CN113158505A - 一种温度载荷作用下lng全容式储罐受力分析方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种温度载荷作用下LNG全容式储罐受力分析方法，步骤包括：S1、建立LNG全容式储罐三维精细化几何模型；S2、确定分析单元类型和所有材料参数；S3、划分模型结构网格；S4、保存模型并将所有节点数据写入TXT文件；S5、建立LNG全容储罐二维几何模型；S6、确定分析单元类型和所有材料参数；S7、划分模型结构网格；S8、加载温度载荷及边界条件；S9、求解计算；S10、读入三维模型节点数据，获取各节点温度，并写入TXT文件。S11、恢复保存的三维模型；S12、读入三维模型节点温度，并加载温度载荷；S13、求解计算；S14、进行结果处理，得出温度载荷作用下LNG全容式储罐受力结果。本发明通过模拟仿真的方式，为储罐结构设计提供了理论依据。

Description

一种温度载荷作用下LNG全容式储罐受力分析方法
技术领域
本发明涉及一种基于ANSYS-APDL语言的温度载荷作用下LNG全容式储罐受力分析方法。
背景技术
液化天然气(Liquefied Natural Gas，简称LNG)主要成分为甲烷，是一种优质清洁能源。随着社会经济的快速发展，能源消耗量激增，LNG储罐数量和规模越来越大，对地区经济发展的作用也愈发重要。
依照储存LNG和BOG封闭系统的力学承载方式，常用的LNG储罐可以划分为单容罐、双容罐、全容罐和薄膜罐。在我国，全容式LNG储罐是应用广泛的罐型。全容罐主体包括：穹顶、墙体、承台和桩基组成的混凝土外罐，9％镍钢内罐，由玻璃砖、沥青毡、混凝土、干砂、衬板组成的底部保冷层，由珍珠岩、玻璃砖、弹性毯和衬板组成内罐保冷层，由铝吊顶、玻璃棉、珍珠岩组成的顶部保冷层。
在储罐内部，LNG温度大约为-165℃左右，同外界环境温差可达200℃左右。热量随温差流入罐内，LNG吸热产生闪蒸气(BOIL OFF GAS BOG，简称BOG)。若BOG太多，可能会导致储罐出现分层甚至翻滚现象，容易引起超压事故，导致外罐结构产生膨胀作用效果。另外，极大的温度梯度也会在储罐结构上产生热应力，对储罐产生收缩变形效果。因此，开展LNG储罐有限元分析，掌握LNG储罐各结构部分的温度分布情况和规律，合理考虑温度载荷作用效果，优化结构设计，对储罐安全性和经济性具有重要意义。
发明内容
本发明提供了一种温度载荷作用下LNG全容式储罐受力分析方法，解决了抓力锚在超深水很难精确定位的问题。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种温度载荷作用下LNG全容式储罐受力分析方法，通过以下步骤实现：S1、建立LNG全容式储罐三维精细化几何模型；S2、确定分析单元类型和所有材料参数；S3、划分模型结构网格；S4、保存模型并将所有节点数据写入TXT文件；S5、建立LNG全容储罐二维几何模型；S6、确定分析单元类型和所有材料参数；S7、划分模型结构网格；S8、加载温度载荷及边界条件；S9、求解计算；
S10、读入三维模型节点数据，获取各节点温度，并写入TXT文件。S11、恢复保存的三维模型；S12、读入三维模型节点温度，并加载温度载荷；S13、求解计算；S14、进行结果处理，得出温度载荷作用下LNG全容式储罐受力结果。
更进一步地，在步骤S1中，仅对混凝土外罐混凝土结构进行三维几何建模，包括穹顶、墙体、承台和桩基；对于储罐穹顶、墙体和承台定义模型中典型关键点位置，依托关键点位置构造储罐1/2截面轮廓线，生成储罐1/2截面平面，旋转生产储罐实体模型；对于桩基，定义模型中典型关键点位置，依托关键点位置生产桩基，并循环生成全部的桩基。
更进一步地，在步骤S2中，单元类型和材料参数包括弹性模量、密度、泊松比和热膨胀系数，并定义桩基截面参数。
更进一步地，在步骤S3中，先划分边界定义网格尺寸，再对整个模型进行网格划分；在步骤S4中，将储罐混凝土外观穹顶、墙体、承台和桩基的节点坐标记录在TXT文件中。
更进一步地，在步骤S5中，建立满罐LNG全容式储罐三维几何模型，包括穹顶、墙体、承台和桩基；在模型储罐的穹顶、墙体和承台上定义典型关键点位置，依托典型关键点的位置构造模型储罐截面轮廓线，生成截面平面，进而生成储罐实体模型；在桩基上定义典型关键点位置，依托典型关键点生成桩基；在罐内生成液体。
更进一步地，在步骤S6中，材料参数包括弹性模量、密度、松波比和热膨胀系数，并定义桩基截面参数。
更进一步地，在步骤S7中，先划分边界定义网格尺寸，再对整个模型进行网格划分；在步骤S8中，在内罐和LNG液体边界上，加载FSI单向流固耦合边界条件。
