CN109214020B - 一种储罐弹塑性象足屈曲临界载荷获取方法及装置 - Google Patents
一种储罐弹塑性象足屈曲临界载荷获取方法及装置 Download PDFInfo
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Abstract
本发明实施例公开了一种储罐弹塑性象足屈曲临界载荷获取方法及装置。方法包括：获取储罐、储罐附件和地基的结构参数；根据结构参数包括的几何结构和材料应力应变关系建立有限元全模型；对所述有限元全模型设置载荷和罐壁最大环向应力，并对所述有限元全模型设置预设边界条件；以轴向压力载荷数据为有限元全模型的输入变量，对储罐发生弹塑性象足屈曲的过程进行分析，获取罐壁所受轴向压应力与罐壁形变之间的对应变化数据；根据对应变化关系获取储罐的弹塑性屈曲临界载荷。本发明实施例通过建立有限元全模型，并对其设置储罐的属性数据以及其他限制条件，然后以轴向压力载荷数据为模型的输入，模拟分析出使得储罐罐壁进入弹塑性象足屈曲的临界载荷，具有模拟真实度高、计算结果精确的优点。
Description
技术领域
本发明实施例涉及石油化工技术领域，具体涉及一种储罐弹塑性象足屈曲临界载荷获取方法及装置。
背景技术
象足屈曲主要是罐壁纵向压应力超过临界应力而产生的局部屈曲破坏。由于大型非锚固油罐高径比小，属于矮圆柱壳结构，因此，象足屈曲是此类储罐在地震作用下的一种典型破坏方式。当储罐的轴向压应力超过屈曲临界应力，环向应力接近材料的屈曲极限时，象足屈曲便会发生。它是环向拉应力及轴向压应力共同作用使罐壁产生的外凸膨胀变形，这种塑性变形主要发生在罐壁底部。
大型储油罐一旦发生了屈曲，就很难进行修复，因此，在抗震设计中应防止罐壁发生轴压失稳。
在实现本发明实施例的过程中，发明人发现国内外标准针对大型焊接油罐发生象足屈曲失稳的主要预防措施是在抗震设计时，限制罐壁临界应力的大小，要求地震激励下罐壁底部的轴向压应力应小于许用临界应力。基于薄壁圆柱壳弹性屈曲理论，储罐屈曲的许用临界应力σcr与材料弹性模量E、底层壁板厚度t及储罐半径R相关，不同的是系数K，计算公式可统一为
而储罐一旦发生象足屈曲，将进入弹塑性屈曲状态，上述公式的理论假设过于理想化，最后得出的临界应力存在较大误差。
有限元分析可以模拟复杂结构的实际运行状态，弥补理论计算模型的不足及实际测量的误差。然而，大多数文献在研究储罐轴压下的稳定性时，为了更容易获得地震所致的象足屈曲，均将罐壁假设为等壁厚。虽然象足屈曲通常发生在储罐的底层壁板附近，但壁板间的厚度差异对沉降储罐的罐壁变形及轴压屈曲是有显著影响的。而且，发明人发现，为计算方便，多数研究中都忽略抗风圈、加强圈等附件的作用，采用轴对称建模方式进行有限元分析。因此，目前的计算模型较为理想化，不符合储罐的运行状态，缺少实际的工程意义。
发明内容
本发明实施例的一个目的是解决现有技术以弹性屈曲理论和简化的有限元模型计算弹塑性屈曲的临界应力导致计算出的结果存在较大误差的问题。
本发明实施例提出了一种储罐弹塑性象足屈曲临界载荷获取方法，包括：
获取储罐、储罐附件和地基的结构参数；
根据所述结构参数建立包括所述储罐、所述储罐附件和所述地基的储罐系统的有限元全模型；
根据所述结构参数对所述有限元全模型设置载荷和罐壁最大环向应力，并对所述有限元全模型设置预设边界条件；
通过所述有限元全模型对储罐发生弹塑性象足屈曲的过程进行分析，获取储罐罐壁所受轴向压应力与储罐罐壁形变之间的对应变化数据；
根据所述对应变化数据获取所述储罐的弹塑性象足屈曲临界载荷。
可选的，所述根据所述结构参数对所述有限元全模型设置载荷数据包括：
根据所述结构参数对所述有限元全模型设置储罐固有的载荷数据；
将预设的第一载荷数据作为变量施加至所述有限元全模型；
或者，
根据所述结构参数获取储罐固有的载荷数据；
根据所述固有的载荷数据和预设的第一载荷数据获取第二载荷数据，并将所述第二载荷数据作为变量施加至所述有限元全模型。
可选的，所述根据所述结构参数对所述有限元全模型设置储罐固有的载荷数据包括：
