超大型储罐罐体及大角焊缝应力分析软件开发

白海永　方永利　黄志新

摘 要：容量较大的储罐一般为立式圆筒形储罐，当其容积超过10万立方米时，习惯上称为超大型储罐。超大型储罐罐体应力水平及大角焊缝的应力水平是影响超大型储罐安全的重要因素之一。文章采用ANSYS APDL语言，以超大型储罐罐体及大角焊缝为对象，实现了参数化建模、施加参数化载荷与求解以及参数化后处理结果的显示，从而实现参数化有限元分析的全过程。然后采用Mirosoft Excel界面输入数据，并利用Mirosoft Excel VBA语言将APDL所需要的参数信息输出，进行了超大型储罐罐体及大角焊缝应力分析软件的二次开发，从而大大简化有限元分析处理的过程。在软件中只要输入相应的几何设计参数、材料参数、载荷参数等输入参数，就可以方便地进行罐体及大角焊缝的应力分析。软件可以对15万至20万立方米的超大型储罐罐体及大角焊缝进行参数化分析，可以计算 GB50341-2003《立式圆筒形钢制焊接油罐设计规范》中所规定的罐体自重、液体静压力、风载荷以及地震载荷等载荷作用下的应力和变形分布情况。

关键词：大型储罐；大角焊缝；罐体；应力分析；软件开发

大型石油储备设施成为有效快速降低石油储备成本的主要发展趋势。随着我国石油工业的发展以及国家原油战略储备库项目的实施，储罐的大型化将成为发展的必然趋势[1-2]。而容量较大的储罐一般为立式圆筒形储罐，当其容积超过10万立方米时，习惯上称为超大型储罐。近年来，随着国民经济的飞速发展和国家原油战略储备库项目的实施，大型储罐的数量逐年迅速增加，因此，尽快提高超大型储罐的设计和建造水平就成为当前最重要的。国内外对于超大型储罐研究较多，主要表现在常规大型储罐设计和有限元仿真计算。常用的设计方法可分为常规设计方法和分析设计方法。“分析设计方法”是根据压力容器结构的不同失效形式进行应力分类，将分类后的应力按相应的应力强度准则加以限制，以设计出安全可靠、经济的压力容器[3-4]。

应力分析表明，超大型储罐的大角焊缝区域是储罐最危险的区域之一，国内外的大型储罐由于大角焊缝处发生脆裂的事故偶有发生。究其原因，主要是由于大角焊缝处应力值高，且材料为低合金高强度钢板，内部缺陷易于扩展，造成脆性断裂破坏或低周疲劳破坏。因此，详细了解大角焊缝处的应力分布，如何有效降低大角焊缝处的应力水平就变得十分重要[5]。但是由于目前超大型储罐的分析设计方法所采用的有限元软件是通用软件，不具备针对超大型储罐的专业性分析功能，复杂的英文界面和繁琐的分析步骤又给从事分析设计的技术人员造成了很大的障碍。另外，虽然有限元软件具有较强大的前、后处理功能，但使用者必须具有一定的力学基础和丰富的分析经验，在几何建模和力学简化等方面需要花费很多时间和精力。为此本文进行了基于有限元软件的集成开发，使开发出的超大型储罐罐体及大角焊缝应力分析软件充分体现专业化、用户化、便捷化的特点，大大缩短了超大型储罐罐体及大角焊缝进行分析设计的时间。

1 软件开发方法

本文采用了ANSYS APDL语言，以超大型储罐罐体及大角焊缝为对象，实现了参数化建模、施加参数化载荷与求解以及参数化后处理结果的显示，从而实现参数化有限元分析的全过程。ANSYS APDL即ANSYS参数化设计语言（ANSYS Parametric Design Language），它是一种解释性语言，可以利用参数创建模型，并自动实现分析任务。APDL允许复杂的数据输入，使用户对任何设计或分析属性有控制权（例如：几何尺寸、材料、边界条件和网格密度等），扩展了传统有限元分析范围以外的能力，并扩充了更高级运算（包括参数化建模、设计优化等），为用户控制任何复杂计算的过程提供了极大的方便。利用APDL的程序语言与宏技术组织管理ANSYS的有限元分析命令，就可以实现参数化建模、参数化的网格划分与控制、参数化的材料定义、参数化载荷和边界条件定义、参数化的分析控制和求解以及参数化后处理结果的显示，从而实现参数化有限元分析的全过程。在参数化的分析过程中可以修改其中的参数达到反复分析各种尺寸、不同载荷大小的多种设计方案，极大地提高了分析效率，减少了分析成本。