更进一步地，在步骤S9中，设置非对称矩阵分析类型，进行模态扩展。
更进一步地，在步骤S12中，将步骤(4)中保存至TXT文件中的数据导入第一数组；在步骤S14中，将带有位移结果的LNG混凝土外罐和桩基节点的数据保存至TXT文件中；在步骤S16中，将步骤(14)中保存至TXT文件中的数据导入第二数组；
更进一步地，得出应力和位移；获取每个单元的应力、轴力、弯矩、剪力和位移，并将结果导出至TXT文件。
本发明的技术效果在于：本发明通过一种基于ANSYS-APDL语言的温度载荷作用下LNG全容式储罐受力分析方法，一方面能够发挥二维模型简单高效优势，非常精准得反应LNG储罐温度分布规律；另一方面可以借助三维模型的真实结构特点，准确反应储罐各部位响应特性，并能够提取任意位置的计算结果；此外，采用APDL语言建立的宏命令还可通过改变参数重复同一类问题的建模，省时高效。通过采用ANSYS-APDL语言实现二维和三维模型相结合的计算方法，既能够保障计算结果的精度，又能够达到省时高效的效果。
附图说明
图1是本发明中一个优选实施例的流程示意图。
图2是本发明中一个优选实施例的LNG全容式储罐结构示意图。
图3是本发明中一个优选实施例的二维热分析模型示意图。
图4是本发明中一个优选实施例的三维结构分析模型示意图。
附图标记：穹顶-1；墙体-2；承台-3；桩基-4；顶部保冷层-5；内罐-6；内罐保冷层-7；底部保冷层-8。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
实施例，如图1到图4所示，本发明公开了一种温度载荷作用下LNG全容式储罐受力分析方法，每一步的具体实施如下：
S1,基于ANSYS APDL语言建立LNG全容式储罐三维精细化几何模型，请参阅图4。使用APDL语言仅对混凝土外罐混凝土结构进行三维几何建模，包括穹顶1、墙体2、承台3和桩基4；对于储罐穹顶1、墙体2和承台3使用APDL语言中K命令定义模型中典型关键点位置，使用L、LARC命令依托关键点位置构造储罐1/2截面轮廓线，使用A命令生成储罐1/2截面平面，使用VROTAT命令旋转生产储罐实体模型；对于桩基4，使用K命令生成定义模型中典型关键点位置，使用L命令依托关键点位置生产桩基4，并配合使用*DO命令，循环生产全部的桩基4。
S2，基于ANSYS APDL语言确定分析单元类型和所有材料参数。使用APDL语言ET确定单元类型，使用MP命令确定材料参数，主要包括弹性模量、密度、泊松比和热膨胀系数，并定义桩基4截面参数。
S3，基于ANSYS APDL语言划分模型结构网格。使用APDL语言LESIZE划分边界定义适当的网格尺寸，再使用VMESH、VSWEEP命令分别对整体模型进行网格划分。
S4，保存模型并将所有节点数据写入TXT文件。使用APDL语言SAVE命令保存三维模型，并使用*VWRITE将节点数据写入TXT文件。
S5，重新基于ANSYS APDL语言建立LNG全容储罐二维精细化几何模型，请参阅图3。使用APDL语言仅对混凝土外罐混凝土结构进行二维几何建模，包括穹顶1，墙体2，承台3，内罐6，由玻璃砖、沥青毡、混凝土、干砂、衬板组成的底部保冷层8，由珍珠岩、玻璃砖、弹性毯和衬板组成内罐保冷层7，由铝吊顶、玻璃棉、珍珠岩组成的顶部保冷层5等所有的结构；使用APDL语言中K命令定义模型中典型关键点位置，使用L、LARC命令依托关键点位置构造储罐1/2截面轮廓线，使用A命令生成储罐1/2截面平面。
S6，基于ANSYS APDL语言确定分析单元类型和所有材料参数。使用APDL语言ET确定单元类型，使用MPTEMP和MPDATA命令确定材料参数确定材料热传导率和热辐射率。
S7，基于ANSYS APDL语言划分模型结构网格。使用APDL语言中LESIZE划分边界定义致密的网格尺寸，再使用AMESH分别对模型各部分进行网格划分。
S8，基于ANSYS APDL语言加载温度载荷及边界条件。使用APDL语言SF命令在内罐6、铝吊顶内侧加载LNG温度值，在外罐外侧加载热对流，在吊顶玻璃棉和穹顶1内侧加载热辐射。此外，对于泄漏工况，还需在外罐衬里内侧加载等同泄漏高度的LNG温度值。
S9，基于ANSYS APDL语言求解计算。
S10，基于ANSYS APDL语言读入三维模型节点数据，获取各节点温度，并写入TXT文件。使用APDL语言*VREAD读入三维节点数据至数组，使用*GET命令获取各节点温度，并使用*VWRITE将节点数据写入TXT文件。
S11，基于ANSYS APDL语言恢复保存的三维模型。
