CN112926129B - 一种应用于港口石化钢制储罐抗风圈优化设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于港口石化钢制储罐抗风圈优化设计方法，首先用壳体单元建立钢储罐结构有限元模型，定义抗风圈设计参数空间，采用优化策略利用有限元方法得到设计参数与储罐动力抗风屈曲承载力w_cr之间的关系，以偏导数

时所对应的抗风圈圈数n和间距d，为抗风圈优化设计方案，供设计选择。本发明能够快速有效地得到储罐钢结构抗风加强圈的最经济设计方案，即在该抗风圈圈数和间距情况下增加用钢量不能提高动力抗风屈曲承载力，为港口大型钢制圆柱形石化储罐抗风安全和设计经济性提供科学依据。

Description

一种应用于港口石化钢制储罐抗风圈优化设计方法

技术领域

本发明涉及港口抗风减灾安全设备设计方法技术领域，更具体的说是涉及一种应用于港口石化钢制储罐抗风圈优化设计方法。

背景技术

港口大型圆柱形石化储罐属于大型薄壁钢结构，在风压作用下易发生屈曲凹瘪破坏，造成严重的经济损失并引发安全事故。在储罐顶部或沿储罐高度布置水平抗风圈能够有效提升储罐结构的抗风屈曲承载力，在各个国际规范中给出了抗风圈截面选择的一些计算方法和构造要求。

但是，这些计算方法采取了大量简化，并不是出于储罐-抗风圈整体体系的抗动力屈曲提出的，而且并未合理配置抗风圈的截面和间距，使得用钢量相同的情况下动力屈曲承载效率最高，在一定程度上造成了材料的不合理使用和浪费。

因此，提供一种应用于港口石化钢制储罐抗风圈优化设计方法是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种应用于港口石化钢制储罐抗风圈优化设计方法，能够快速有效地得到储罐钢结构抗风圈的最经济设计方案。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种应用于港口石化钢制储罐抗风圈优化设计方法，包括以下步骤：

1)建立储罐有限元模型，利用壳单元模拟储罐罐壁和抗风圈，单元划分时在抗风圈的相应高度上设置节点，并输入抗风圈的截面和数量自动建模以实现抗风圈的参数化建模；

2)根据风洞试验或CFD数值模拟结果得到的储罐净风压系数，再乘以可调整的参考风压w，换算到节点或单元相应的位置，加载在有限元模型上；

3)进行特征值屈曲分析，并以一阶模态的模式在储罐上施加初始缺陷，用于后续承载力分析；

4)定义抗风圈设计参数空间，其中圈数为n，用钢量为B，间距为d，及各个参数的取值范围和步长增量，得到设计参数空间：(n_i,B_j,d_k)，其中i＝1，…，N；j＝1，…，J；k＝1，…，K；

5)在抗风圈设计参数空间选取参数取值，利用有限元方法进行储罐动力屈曲分析，得到设计参数与储罐动力抗风屈曲承载力之间的关系w_cr(n,B,d)；

其中具体优化策略迭代方法如下：

Ⅰ：对于抗风圈圈数n＝n_i＝i，用钢量B＝B_j＝jΔB，依次计算间距d＝d_k＝kΔd时的w_cr(n_i,B_j,d_k)，初始地，k从1开始依次增大，直到w_cr(n_i,B_j,d_k)<w_cr(n_i,B_j,d_k-1)时停止，将此时的k-1记为k_ij，为抗风圈圈数i，用钢量B_j下的最优间距d_k，此时的承载力记为w_crij；

Ⅱ：对于抗风圈圈数n＝n_i＝i，对下一个用钢量B＝B_j+1＝(j+1)ΔB，依次计算间距d＝d_k＝kΔd时的w_cr(n_i,B_j,d_k)，k从k_ij依次增大，直到w_cr(n_i,B_j+1,d_k)>w_cr(n_i,B_j+1,d_k+1)时停止，得到k_ij+1；