根据所述结构参数包括的储罐、储罐附件的结构尺寸和材料参数对所述有限元全模型设置所述储罐和储罐附件的自重载荷；
根据所述储罐的结构尺寸对所述有限元全模型设置存储介质的液体静压力载荷；
相应地，所述对所述有限元全模型设置最大环向应力包括：
通过对所述有限元全模型设置液体静压力对所述有限元全模型的罐壁设置最大环向应力。
可选的，所述液体静压力为所述储罐在最高液位时的液体静压力。
可选的，所述预设边界条件为地基下表面处理为全约束。
可选的，所述通过所述有限元全模型对储罐发生弹塑性象足屈曲的过程进行分析包括：
对储罐发生弹塑性象足屈曲的过程进行求解与分析，获取储罐罐壁的轴向压应力变化数据，并同步采集所述储罐罐壁的形变变化数据。
可选的，所述根据所述对应变化数据获取所述储罐的弹塑性屈曲临界载荷包括：
对所述对应变化数据进行分析，获取所述轴向压应力和所述储罐罐壁的轴向位移，或者，所述轴向压应力和所述储罐罐壁的径向位移之间的对应变化关系；
根据所述对应变化关系获取所述储罐罐壁的屈曲点，并将所述屈曲点对应的轴向压应力作为所述储罐的弹塑性屈曲临界载荷。
本发明实施例提出了一种储罐弹塑性象足屈曲临界载荷获取装置，包括：
获取模块，用于获取储罐、储罐附件和地基的结构参数；
建模模块，用于根据所述结构参数建立包括所述储罐、所述储罐附件和所述地基的储罐系统的有限元全模型；
设置模块，用于根据所述结构参数对所述有限元全模型设置载荷和罐壁最大环向应力，并对所述有限元全模型设置预设边界条件；
分析模块，用于通过所述有限元全模型对储罐发生弹塑性象足屈曲的过程进行分析，获取储罐罐壁所受轴向压应力与储罐罐壁形变之间的对应变化数据；
处理模块，用于根据所述对应变化数据获取所述储罐的弹塑性象足屈曲临界载荷。
可选的，所述分析模块，用于对储罐发生弹塑性象足屈曲的过程进行求解与分析，获取储罐罐壁的轴向压应力变化数据，并同步采集所述储罐罐壁的形变变化数据。
可选的，所述处理模块，用于对所述对应变化数据进行分析，获取所述轴向压应力和所述储罐罐壁的轴向位移，或者，所述轴向压应力和所述储罐罐壁的径向位移之间的对应变化关系；根据所述对应变化关系获取所述储罐罐壁的屈曲点，并将所述屈曲点对应的轴向压应力作为所述储罐的弹塑性屈曲临界载荷。
由上述技术方案可知，本发明实施例提出的一种储罐弹塑性象足屈曲临界载荷获取方法及装置基于储罐、储罐附件和地基的几何结构和材料的应力应变关系建立有限元全模型，然后对有限元全模型设置载荷、预设边界条件和罐壁的最大环向应力，然后以变化的轴向载荷数据为有限元全模型的输入，模拟分析出使得储罐进入弹塑性象足屈曲的临界载荷，与现有技术相比，具有模拟真实度高、计算结果精确的优点。
附图说明
通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：
图1示出了本发明一实施例提供的一种储罐弹塑性象足屈曲临界载荷获取方法的流程示意图；
图2示出了本发明另一实施例提供的一种储罐弹塑性象足屈曲临界载荷获取方法的流程示意图；
图3a和图3b示出了本发明一实施例提供的有限元全模型的结构示意图；
图4a和图4b示出了本发明一实施例提供的有限元全模型中储罐附件的结构示意图；
图5示出了本发明一实施例提供的象足屈曲状态下的有限元全模型的结构示意图；
图6示出了本发明一实施例提供的载荷-位移曲线的示意图；
图7示出了本发明一实施例提供的一种储罐弹塑性象足屈曲临界载荷获取装置的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1示出了本发明一实施例提供的一种储罐弹塑性象足屈曲临界载荷获取方法的流程示意图，参见图1，该方法可由处理器实现，具体包括如下步骤：
110、获取储罐、储罐附件和地基的结构参数；其中，储罐附件包括加强圈、抗风圈、肋板等等。
需要说明的是，在着手准备建立某储罐的有限元全模型之前，储罐真实的结构参数均是可以预先获取的，例如：罐体的材料、中幅板尺寸、壁板尺寸，以及储罐各壁板的板材型号，附件的尺寸和材料，地基环墙材料和砂土地基材料以及储罐容积等等参数。
另外，此处的研究目的可以举例为评估不同结构、不同尺寸储罐的抗震能力。