S12，基于ANSYS APDL语言读入三维模型节点温度，并加载温度载荷。使用APDL语言*VREAD读入三维节点温度数据至数组，使用BF命令为所有节点温度加载温度载荷。
S13，基于ANSYS APDL语言求解计算；
S14，基于ANSYS APDL语言进行结果处理。使用APDL语言PLNSOL命令可直观显示模型的应力、位移等；使用ETABLE命令，配合*IF、*DO、*GET命令获取每个单元的应力、轴力、弯矩、剪力和位移，并使用*MWRITE将结果写入TXT文件。
本发明通过一种基于ANSYS-APDL语言的温度载荷作用下LNG全容式储罐受力分析方法，一方面能够发挥二维模型简单高效优势，非常精准得反应LNG储罐温度分布规律；另一方面可以借助三维模型的真实结构特点，准确反应储罐各部位响应特性，并能够提取任意位置的计算结果；此外，采用APDL语言建立的宏命令还可通过改变参数重复同一类问题的建模，省时高效。通过采用ANSYS-APDL语言实现二维和三维模型相结合的计算方法，既能够保障计算结果的精度，又能够达到省时高效的效果。
以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (10)

1.一种温度载荷作用下LNG全容式储罐受力分析方法，通过以下步骤实现，其特征在于：
S1、建立LNG全容式储罐三维精细化几何模型；
S2、确定分析单元类型和所有材料参数；
S3、划分模型结构网格；
S4、保存模型并将所有节点数据写入TXT文件；
S5、建立LNG全容储罐二维几何模型；
S6、确定分析单元类型和所有材料参数；
S7、划分模型结构网格；
S8、加载温度载荷及边界条件；
S9、求解计算；
S10、读入三维模型节点数据，获取各节点温度，并写入TXT文件。
S11、恢复保存的三维模型；
S12、读入三维模型节点温度，并加载温度载荷；
S13、求解计算；
S14、进行结果处理，得出温度载荷作用下LNG全容式储罐受力结果。
2.根据权利要求1所述的温度载荷作用下LNG全容式储罐受力分析方法，其特征在于：在步骤S1中，仅对混凝土外罐混凝土结构进行三维几何建模，包括穹顶、墙体、承台和桩基；对于储罐穹顶、墙体和承台定义模型中典型关键点位置，依托关键点位置构造储罐1/2截面轮廓线，生成储罐1/2截面平面，旋转生产储罐实体模型；对于桩基，定义模型中典型关键点位置，依托关键点位置生产桩基，并循环生成全部的桩基。
3.根据权利要求1所述的温度载荷作用下LNG全容式储罐受力分析方法，其特征在于：在步骤S2中，单元类型和材料参数包括弹性模量、密度、泊松比和热膨胀系数，并定义桩基截面参数。
4.根据权利要求1所述的温度载荷作用下LNG全容式储罐受力分析方法，其特征在于：在步骤S3中，先划分边界定义网格尺寸，再对整个模型进行网格划分；在步骤S4中，将储罐混凝土外观穹顶、墙体、承台和桩基的节点坐标记录在TXT文件中。
5.根据权利要求1所述的温度载荷作用下LNG全容式储罐受力分析方法，其特征在于：在步骤S5中，建立满罐LNG全容式储罐三维几何模型，包括穹顶、墙体、承台和桩基；在模型储罐的穹顶、墙体和承台上定义典型关键点位置，依托典型关键点的位置构造模型储罐截面轮廓线，生成截面平面，进而生成储罐实体模型；在桩基上定义典型关键点位置，依托典型关键点生成桩基；在罐内生成液体。
6.根据权利要求1所述的温度载荷作用下LNG全容式储罐受力分析方法，其特征在于：在步骤S6中，材料参数包括弹性模量、密度、松波比和热膨胀系数，并定义桩基截面参数。
7.根据权利要求1所述的温度载荷作用下LNG全容式储罐受力分析方法，其特征在于：在步骤S7中，先划分边界定义网格尺寸，再对整个模型进行网格划分；在步骤S8中，在内罐和LNG液体边界上，加载FSI单向流固耦合边界条件。
8.根据权利要求1所述的温度载荷作用下LNG全容式储罐受力分析方法，其特征在于：在步骤S9中，设置非对称矩阵分析类型，进行模态扩展。
9.根据权利要求1所述的温度载荷作用下LNG全容式储罐受力分析方法，其特征在于：在步骤S12中，将步骤(4)中保存至TXT文件中的数据导入第一数组；在步骤S14中，将带有位移结果的LNG混凝土外罐和桩基节点的数据保存至TXT文件中；在步骤S16中，将步骤(14)中保存至TXT文件中的数据导入第二数组。
10.根据权利要求1所述的温度载荷作用下LNG全容式储罐受力分析方法，其特征在于：得出应力和位移；获取每个单元的应力、轴力、弯矩、剪力和位移，并将结果导出至TXT文件。
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