Ⅲ：对于抗风圈圈数n＝n_i＝i，当出现增加用钢量，最优间距不变，k_ij＝k_{i j-1}时，继续增加用钢量，最优间距保持为k_ijΔd，继续增加用钢量，计算w_crij，直到(w_crij-w_crij-1)<<(w_crij-1-w_crij-2)为止，此时的w_crij-1记为w_cri，表示抗风圈圈数i时的承载力最优解；此时再继续增大用钢量，承载力提升程度较低；

Ⅳ：改变抗风圈圈数，重复上述Ⅰ～Ⅲ，得到w_cri(i＝1，…，N)，w_crij,k_ij(i＝1，…，N；j＝1，…，J)；

6)在w_cri(i＝1，…，N)中进行选择或微调。

通过采取以上方案，本发明的有益效果是：

(1)该方法能够提升港口大型钢制石化储罐动力抗风屈曲承载力，节约抗风圈钢材用量，兼顾了结构安全性与经济性的量化指标，为港口大型钢制圆柱形石化储罐抗风安全和设计经济性提供科学依据；

(2)该方法以储罐钢结构抗风圈设计参数空间为优化参数空间，采用有限元方法得到设计参数与储罐动力抗风屈曲承载力w_cr之间的关系，以偏导数

时所对应的抗风圈圈数n和间距d，为抗风圈优化设计方案，供设计选择；

(3)可根据该方法得到的抗风圈优化设计方案，为不同抗风圈圈数n时的用钢量最经济方案，实际抗风设计时，结合设计风速和构造要求在方案中进行选择和调整。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1附图为本发明提供的一种应用于港口石化钢制储罐抗风圈优化设计方法的整体流程图；

图2附图为本发明提供的储罐有限元模型的结构示意图；

图3附图为本发明提供的优化策略迭代方法的数据表格；

图4附图为本发明提供的储罐抗风圈优化结果曲线图；

图5附图为本发明提供的优化后储罐的荷载位移曲线图。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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。

本发明实施例的储罐直径设定为85m，高度设定为16.8m，罐壁厚度按照美国API规范确定，最小厚度为t＝10mm，初始缺陷取为最小壁厚的0.5倍。

本发明实施例公开了一种应用于港口石化钢制储罐抗风圈优化设计方法，包括以下步骤：

1)根据设计参数建立钢储罐有限元模型(如图2所示)，利用ANSYS有限元软件壳单元模拟储罐罐壁和抗风圈，单元尺寸选择为1.48m(对应1°圆心角)x 0.3m；

2)根据风洞试验结果得到的储罐净风压系数(如果采用静态风压系数需乘以阵风系数以简化考虑脉动风的影响；如果采用动态风压系数时程，可以进行动态时程分析得到精确解，也可以取驻点处最大风压时刻的风压分布来考虑动态屈曲的最不利荷载分布；本实施例采用动态风压系数时程，取驻点处最大风压时刻的风压分布来考虑动态屈曲的最不利荷载分布)，乘以可调整的参考风压w，换算到节点或单元相应的位置加载在结构有限元模型上；

3)进行特征值屈曲分析，并以一阶模态的模式在储罐上施加初始缺陷，用于后续承载力分析；

4)定义抗风圈设计参数空间(圈数n，用钢量表示为抗风圈高度总和B，间距d)及各个参数的取值范围和步长增量，得到设计参数空间(n_i,B_j,d_k)，i＝1，…，5；j＝1，…，20，ΔB＝0.1m；k＝1，…，15，Δd＝0.3m(同单个网格高度)；