120、根据所述结构参数建立包括所述储罐、所述储罐附件和所述地基的储罐系统的有限元全模型；
需要说明的是，基于步骤110中获取的结构参数，将结构参数输入至相应的软件中，即可通过软件构建出与实际储罐相对应的有限元全模型，软件举例为：ansys、abaqus等。
另外，不难理解的是，由于结构参数中包括了储罐的材料的应力应变关系，因此，构建出的有限元全模型实际上已经具备了随着应力的变化发生形变的属性。而且由于储罐附件对储罐有着保护作用，因此，本实施例还设置了储罐附件的应力应变关系，这样在对储罐分析时，可以在最大程度上真实反应出储罐的受力情况，为后续的弹塑性分析提供精确的分析基础。
130、根据所述结构参数对所述有限元全模型设置载荷和罐壁最大环向应力，并对所述有限元全模型设置预设边界条件；
需要说明的是，此处的载荷数据包括储罐的自重载荷以及存储介质的载荷等，预设边界条件可视研究需求而定。
不难理解的是，基于步骤120建立的有限元全模型以及本步骤中设置的载荷和限制条件等，将本步骤中的轴向压力载荷数据作为变量施加至有限元全模型中，施加位置为储罐的罐壁，相应地，有限元全模型会随着输入的载荷数据的变化而发生对应形变。
140、通过所述有限元全模型对储罐发生弹塑性象足屈曲的过程进行分析，获取储罐罐壁所受轴向压应力与储罐罐壁形变之间的对应变化数据；
需要说明的是，弹塑性屈曲是介于弹性屈曲和塑性屈曲之间的一种屈曲形式，屈曲前结构处于弹性应力状态，而屈曲时由于扰动变形使一部分材料进入塑性，即屈曲后结构处于弹塑性应力状态；
更具体的，此处的弹塑性屈曲分析更侧重于弹塑性-象足屈曲分析，即：分析储罐发生弹塑性-象足屈曲的过程中，罐壁所受轴向压应力与储罐罐壁形变之间的对应变化数据。
在本发明实施例中，通过将预设定的载荷数据(轴向压力)输入至有限元全模型中，然后同步解析并采集储罐罐壁的形变数据。可知，随着输入载荷数据的变化，形变数据也随之变化，进而基于轴向压力解析出的轴向压应力，分析出轴向压应力和罐壁形变之间的对应关系；
其中，轴向压力的设定可根据分析对象、要求来合理设计，例如：针对不同的抗震要求设置匹配的轴向压力，针对不同规格的储罐设置匹配的轴向压力。
150、根据所述对应变化关系获取所述储罐的弹塑性屈曲临界载荷。
需要说明的是，在获取到轴向压应力-形变之间的对应变化关系后，可通过构建曲线图、表格等方式展示给技术人员，由技术人员判断发生屈曲破坏时的临界载荷；
或者，由处理器基于预设的规则对轴向压应力-形变之间的对应变化关系进行分析，当轴向压应力和形变之间满足一定的条件时，判定满足条件的点对应的轴向压应力为临界载荷。
其中，最后得出的临界载荷可以为一个值，也可以为一个范围。
可见，本发明实施例基于储罐、储罐附件和地基的几何结构和材料的应力应变关系建立有限元全模型，然后对有限元全模型设置载荷、预设边界条件和罐壁的最大环向应力，然后以变化的轴向载荷数据为有限元全模型的输入，模拟分析出使得储罐进入弹塑性象足屈曲的临界载荷，与现有技术相比，具有模拟真实度高、计算结果精确的优点。
图2示出了本发明另一实施例提供的一种储罐弹塑性象足屈曲临界载荷获取方法的流程示意图，参见图2，该方法可由处理器来实现，具体包括如下步骤：
210、获取储罐、储罐附件、地基的结构尺寸和材料参数；
220、根据所述结构参数建立包括所述储罐、所述储罐附件和所述地基的储罐系统的有限元全模型，参见图3。
230、根据所述结构参数对所述有限元全模型设置载荷数据和罐壁的最大环向应力，并对所述有限元全模型设置预设边界条件。
步骤230具体包括两种实现方案：
第一种方案：首先，根据所述结构参数对所述有限元全模型设置固有载荷数据；然后，对所述有限元全模型设置第一载荷数据。其中，第一载荷数据可以为由小到大依次增大的一串连续或者离散的载荷数据，第一载荷数据的范围可根据储罐的设计要求而定，其中，固有载荷数据举例为：储罐的自重载荷、储罐附件的自重载荷以及储罐存储介质的液体静压力载荷；第一载荷数据具体指额外的、作为变量的、施加在储罐罐壁的轴向压力；第一载荷数据和固有载荷数据相互独立。
