立式圆柱形储液罐轴对称液固耦合模态分析.pdf

李金光等 立式圆柱形储液罐的轴对称液固耦合模态分析 23 立式圆柱形储液罐的轴对称液固耦合模态分析 李金光 郑建华 宋延杰 程 伟 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软件进行轴对称液固耦合模态 分析的方法和注意事项，并以储液罐为例进行计算 ，将轴对称有限元计算结果与三维有限元计算结果及公式计 算结果进行比较。 关键词 圆柱形储液罐 轴对称 液固耦合 模态分析 立式圆柱形钢制储液罐作为一种重要的储液 法不但可以达到与三维液固耦合模态分析相同的 容器，已广泛应用于石油化工行业的各个领域。 计算结果，还可以节省建模的计算时间，提高计 国内工程界对储罐的设计、建造积累了丰富的工 算效率，下面就这一应用进行详细介绍。 程经验 ，众多学者、工程师也对其特有的液固相 1 液固耦合有限元运动方程 互作用的动力特性展开 了研究，取得 了相应的研 究成果 ：文献 1建立了液固耦合的动力运动方程， 在进行液固耦合分析时，通常假定液体为无 采用Amoldi方法分析储液容器的三维液固耦合动 粘 (忽略阻尼粘滞作用)、无旋、不可压缩和小幅 力特性问题；文献2采用强耦合法对储液容器流固 度运动，固体为线弹性材料。液固耦合的模态分 耦合系统进行模态分析，并与附加质量法及文献 析特征值方程为 J： 计算结果进行了比较；文献 3对立式圆柱形钢制储 ([M]+ [ ]){6)+ [K]{6)=0 (1) 液罐的液固耦合问题，从理论分析出发，通过合 [ ] = [S] [H] [S] (2) 理建模 ，利用ANSYS有限元软件对4种锚固式储 [s]=f[Ⅳ][] (3) 油罐进行了模态分析；文献4讨论了储液罐的液固 式中，P为液体密度；6和 5分别为固体节点位移 耦合有限元运动方程及其特性，介绍了利用 AN— 和加速度；[ ]和 []分别为固体单元的质量 SYS软件进行立式圆柱形储液罐的三维液固耦合模 矩阵和刚度矩阵； [ ]为液固耦合质量矩阵； 态分析的方法和注意事项，并以一个储液罐为例 []为流体单元的刚度矩阵；[Ⅳ]为压力的形函 进行了计算。 数；[_Ⅳ]为节点位移6的形函数；s为固体与液体 纵观以上的研究成果，采用的技术手段都是 的接触面。 建立三维有限元模型，进行液固耦合模态分析。 三维有限元模型的液固耦合模态分析固然是最合 2 液固耦合模态分析在ANSYS中的实现 理的且能反映储罐动力特性的分析方法，但 由于 三维模型的单元、节点较多，计算效率较为低下， 2．1 单元选择 所需的计算时间也较长；同时，随着储罐建设规 利用ANSYS有限元软件进行轴对称液固耦合 模越来越大，三维有限元模型的规模也随之增大， 模态分析时，可用轴对称谐波封闭液体单元 FLU— 再采用三维液固耦合的分析方法进行计算则会使 ID81来模拟液体，该单元是对轴对称结构实体单 计算效率更低。 元 (PLANE25)做的修改 (有4个节点，每个节 ANSYS软件提供了轴对称模态分析的功能， 点有x、