生产储油平台储罐液体晃动分析

2010-11-16 05:51:04屈博志李玉田

中国新技术新产品 2010年7期

屈博志李玉田

（中海油天津分公司LD27-2/32-2项目组，天津 300452）

LD27-2生产储罐平台PSP为集储罐、工艺、电站和火炬的一体化平台。根据旅大平台和储罐所处的环境工况，本文采用ANSYS软件中的固液耦合的性能对该结构整体进行力学有限元计算，从而得到结构在所处的环境工况下的力学响应，为项目决策提供理论计算依据。

1 理论分析

1.1 瞬态动力学分析

瞬态动力学方法又被成为时间历程方法，是一种确定结构在时间相关的载荷作用下的动态响应的技术方法。采用这种分析方法可以确定随时间变化的位移、应变、应力，以及结构在任何静态、动态、谐相应载荷的联合作用下的响应。

瞬态动力学分析的基本方程式为：

(M){a}+(C){v}+(K){u}={F(t)}

其中：

(M)=质量矩阵

(C)=阻尼矩阵

(K)=刚度矩阵

{a}=节点加速度矢量

{v}=节点速度矢量

{u}=节点位移矢量

{F(t)}=载荷矢量

在任何给定的时间t，这些方程可以认为是一组考虑惯性力(M){a}和阻力(C){v}的准静态平衡方程。ANSYS程序使用Newmark时间积分方法或者一种称为HHT的改进方法，在离散的时间点上来求解这些方程。在连续的时间点之间的时间增量称作积分时间步长。

1.2 液体载荷的计算依据

储罐中的原油在受到载荷作用时，会产生晃动，这种晃动会对储槽壁面和底面以及固体支撑结构的受力状况造成一定的影响。

ANSYS软件中专门有一种单元FLUID80适用于计算处理液体晃动问题。该流体单元由8个节点构成，每个节点具有3个自由度。FLUID80流体单元主要用来模拟没有净流率、盛装在容器中的流体。这种单元还特别适用于计算流体固体相互作用的静水压强问题，并且可以考虑加速度效应，特别适合于处理流体晃动问题，同时还可以考虑温度对粘度和阻尼的影响作用。

1.3 固液耦合的计算依据

对于旅大平台上的原油储罐，其内部流体所受的载荷是由平台结构传导而来：平台在各种载荷的作用下产生随时间变化的各个方向的位移，这些位移可以分解为3个自由度的分量。

在计算液体晃动力学问题的过程中，一方面，要把每个时间点上壳体单元各个节点的3自由度位移，实时地传递给储槽中液体边界处各个节点的3自由度位移，就可以计算在外载荷作用下液体的晃动位移、速度等物理参量；而另一方面，获得了液体单元在外载荷下的响应之后，也将液体的位移传递到外围的壳体节点之上，壳体单元则可以通过该位移和材料模量、泊松比等参数，得到壳体自身的应力响应。图2所示为固液耦合作用计算流程图。