另外，设置固有载荷数据的步骤具体包括：根据结构参数包括的所述储罐、储罐附件的结构尺寸和材料参数对所述有限元全模型设置所述储罐和储罐附件的自重载荷；根据所述储罐的结构尺寸对所述有限元全模型设置存储介质的液体静压力载荷。
而相应地，可通过设置所述液体静压力载荷，使罐壁最大环向应力接近储罐材料的屈服强度，以满足象足屈曲发生的条件之一。不难理解的是，液体静压力载荷与最大环向应力之间的关系可通过实验、专家经验得出，此处不限定其获取方式。
第二种方案：根据所述结构参数获取储罐固有的载荷数据；
根据所述固有的载荷数据和预设的第一载荷数据获取第二载荷数据，并将所述第二载荷数据作为变量输入至所述有限元全模型。其中，第二载荷数据指综合考虑储罐的固有载荷以及额外需要施加的轴向压力载荷得出的轴向和径向载荷。
可见，两种方案各有优缺点，其中，第一种方案在用于对同型号的储罐进行分析时，无需更改模型中储罐的固有载荷数据，而仅需要根据设计需求更改作为模型的输入变量的第一载荷数据(轴向压力载荷数据)即可，可见，第一种方案具有减少设置载荷数据的量，从而提高分析效率的优点，进一步地，技术人员可将各型号储罐的有限元全模型设置完固定载荷数据后进行保存，当需要对某种型号储罐进行分析时，可从数据库中提出该型号对应有限元全模型即可，从而进一步地提高分析的效率。而第二种方案在对有限元全模型设置载荷数据时，每次都会将储罐的固有载荷数据和额外附加的载荷数据作为一个整体输入至有限元模型；可见，第二种方案适用于不同型号的储罐或者同型号储罐，具有很好的通用性。
其中，预设边界条件为地基下表面处理为全约束，即X、Y、Z方向的位移为零。
240、基于步骤230设置的载荷数据和边界条件，通过有限元全模型对储罐发生弹塑性象足屈曲的过程进行求解与分析，获取轴向压应力变化数据，并同步采集所述储罐罐壁的形变变化数据；
需要说明的是，随着步骤230设置的输入至有限元全模型的轴向压力载荷数据的不断增大，储罐逐渐进入弹塑性象足屈曲的状态。在发生象足屈曲的前后过程中，由有限元全模型基于预设的算法执行求解步骤，然后，基于工作人员的选取操作或者预设置好的操作指令对储罐罐壁的轴向压应力和形变数据进行采集。其中，预设的算法可以为非线性算法中的弧长算法或非线性稳定算法，具体的算法此处不加限定。
250、对轴向压应力-形变对应变化数据进行分析；
需要说明的是，此处的形变变化数据可以具体为罐壁的轴向位移数据或者径向位移；因此，对轴向压应力-形变对应变化数据的分析可具体为对轴向压应力-轴向位移的对应变化数据的分析或者对轴向压应力-径向位移的对应变化数据的分析，进而获取轴向压应力和轴向位移之间的对应变化关系，参见图6；
或者轴向压应力和径向位移之间的对应变化关系；
另外，基于对组成储罐罐壁的各壁板的受力分析，不难理解的是，受到轴向压应力最大的、最容易发生象足屈曲的壁板是位于罐壁下部的两层壁板，因此，在罐壁进入象足屈曲的状态后，可采集屈曲位置或高于屈曲位置的罐壁的轴向位移,或屈曲位置的径向位移并加以分析，轴向压应力是指屈曲位置的轴向压应力。
260、根据所述对应变化关系获取所述储罐罐壁的屈曲点，并将所述屈曲点对应的轴向压应力作为所述储罐的弹塑性屈曲临界载荷。
需要说明的是，确定屈曲点的方式有多种，具体举例以下两种：
1、将对应变化关系以曲线图(参见图6，)的形式展示给工作人员，由工作人员基于经验确定屈曲点。
2、由处理器对曲线图进行分析，当曲线在某点处的斜率接近于零时，则确定该点为屈曲点。
总之，当轴向压应力不再增加，但轴向位移继续增大时，则表明罐壁发生了屈曲。其中，屈曲点为曲线形状发生突变，曲线斜率接近于零的点。
可见，本发明实施例通过建立有限元全模型对储罐进行弹塑性分析，以模拟分析出使得储罐进入弹塑性象足屈曲的临界载荷，与现有技术相比，具有模拟真实度高、计算结果精确的优点。
本发明实施例的内容，由于其与图1对应实施例的实施方式基本相似，所以描述的比较简单，相关之处参见图1对应实施例的实施方式的部分说明即可。