然后采用Mirosoft Excel界面输入数据，并利用Mirosoft Excel VBA语言将APDL所需要的参数信息输出，进行了超大型储罐罐体及大角焊缝应力分析软件的开发。Visual Basic for Applications（简称VBA）是新一代标准宏语言，是基于Visual Basic for Windows 发展而来的，主要能用来扩展Windows的应用程式功能，特别是Microsoft Office软件。VBA 提供了面向对象的程序设计方法，提供了相当完整的程序设计语言。

2 软件开发的理论基础

所开发的分析软件对超大型储罐的强度及稳定性进行分析，分析主要涉及以下内容：（1）建立轴对称模型，进行大角焊缝应力分析。（2）建立罐体整体模型，进行罐体强度及稳定性分析。

分析计算中，符合JB4732-2005《钢制压力容器-分析设计标准》和GB50341-2003《立式圆筒形钢制焊接油罐设计规范》等国家相关标准规范的规定[6-7]。

2.1 基于轴对称模型的大角焊缝应力分析

大角焊缝强度分析中，罐壁、抗风圈、加强圈、罐底、地基均采用PLANE183单元划分。接触面采用TARGE169单元和CONTA172单元划分。

为节省计算时间及计算成本，根据罐体结构及载荷的特点，对罐体结构进行了简化。大角焊缝应力分析中设备结构采用轴对称形式；载荷有重力、液压，均为轴对称形式。因此强度分析各工况采用轴对称平面模型。夯土层与混凝土环梁弹性模量较小，而且厚度较大，忽略土壤层对储罐的变形量及应力水平影响较小。故模型中将土壤层忽略，夯土层与混凝土环梁全部建出。同时夯土层与混凝土环梁处于受压状态，两者紧密连接，不会分离，因此模型中将两者视为一体。模型如图1所示。

在大角焊缝强度分析中，地震载荷和风载荷不是轴对称的，因此无法施加，只可考虑罐内壁和底板的液压载荷和罐体自重载荷。对于工作条件下的强度分析，液压采用储液压力；而对于水压试验条件下的强度分析，液压采用水压试验压力。液压分布如图2所示。

强度分析中，假定夯土下表面位移为零。设备放置于地面，与地面之间无任何固定措施。两者之间的摩擦力不会使两者产生相对运动。因此在有限元建模过程中在地基底端添加全约束，并在罐底与地基之间添加接触。另外在大角焊缝处，罐壁通过焊缝与罐底连接，焊缝未完全焊透。因此有限元建模过程中认为罐壁与罐底连接处（两焊缝中间部位）添加接触。

轴对称模型强度分析中约束条件如图3所示。

2.2 整体模型的罐体强度及稳定性分析

对于罐体强度及稳定性分析，罐壁、加强圈、抗风圈均采用SHELL181单元划分。有限元网格模型如图4所示。

对于罐体强度及稳定性分析，强度分析考虑风载荷和地震载荷，同时为保证失稳时波形的完整性，采用360°全模型。由于载荷只会引起罐壁失稳，罐底对罐壁有加强作用，因此建模时忽略罐底以及地基，认为罐底处罐壁位移为零。因设备罐壁、罐底、抗风圈、加强圈等结构均具有薄壳几何特征，因此采用壳单元建模。

对于罐体强度及稳定性分析，并考虑到罐底对罐壁加强作用，因此在罐壁底端添加全约束。并忽略地基与罐底。

均布外压载荷及约束形式如图5所示。

罐体采用壳单元建立模型，因此无法进行应力线性化，因此可采用壳单元的中面应力数值代替薄膜应力，采用壳单元的顶面或底面应力数值代替薄膜加弯曲应力。

2.3 强度校核方法

按照JB4732-2005《钢制压力容器-分析设计标准》（2005年确认）的规定，强度校核采用最大剪应力理论，应力强度规定为最大剪应力的二倍，即

为提取各处薄膜应力以及薄膜加弯曲应力，需对计算结果进行应力线性化处理，在结果提取处设置路径，以便结果提取。由于大角焊缝处应力最大，软件自动在大角焊缝处设置4条路径，如图6所示。

