁塑性应变沿罐高的变化
• 5.4 10 万立方米浮顶储油罐顶部爆炸反应分析
• 5.5 本章小结
• 结论与展望
• 参考文献
• 致谢