对于方法实施方式，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本发明实施方式并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本发明实施方式，某些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施方式均属于优选实施方式，所涉及的动作并不一定是本发明实施方式所必须的。
下面对本发明实施例的原理进行示例性说明：
以10×104m3的大型外浮顶立式圆筒形原油储罐为研究对象，公称直径80m，罐壁高度21.8m，设计液位高度19.8m。该方法包括如下步骤：
310、获得储罐的材料参数
具体地，该参数包括：材料的抗拉强度sb，屈服强度σy，弹性模量E。上述参数可通过金属拉伸试验获得。
320、确定材料的应力应变本构关系
根据步骤1获得的基本参数，采用公式(1)中的Ramberg-Osgood模型确定材料等效应力σ与等效应变ε的本构关系：
式中：εy为屈服点的弹性应变，εy＝σy/E；σy为屈服应力；E为弹性模量，E＝2.06×105MPa；α为硬化系数，α＝屈服点的塑性应变/屈服点的弹性应变，屈服点的塑性应变取0.2％；m为幂硬化指数。具体数值如表1所示。
材料幂硬化指数m通过公式(2)获得：
表1储罐材料参数
340、建立大型非锚固变壁厚储罐有限元全模型，参见图3a和图3b
储罐的主要结构、材料参数见表2。根据储罐的物理性质和几何特征，同时考虑环墙式地基、变壁厚、加强圈及肋板、抗风圈及支撑、包边角钢等所有附件的影响，其中，抗风圈及支撑、加强圈及肋板均是按照实际的几何结构进行建模，参见图4a和图4b，建立大型非锚固变壁厚储罐有限元全模型。采用接触单元模拟储罐底板与地基间的相互作用，将接触单元施加在储罐底板与地基接触的所有区域，通过4节点壳单元模拟储罐壁板、储罐底板、抗风圈、加强圈及肋板，通过梁单元模拟罐壁顶层包边角钢、抗风圈的支撑，采用不同弹性模量的8节点实体单元模拟储罐的环墙式地基；钢筋混凝土环墙和砂土地基的弹性模量分别取2×1010Pa、1.6×107Pa。模型建立后，分别对储罐和地基进行网格划分。
表2 10×104m3储罐结构参数
350、边界条件的设定和最大环向应力、载荷的施加
边界条件：地基下表面处理为全约束(X、Y、Z方向位移为零)。
载荷施加：首先，施加罐体及所有附件的自重载荷，钢材密度7850kg/m3。
然后，在储罐内施加最高液位下2倍的静水压，使罐壁环向应力最大值接近材料的屈服强度，不难理解的是，施加的静水压与屈服强度之间的关系可通过实验、专家值等方式获取。液体静压力从液面到罐底成三角形线性分布，从上到下逐渐增大，以均布载荷的方式加到罐壁板和底板，其表达式如下：
p＝rg(H-z) (3)
其中，p为静水压力，Pa；r为储液密度，kg/m3；g为重力加速度，N/kg；H为储罐内液体的高度，m；z为距离罐底板的轴向距离，m。
最后，在储罐轴向施加轴向加速度，致使罐壁产生足够的轴向压应力。需要说明的是，对于等壁厚储罐可以通过在罐顶施加集中力的简单方式获得屈曲，然而，对于随着高度的增加，壁厚逐渐减小的变壁厚储罐，采用同样的方式将使罐壁顶部屈曲，而无法获得罐壁底部的象足屈曲。因此，本发明提出了在储罐罐壁施加轴向加速度，使罐壁的轴向载荷随着罐壁高度的下降而逐渐增加，从而成功获得罐壁底部的象足屈曲。其中，使施加在罐壁的轴向载荷随着罐壁高度的下降而逐渐增加的方法并不唯一，还可举例为：采用指数函数的形式对罐壁施加轴向压力。
360、进行数值求解
采用非线性稳定算法进行迭代求解。采用罚函数法对储罐底板与地基间的接触进行求解。储罐底板与地基之间的摩擦系数取为0.2。
需要说明的是，迭代求解的方法并不唯一，还可举例为：弧长法。而此处选用非线性稳定算法，是因为非线性稳定算法处理局部不稳定和整体不稳定问题都能有很好的收敛效果，进而能在保证计算结果精度的同时，提高计算效率，节约时间。其原理是在单元的每个节点增加人工阻尼单元，通过阻尼法或能量法以避免刚度矩阵产生零主元或负特征值带来的不收敛。因为任何趋于失稳的结构，其自由度都会产生大的位移增量，而位移增量引发的阻尼力又抑制了自由度的位移，因此，实现了稳定性。有限元方程如下：