程序会自动提取各处薄膜应力以及薄膜加弯曲应力，4条路径结果自动保存于ANSYS工作路径下，设计人员只需读取数值进行校核即可。

3 软件界面与软件使用方法

超大型储罐应力分析软件的主界面为Excel文件界面，如图7所示，其中包括罐体分析、大角焊缝分析。

在软件界面中输入相应的设计参数，绿色单元格为数据输入位置。当设计参数输入完毕后，点击“确定输入完成”按钮，软件弹出输出成果消息框，自动把设计参数写入命令文件夹。然后将文件夹中所有txt文件复制到ANSYS工作目录下，在ANSYS软件中的选择所生成的文本文件，即可完成大角焊缝分析和罐体分析。

4 结论

本文采用ANSYS APDL语言，并结合Mirosoft Excel VBA语言，进行了超大型储罐罐体及大角焊缝应力分析软件的开发。所开发出的软件具有专业化、便捷化的特点，简化了分析流程，大大缩短了分析设计的周期时间。

（1）通过建立的轴对称模型和罐体整体模型，只要输入相应的几何设计参数、材料参数、载荷参数等输入参数，可以对15万至20万立方米的超大型储罐罐体及大角焊缝进行参数化分析。

（2）软件内置了GB50341-2003《立式圆筒形钢制焊接油罐设计规范》中所规定的罐体自重、液体静压力、风载荷以及地震载荷等载荷作用，通过有限元软件计算后，程序可以自动提取关键位置的应力，并基于JB4732-2005《钢制压力容器-分析设计标准》进行校核。

参考文献

[1]潘家华.中国的能源问题和国家石油储备[J].油气储运，2004，23（12）：1-3.

[2]惠虎，宋虎堂，吴云龙，李培宁.大型原油储罐的有限元强度分析[J].油气储运，2004，23（12）：21-25.

[3]潘家华.超大型浮顶储罐多体力学分析与结构强度研究[D].大庆：东北石油大学，2010.

[4]湛卢炳.大型储罐设计[M].上海科学技术出版社，1989.

[5]傅强，陈志平，郑津洋.弹性基础上大型石油储罐的应力分析[J].化工机械，2002，29（4）：210-213.

[6]GB50341-2003.立式圆筒形钢制焊接油罐设计规范[S].2004.

[7]JB4732-2005.钢制压力容器-分析设计标准[S].北京：全国压力容器标准化技术委员会，2005.

作者简介：白海永（1978-），男，工程师（容器所所长），从事压力容器的设计开发工作。

在大角焊缝强度分析中，地震载荷和风载荷不是轴对称的，因此无法施加，只可考虑罐内壁和底板的液压载荷和罐体自重载荷。对于工作条件下的强度分析，液压采用储液压力；而对于水压试验条件下的强度分析，液压采用水压试验压力。液压分布如图2所示。

强度分析中，假定夯土下表面位移为零。设备放置于地面，与地面之间无任何固定措施。两者之间的摩擦力不会使两者产生相对运动。因此在有限元建模过程中在地基底端添加全约束，并在罐底与地基之间添加接触。另外在大角焊缝处，罐壁通过焊缝与罐底连接，焊缝未完全焊透。因此有限元建模过程中认为罐壁与罐底连接处（两焊缝中间部位）添加接触。

轴对称模型强度分析中约束条件如图3所示。

2.2 整体模型的罐体强度及稳定性分析

对于罐体强度及稳定性分析，罐壁、加强圈、抗风圈均采用SHELL181单元划分。有限元网格模型如图4所示。

对于罐体强度及稳定性分析，强度分析考虑风载荷和地震载荷，同时为保证失稳时波形的完整性，采用360°全模型。由于载荷只会引起罐壁失稳，罐底对罐壁有加强作用，因此建模时忽略罐底以及地基，认为罐底处罐壁位移为零。因设备罐壁、罐底、抗风圈、加强圈等结构均具有薄壳几何特征，因此采用壳单元建模。

