LNG储罐在冲击荷载作用下的受力分析

论文摘要

液化天然气（Liquified Natural Gas,简称LNG）作为优质能源在世界范围内的需求日趋增多,相应的作为LNG储备容器也随之增加,LNG储罐作为气源接收站的重要设备,为重要用气部门及设施安全运行提供有力保障,具有不可替代的作用。因储罐中的LNG为易燃、易爆介质,一旦遭受破坏,大量可燃液体外泄和燃烧,可能导致毁灭性的次生灾害。因此储罐在冲击荷载作用下的安全性是建造储罐的重要问题之一。本文介绍了LNG储罐的发展概况;结构动力分析方法的基本原理;钢筋混凝土在冲击荷载作用下的材料动态力学特性;然后对ANSYS/LS-DYNA在求解冲击问题中的单元类型、材料模型和接触类别等问题进行详细说明,选出适合于冲击荷载作用下储罐结构分析模型的建模方法。针对LNG储罐在冲击荷载作用的下的动力性能进行了研究,主要用以一质量块来撞击储罐外壁和穹顶,选择11种荷载工况,对其结果进行分析比较:1.在质量块的质量和速度一定的情况下,质量块撞击储罐罐壁不同位置时,其等效应力随着储罐高度的降低而降低;在质量一定,速度不同的情况下,质量块以速度为70m/s时对LNG储罐外罐壁的影响最大。2.在质量块以不同速度冲击穹顶时,随着时间的增加穹顶应力扩散的范围逐渐增加,当达到最大面积时,基本为整个穹顶。穹顶和罐壁的交界处附近也有应力,因此质量块冲击穹顶时影响最大。储罐在冲击下应力由撞击点呈圆形向外扩展,储罐的最大应力发生在撞击点。3.在撞击点在罐壁上的工况中,工况7造成的储罐的应力最大,工况10、11的影响范围大。在工况7下,罐体仅表面混凝土失效,但内部混凝土并未发生破坏。因此应该加强穹顶和罐壁交界处的构造措施,避免严重的破坏发生。而穹顶处的冲击则表现出,持续时间长,范围大,而且由于重力的作用会造成重物反复的撞击穹顶,对穹顶的影响较大,需加强保护,尽量避免重物跌落。4.冲击荷载只会影响到撞击点局部应力的变化,产生高应力、大应变,对其他部分基本不会影响。研究结果表明:在撞击点在罐壁上的工况中,撞击罐壁上部时对储罐的影响较大,罐体仅表面混凝土失效,但内部混凝土并未发生破坏。因此应该加强穹顶和罐壁交界处的构造措施,避免严重的破坏发生。而穹顶处的冲击则表现出,持续时间长,范围大,而且由于重力的作用会造成重物反复的撞击穹顶,对穹顶的影响较大,需加强保护。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 创新点摘要
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 LNG 储罐的发展概况
• 1.3 LNG 储罐的分类
• 1.4 LNG 储罐结构抗冲击研究的意义和现状
• 1.5 本文主要研究的内容
• 第二章 结构动力学分析基本理论及材料动态力学特性
• 2.1 引言
• 2.2 结构动力分析方法的基本原理
• 2.2.1 Hamilton 变分原理
• 2.2.2 中心差分法
• 2.3 LNG 预应力外罐混凝土动态力学性能
• 2.3.1 混凝土的动态抗压强度
• 2.3.2 混凝土的动态屈服强度
• 2.3.3 混凝土的动态弹性模量
• 2.3.4 混凝土的动态应力应变关系
• 2.4 LNG 预应力外罐钢筋动态力学性能
• 2.4.1 钢材在快速变形下的力学性能
• 2.5 本章小结
• 第三章LNG 储罐预应力混凝土外罐在冲击荷载作用下的有限元数值模拟
• 3.1 有限元方法概述
• 3.2 ANSYS/LS-DYNA 软件介绍
• 3.2.1 ANSYS/LS-DYNA 软件的发展过程
• 3.2.2 ANSYS/LS-DYNA 动力分析功能
• 3.3 隐式-显式序列求解
• 3.3.1 序列求解概述
• 3.3.2 隐式-显式求解步骤
• 3.4 LNG 储罐预应力外罐的有限元分析方法
• 3.4.1 单元的选择
• 3.4.2 LNG 储罐预应力混凝土外罐的有限元模型
• 3.4.3 预应力钢筋的处理
• 3.5 LNG 储罐预应力外罐有限元模型的建立
• 3.5.1 工程概况
• 3.5.2 计算假设
• 3.5.3 单元的选取
• 3.5.4 网格的划分
• 3.5.5 边界条件和约束情况
• 3.5.6 材料的本构关系
• 3.6 模型验证
• 3.7 本章小结
• 第四章LNG 预应力混凝土外罐在冲击荷载作用下的有限元数值分析
• 4.1 LNG 预应力混凝土外罐碰撞工况
• 4.2 罐壁数值计算结果分析
• 4.2.1 工况1 数值计算结果分析
• 4.2.2 工况2 数值计算结果分析
• 4.2.3 工况3 数值计算结果分析
• 4.2.4 工况4 数值计算结果分析
• 4.2.5 工况5 数值计算结果分析
• 4.2.6 工况6 数值计算结果分析
• 4.2.7 工况7 数值计算结果分析
• 4.2.8 工况8 数值计算结果分析
• 4.2.9 工况9 数值计算结果分析
• 4.2.10 撞击罐壁工况数值计算结果对比分析
• 4.2.11 罐壁厚度方向应力变化
• 4.3 罐顶数值计算结果分析
• 4.3.1 工况10 数值计算结果分析
• 4.3.2 工况11 数值计算结果分析
• 4.4 本章小结
• 结论与展望
• 参考文献
• 发表文章目录
• 致谢
• 详细摘要