其中，[K]，[C]，
[u]，[F]分别为刚度矩阵，阻尼矩阵，速度矩阵，位移矩阵和载荷矩阵。其中，速度是指虚拟速度，等于位移增量除以载荷子步的时间增量。
当结构趋于失稳临界点，刚度矩阵[K]出现奇异或非正时，阻尼矩阵[C]的引入有效避免了方程无解的现象，并因此而获得合理的位移解。
不难理解的是，将预设计的轴向压应力输入公式(4)中，更新载荷矩阵，进而计算获取罐壁位移。通过此种数值求解方法既能分析结构的屈曲响应，又减少了计算时间。
370、以轴向压应力-轴向位移为例，确定罐壁屈曲临界载荷
储罐罐壁屈曲的有限元云图见图5。从图中可以看到罐壁底部出现明显的象足屈曲，屈曲位置在距离罐底2.72m的高度，即发生在第一、二层罐壁变厚度的焊缝附近。根据求解结果，绘制载荷—位移曲线，见图6。横坐标为第二层壁板顶部节点的轴向位移，纵坐标为屈曲位置的轴向压应力。由图6可知，随着轴向压应力的增加，轴向位移不断增加，当轴向压应力达到29.87MPa时，曲线形状发生突变，斜率接近于0，表明罐壁发生了屈曲。因此，对于10×104m3大型变壁厚储罐，储罐罐壁弹塑性象足屈曲临界载荷为29.87MPa。
可见，本发明实施例通过建立有限元全模型对储罐进行弹塑性分析，以模拟分析出使得储罐进入弹塑性屈曲的临界载荷，与现有技术相比，具有模拟真实度高、计算结果精确的优点。
图7示出了本发明一实施例提供的一种储罐弹塑性象足屈曲临界载荷获取装置的结构示意图，参见图7，该装置包括：获取模块710、建模模块720、设置模块730、分析模块740和处理模块750，其中：
获取模块710，用于获取储罐、储罐附件和地基的结构参数；
建模模块720，用于根据所述结构参数建立包括所述储罐、所述储罐附件和所述地基的储罐系统的有限元全模型；
设置模块730，用于根据所述结构参数对所述有限元全模型设置载荷和罐壁最大环向应力，并对所述有限元全模型设置预设边界条件；
分析模块740，用于通过所述有限元全模型对储罐发生弹塑性象足屈曲的过程进行分析，获取储罐罐壁所受轴向压应力与储罐罐壁形变之间的对应变化数据；
处理模块750，用于根据所述对应变化数据获取所述储罐的弹塑性象足屈曲临界载荷。
需要说明的是，在接收到开始弹塑性分析的指令时，获取模块710从数据库中或者基于技术人员输入的数据获取储罐、储罐附件和地基的结构参数，并将获取的结构参数发送至建模模块720，由建模模块720基于接收到的结构参数建立与储罐对应的有限元全模型，然后由设置模块730为有限元全模型设置载荷数据和限制条件，例如：边界条件等，设置完成后，向分析模块740发送建模完成的信息，以使分析模块740基于有限元全模型对储罐进行分析，分析模块740通过不断调整储罐所受的轴向压力，并同步采集储罐罐壁的形变，进而获取轴向压应力-形变之间的对应关系数据，并将获取的对应关系数据发送至处理模块750；处理模块750通过对接收到的对应变化数据进行分析，得出储罐的弹塑性屈曲临界载荷，或者将对应变化数据进行整理成可视化的形式展示给技术人员，由技术人员自行确认储罐的弹塑性屈曲临界载荷。
可见，本发明实施例基于储罐、储罐附件和地基的几何结构和材料的应力应变关系建立有限元全模型，然后对有限元全模型设置载荷、预设边界条件和罐壁的最大环向应力，然后以变化的轴向载荷数据为有限元全模型的输入，模拟分析出使得储罐进入弹塑性象足屈曲的临界载荷，与现有技术相比，具有模拟真实度高、计算结果精确的优点。
下面对本实施例中的各功能模块进行详细说明：
首先，建模模块720所述结构参数对所述有限元全模型设置载荷数据的工作原理包括：
原理一：根据所述结构参数对所述有限元全模型设置储罐固有的载荷数据；然后，将根据储罐规格设置好的第一载荷数据作为变量输入至所述有限元全模型。
其中，设置固有载荷数据的步骤包括：根据所述储罐和储罐附件的结构尺寸和材料参数对所述有限元全模型设置所述储罐和储罐附件的自重载荷；根据所述储罐的结构尺寸对所述有限元全模型设置存储介质的液体静压力。
相应地，可通过设置所述液体静压力，使罐壁最大环向应力接近储罐材料的屈服强度，以满足象足屈曲发生的条件之一。