5)在抗风圈设计参数空间选取参数取值，利用有限元方法进行储罐动力屈曲分析，得到设计参数与储罐动力抗风屈曲承载力之间的关系w_cr(n,B,d)；

以n＝3为例展示具体优化策略迭代方法如图3：

计算B₁＝0.1，d_k＝kΔd(k＝1,2)，时的w_cr，发现w_cr(3,0.1,d₂)<w_cr(3,0.1,d₁)，则k₃₁＝1；

计算B₂＝0.2，d_k＝kΔd(k＝1,2…,5)，时的w_cr，发现w_cr(3,0.2,d₅)<w_cr(3,0.2,d₄)，则k₃₂＝4；

计算B₃＝0.3，d_k＝kΔd(k＝4,5…,7)，时的w_cr，发现w_cr(3,0.3,d₇)<w_cr(3,0.3,d₆)，则k₃₃＝6；

计算B₄＝0.4，d_k＝kΔd(k＝6,7…,9)，时的w_cr，发现w_cr(3,0.4,d₉)<w_cr(3,0.4,d₈)，则k₃₄＝8；

计算B₅＝0.5，d_k＝kΔd(k＝8,9,10)，时的w_cr，发现w_cr(3,0.5,d₁₀)<w_cr(3,0.5,d₉)，则k₃₅＝9；

计算B₆＝0.6，d_k＝kΔd(k＝9,10)，时的w_cr，发现w_cr(3,0.5,d₁₀)<w_cr(3,0.5,d₉)，则k₃₆＝9＝k₃₅；

计算B₇＝0.7，d_k＝kΔd(k＝9)，时的w_cr发现w_cr37-w_cr36＝40.7<<w_cr36-w_cr35＝127.9，因此取w_cr3＝w_cr36＝1802.4kPa。

以此类推，可得n＝1,2,4,5时的w_crn，如图4所示。

6)根据设计需要，在w_cri(i＝1，…，N)中进行选择或微调。

图5给出优化结果的荷载位移曲线，当设计风压取0.75kPa要求最大位移不超过t时，可取n＝3的优化结果，抗风圈间距为2.7m，每个抗风圈翼缘高度为0.2m(B＝0.6m)，该方案最为经济安全。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (1)

1.一种应用于港口石化钢制储罐抗风圈优化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)建立储罐有限元模型，利用壳单元模拟储罐罐壁和抗风圈，单元划分时在抗风圈的相应高度上设置节点，并输入抗风圈的截面和数量自动建模以实现抗风圈的参数化建模；

2)根据风洞试验或CFD数值模拟结果得到的储罐净风压系数，再乘以可调整的参考风压w，换算到节点或单元相应的位置，加载在有限元模型上；

3)进行特征值屈曲分析，并以一阶模态的模式在储罐上施加初始缺陷，用于后续承载力分析；

4)定义抗风圈设计参数空间，其中圈数为n，用钢量为B，间距为d，及各个参数的取值范围和步长增量，得到设计参数空间：(n_i,B_j,d_k)，其中i＝1，…，N；j＝1，…，J；k＝1，…，K；

5)在抗风圈设计参数空间选取参数取值，利用有限元方法进行储罐动力屈曲分析，得到设计参数与储罐动力抗风屈曲承载力之间的关系w_cr(n,B,d)；

其中具体优化策略迭代方法如下：

Ⅰ：对于抗风圈圈数n＝n_i＝i，用钢量B＝B_j＝jΔB，依次计算间距d＝d_k＝kΔd时的w_cr(n_i,B_j,d_k)，初始地，k从1开始依次增大，直到w_cr(n_i,B_j,d_k)<w_cr(n_i,B_j,d_k-1)时停止，将此时的k-1记为k_ij，为抗风圈圈数i，用钢量B_j下的最优间距d_k，此时的承载力记为w_crij；

Ⅱ：对于抗风圈圈数n＝n_i＝i，对下一个用钢量B＝B_j+1＝(j+1)ΔB，依次计算间距d＝d_k＝kΔd时的w_cr(n_i,B_j,d_k)，k从k_ij依次增大，直到w_cr(n_i,B_j+1,d_k)>w_cr(n_i,B_j+1,d_k+1)时停止，得到k_ij+1；

Ⅲ：对于抗风圈圈数n＝n_i＝i，当出现增加用钢量，最优间距不变，k_ij＝k_ij-1时，继续增加用钢量，最优间距保持为k_ijΔd，继续增加用钢量，计算w_crij，直到(w_crij-w_crij-1)<<(w_crij-1-w_crij-2)为止，此时的w_crij-1记为w_cri，表示抗风圈圈数i时的承载力最优解；此时再继续增大用钢量，承载力提升程度较低；

Ⅳ：改变抗风圈圈数，重复上述Ⅰ～Ⅲ，得到w_cri(i＝1，…，N)，w_crij,k_ij(i＝1，…，N；j＝1，…，J)；

6)在w_cri(i＝1，…，N)中进行选择或微调。

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