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郑建华等 立式圆柱形储液罐的三维液固耦合模态分析
立式圆柱形储液罐的三维液固耦合模态分析
郑建华 李金光 唐辉永 中国寰球工程公司 北京 100029
摘要 讨论储液罐的液固耦合有限元运动方程及其特性,介绍利用ANSYS软件来进行立式圆柱形储液罐
的三维液固耦合模态分析的方法和注意事项,并以一个储液罐为例进行计算。将有限元计算结果与规范API650
中的公式计算值进行 比较,结果表明两者吻合较好。
关键词 圆柱形储液罐 液固耦合 模态分析 ANSYS
立式圆柱形钢制储液罐作为石油化工行业的 [K]分别为固体单元的质量矩阵、阻尼矩阵和刚
重要储液容器,常用来存放乙烯、丙烯、原油、 度矩阵;[G]、 [H]分别为流体单元的可压缩性
工业废水、消防水和公用工程用水等液体介质。 引起的质量矩阵和刚度矩阵; [s]为流固耦合矩
储液罐一旦在地震作用下发生破坏,容器中的可 阵;{P}为作用于固体的已知动力荷载,N。其中,
燃或有毒的各种液体介质会从容器 中泄漏出来, [S]=f[N]p|[Ⅳ]ds (3)
易引发火灾、爆炸等次生灾害。因此,在设计时, 式中,[N]为压力P的形函数,[N]为节点位移
必须对其在地震作用下的动力特性及规律进行 8的形函数,s为固体与液体的接触面。
研究。
当液体不可压缩时, [G]=0,代人方程
在地震作用下,储液罐的罐壁和罐内液体会
(1),可得:
发生相互作用,一方面罐壁会受到罐内液体的动
{p}=[刖 [S]{} (4)
压力作用产生变形,另一方面罐壁的变形反过来
将方程 (4)代入方程 (2),可得:
对液体的动压力分布和大小又产生一定 的影响。
([M]+[ ]){}+[c]{6}+[]{6}+{P}=0(5)
因此,在进行储液罐的动力特性计算时,应将罐
壁和罐内液体的这种相互作用进行整体考虑,也 [ ]=--Is]r[H] [S] (6)
‘ P
就是进行液固耦合分析。 由此可见,如果液体是不可压缩的,其固体
1 液固耦合有限元运动方程 的运动方程式 (5)与一般弹性结构的运动方程是
一 致的,只是在质量矩阵 [M]上增加了一个附加
在进行液固耦合分析时,通常假定液体为无
矩阵 [M ]…。由于 [M ]反映了液体质量对固
粘 (忽略阻尼粘滞作用)、无旋、不可压缩和小幅
体运动的影响,因此可称为附加质量矩阵…,也
度运动,固体为线弹性材料。在用有限单元法对
称为液固耦合质量矩阵。
储液罐进行液固耦合的动力特性分析时,通常对
综上可见,液固耦合的模态分析问题可转化
结构采用位移作为基本变量,对液体采用压力作
为基本变量,可得到液固耦合运动的矩阵微分方 为典型的无阻尼模态分析的经典的特征值问题:
程组如下…: ([M]+[』I]){}+[K]{占}=0
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