原理二：根据所述结构参数获取储罐固有的载荷数据；
根据所述固有的载荷数据和预设的第一载荷数据获取第二载荷数据，并将所述第二载荷数据作为变量输入至所述有限元全模型。
分析模块740的工作原理包括：
对储罐发生弹塑性象足屈曲的过程进行解析，获取储罐罐壁的轴向压应力变化数据，并同步采集所述储罐罐壁的形变变化数据。
处理模块750的工作原理包括：
对所述对应变化数据进行分析，获取所述轴向压应力和所述储罐罐壁的轴向位移之间的对应变化关系；或者，所述轴向压应力和所述储罐罐壁的径向位移之间的对应变化关系；根据所述对应变化关系获取所述储罐罐壁的屈曲点，并将所述屈曲点对应的轴向压应力作为所述储罐的弹塑性屈曲临界载荷。
对于装置实施方式而言，由于其与方法实施方式基本相似，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施方式的部分说明即可。
应当注意的是，在本发明的装置的各个部件中，根据其要实现的功能而对其中的部件进行了逻辑划分，但是，本发明不受限于此，可以根据需要对各个部件进行重新划分或者组合。
本发明的各个部件实施方式可以以硬件实现，或者以在一个或者多个处理器上运行的软件模块实现，或者以它们的组合实现。本装置中，PC通过实现因特网对设备或者装置远程控制，精准的控制设备或者装置每个操作的步骤。本发明还可以实现为用于执行这里所描述的方法的一部分或者全部的设备或者装置程序(例如，计算机程序和计算机程序产品)。这样实现本发明的程序可以存储在计算机可读介质上，并且程序产生的文件或文档具有可统计性，产生数据报告和cpk报告等，能对功放进行批量测试并统计。应该注意的是上述实施方式对本发明进行说明而不是对本发明进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施方式。在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。本发明可以借助于包括有若干不同元件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。单词第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序。可将这些单词解释为名称。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (9)
1.一种储罐弹塑性象足屈曲临界载荷获取方法，其特征在于，包括：
获取储罐、储罐附件和地基的结构参数；
根据所述结构参数建立包括所述储罐、所述储罐附件和所述地基的储罐系统的有限元全模型；
根据所述结构参数对所述有限元全模型设置载荷和罐壁最大环向应力，并对所述有限元全模型设置预设边界条件；所述载荷包括储罐的自重载荷以及存储介质的载荷；
通过所述有限元全模型对储罐发生弹塑性象足屈曲的过程进行分析，获取储罐罐壁所受轴向压应力与储罐罐壁形变之间的对应变化数据；
根据所述对应变化数据获取所述储罐的弹塑性象足屈曲临界载荷；
其中，所述根据所述结构参数对所述有限元全模型设置载荷数据包括：
根据所述结构参数对所述有限元全模型设置储罐固有的载荷数据；其中，固有载荷数据包括：储罐的自重载荷、储罐附件的自重载荷以及储罐存储介质的液体静压力载荷；
将预设的第一载荷数据作为变量施加至所述有限元全模型；其中，第一载荷数据为由小到大依次增大的一串连续或者离散的载荷数据，具体为额外的、作为变量的、施加在储罐罐壁的轴向压力；
或者，
根据所述结构参数获取储罐固有的载荷数据；其中，固有载荷数据包括：储罐的自重载荷、储罐附件的自重载荷以及储罐存储介质的液体静压力载荷；
根据所述固有的载荷数据和预设的第一载荷数据获取第二载荷数据，并将所述第二载荷数据作为变量施加至所述有限元全模型；其中，第一载荷数据为由小到大依次增大的一串连续或者离散的载荷数据，具体为额外的、作为变量的、施加在储罐罐壁的轴向压力；第二载荷数据为根据储罐的固有载荷以及额外需要施加的轴向压力载荷得出的轴向和径向载荷。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述结构参数对所述有限元全模型设置储罐固有的载荷数据包括：