对于罐体强度及稳定性分析，并考虑到罐底对罐壁加强作用，因此在罐壁底端添加全约束。并忽略地基与罐底。

均布外压载荷及约束形式如图5所示。

罐体采用壳单元建立模型，因此无法进行应力线性化，因此可采用壳单元的中面应力数值代替薄膜应力，采用壳单元的顶面或底面应力数值代替薄膜加弯曲应力。

2.3 强度校核方法

按照JB4732-2005《钢制压力容器-分析设计标准》（2005年确认）的规定，强度校核采用最大剪应力理论，应力强度规定为最大剪应力的二倍，即

为提取各处薄膜应力以及薄膜加弯曲应力，需对计算结果进行应力线性化处理，在结果提取处设置路径，以便结果提取。由于大角焊缝处应力最大，软件自动在大角焊缝处设置4条路径，如图6所示。

程序会自动提取各处薄膜应力以及薄膜加弯曲应力，4条路径结果自动保存于ANSYS工作路径下，设计人员只需读取数值进行校核即可。

3 软件界面与软件使用方法

超大型储罐应力分析软件的主界面为Excel文件界面，如图7所示，其中包括罐体分析、大角焊缝分析。

在软件界面中输入相应的设计参数，绿色单元格为数据输入位置。当设计参数输入完毕后，点击“确定输入完成”按钮，软件弹出输出成果消息框，自动把设计参数写入命令文件夹。然后将文件夹中所有txt文件复制到ANSYS工作目录下，在ANSYS软件中的选择所生成的文本文件，即可完成大角焊缝分析和罐体分析。

4 结论

本文采用ANSYS APDL语言，并结合Mirosoft Excel VBA语言，进行了超大型储罐罐体及大角焊缝应力分析软件的开发。所开发出的软件具有专业化、便捷化的特点，简化了分析流程，大大缩短了分析设计的周期时间。

（1）通过建立的轴对称模型和罐体整体模型，只要输入相应的几何设计参数、材料参数、载荷参数等输入参数，可以对15万至20万立方米的超大型储罐罐体及大角焊缝进行参数化分析。

（2）软件内置了GB50341-2003《立式圆筒形钢制焊接油罐设计规范》中所规定的罐体自重、液体静压力、风载荷以及地震载荷等载荷作用，通过有限元软件计算后，程序可以自动提取关键位置的应力，并基于JB4732-2005《钢制压力容器-分析设计标准》进行校核。

参考文献

[1]潘家华.中国的能源问题和国家石油储备[J].油气储运，2004，23（12）：1-3.

[2]惠虎，宋虎堂，吴云龙，李培宁.大型原油储罐的有限元强度分析[J].油气储运，2004，23（12）：21-25.

[3]潘家华.超大型浮顶储罐多体力学分析与结构强度研究[D].大庆：东北石油大学，2010.

[4]湛卢炳.大型储罐设计[M].上海科学技术出版社，1989.

[5]傅强，陈志平，郑津洋.弹性基础上大型石油储罐的应力分析[J].化工机械，2002，29（4）：210-213.

[6]GB50341-2003.立式圆筒形钢制焊接油罐设计规范[S].2004.

[7]JB4732-2005.钢制压力容器-分析设计标准[S].北京：全国压力容器标准化技术委员会，2005.

作者简介：白海永（1978-），男，工程师（容器所所长），从事压力容器的设计开发工作。

在大角焊缝强度分析中，地震载荷和风载荷不是轴对称的，因此无法施加，只可考虑罐内壁和底板的液压载荷和罐体自重载荷。对于工作条件下的强度分析，液压采用储液压力；而对于水压试验条件下的强度分析，液压采用水压试验压力。液压分布如图2所示。

强度分析中，假定夯土下表面位移为零。设备放置于地面，与地面之间无任何固定措施。两者之间的摩擦力不会使两者产生相对运动。因此在有限元建模过程中在地基底端添加全约束，并在罐底与地基之间添加接触。另外在大角焊缝处，罐壁通过焊缝与罐底连接，焊缝未完全焊透。因此有限元建模过程中认为罐壁与罐底连接处（两焊缝中间部位）添加接触。