根据所述结构参数包括的储罐、储罐附件的结构尺寸和材料参数对所述有限元全模型设置所述储罐和储罐附件的自重载荷；
根据所述储罐的结构尺寸对所述有限元全模型设置存储介质的液体静压力载荷；
相应地，所述对所述有限元全模型设置最大环向应力包括：
通过对所述有限元全模型设置液体静压力对所述有限元全模型的罐壁设置最大环向应力。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述液体静压力为所述储罐在最高液位时的液体静压力。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预设边界条件为地基下表面处理为全约束。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述通过所述有限元全模型对储罐发生弹塑性象足屈曲的过程进行分析包括：
对储罐发生弹塑性象足屈曲的过程进行求解与分析，获取储罐罐壁的轴向压应力变化数据，并同步采集所述储罐罐壁的形变变化数据。
6.根据权利要求1-5任一项所述的方法，其特征在于，所述根据所述对应变化数据获取所述储罐的弹塑性屈曲临界载荷包括：
对所述对应变化数据进行分析，获取所述轴向压应力和所述储罐罐壁的轴向位移，或者，所述轴向压应力和所述储罐罐壁的径向位移之间的对应变化关系；
根据所述对应变化关系获取所述储罐罐壁的屈曲点，并将所述屈曲点对应的轴向压应力作为所述储罐的弹塑性屈曲临界载荷。
7.一种储罐弹塑性象足屈曲临界载荷获取装置，其特征在于，包括：
获取模块，用于获取储罐、储罐附件和地基的结构参数；
建模模块，用于根据所述结构参数建立包括所述储罐、所述储罐附件和所述地基的储罐系统的有限元全模型；
设置模块，用于根据所述结构参数对所述有限元全模型设置载荷和罐壁最大环向应力，并对所述有限元全模型设置预设边界条件；所述载荷包括储罐的自重载荷以及存储介质的载荷；
分析模块，用于通过所述有限元全模型对储罐发生弹塑性象足屈曲的过程进行分析，获取储罐罐壁所受轴向压应力与储罐罐壁形变之间的对应变化数据；
处理模块，用于根据所述对应变化数据获取所述储罐的弹塑性象足屈曲临界载荷；
其中，所述设置模块在根据所述结构参数对所述有限元全模型设置载荷的处理过程中，具体用于：
根据所述结构参数对所述有限元全模型设置储罐固有的载荷数据；其中，固有载荷数据包括：储罐的自重载荷、储罐附件的自重载荷以及储罐存储介质的液体静压力载荷；
将预设的第一载荷数据作为变量施加至所述有限元全模型；其中，第一载荷数据为由小到大依次增大的一串连续或者离散的载荷数据，具体为额外的、作为变量的、施加在储罐罐壁的轴向压力；
或者，
根据所述结构参数获取储罐固有的载荷数据；其中，固有载荷数据包括：储罐的自重载荷、储罐附件的自重载荷以及储罐存储介质的液体静压力载荷；
根据所述固有的载荷数据和预设的第一载荷数据获取第二载荷数据，并将所述第二载荷数据作为变量施加至所述有限元全模型；其中，第一载荷数据为由小到大依次增大的一串连续或者离散的载荷数据，具体为额外的、作为变量的、施加在储罐罐壁的轴向压力；第二载荷数据为根据储罐的固有载荷以及额外需要施加的轴向压力载荷得出的轴向和径向载荷。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述分析模块，用于对储罐发生弹塑性象足屈曲的过程进行求解与分析，获取储罐罐壁的轴向压应力变化数据，并同步采集所述储罐罐壁的形变变化数据。
9.根据权利要求7或8所述的装置，其特征在于，所述处理模块，用于对所述对应变化数据进行分析，获取所述轴向压应力和所述储罐罐壁的轴向位移，或者，所述轴向压应力和所述储罐罐壁的径向位移之间的对应变化关系；根据所述对应变化关系获取所述储罐罐壁的屈曲点，并将所述屈曲点对应的轴向压应力作为所述储罐的弹塑性屈曲临界载荷。
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