轴对称模型强度分析中约束条件如图3所示。

2.2 整体模型的罐体强度及稳定性分析

对于罐体强度及稳定性分析，罐壁、加强圈、抗风圈均采用SHELL181单元划分。有限元网格模型如图4所示。

对于罐体强度及稳定性分析，强度分析考虑风载荷和地震载荷，同时为保证失稳时波形的完整性，采用360°全模型。由于载荷只会引起罐壁失稳，罐底对罐壁有加强作用，因此建模时忽略罐底以及地基，认为罐底处罐壁位移为零。因设备罐壁、罐底、抗风圈、加强圈等结构均具有薄壳几何特征，因此采用壳单元建模。

对于罐体强度及稳定性分析，并考虑到罐底对罐壁加强作用，因此在罐壁底端添加全约束。并忽略地基与罐底。

均布外压载荷及约束形式如图5所示。

罐体采用壳单元建立模型，因此无法进行应力线性化，因此可采用壳单元的中面应力数值代替薄膜应力，采用壳单元的顶面或底面应力数值代替薄膜加弯曲应力。

2.3 强度校核方法

按照JB4732-2005《钢制压力容器-分析设计标准》（2005年确认）的规定，强度校核采用最大剪应力理论，应力强度规定为最大剪应力的二倍，即

为提取各处薄膜应力以及薄膜加弯曲应力，需对计算结果进行应力线性化处理，在结果提取处设置路径，以便结果提取。由于大角焊缝处应力最大，软件自动在大角焊缝处设置4条路径，如图6所示。

程序会自动提取各处薄膜应力以及薄膜加弯曲应力，4条路径结果自动保存于ANSYS工作路径下，设计人员只需读取数值进行校核即可。

3 软件界面与软件使用方法

超大型储罐应力分析软件的主界面为Excel文件界面，如图7所示，其中包括罐体分析、大角焊缝分析。

在软件界面中输入相应的设计参数，绿色单元格为数据输入位置。当设计参数输入完毕后，点击“确定输入完成”按钮，软件弹出输出成果消息框，自动把设计参数写入命令文件夹。然后将文件夹中所有txt文件复制到ANSYS工作目录下，在ANSYS软件中的选择所生成的文本文件，即可完成大角焊缝分析和罐体分析。

4 结论

本文采用ANSYS APDL语言，并结合Mirosoft Excel VBA语言，进行了超大型储罐罐体及大角焊缝应力分析软件的开发。所开发出的软件具有专业化、便捷化的特点，简化了分析流程，大大缩短了分析设计的周期时间。

（1）通过建立的轴对称模型和罐体整体模型，只要输入相应的几何设计参数、材料参数、载荷参数等输入参数，可以对15万至20万立方米的超大型储罐罐体及大角焊缝进行参数化分析。

（2）软件内置了GB50341-2003《立式圆筒形钢制焊接油罐设计规范》中所规定的罐体自重、液体静压力、风载荷以及地震载荷等载荷作用，通过有限元软件计算后，程序可以自动提取关键位置的应力，并基于JB4732-2005《钢制压力容器-分析设计标准》进行校核。

参考文献

[1]潘家华.中国的能源问题和国家石油储备[J].油气储运，2004，23（12）：1-3.

[2]惠虎，宋虎堂，吴云龙，李培宁.大型原油储罐的有限元强度分析[J].油气储运，2004，23（12）：21-25.

[3]潘家华.超大型浮顶储罐多体力学分析与结构强度研究[D].大庆：东北石油大学，2010.

[4]湛卢炳.大型储罐设计[M].上海科学技术出版社，1989.

[5]傅强，陈志平，郑津洋.弹性基础上大型石油储罐的应力分析[J].化工机械，2002，29（4）：210-213.

[6]GB50341-2003.立式圆筒形钢制焊接油罐设计规范[S].2004.

[7]JB4732-2005.钢制压力容器-分析设计标准[S].北京：全国压力容器标准化技术委员会，2005.

作者简介：白海永（1978-），男，工程师（容器所所长），从事压力容器的设计开发工作。