屈博志 李玉田

（中海油天津分公司LD27-2/32-2項(xiàng)目組，天津 300452）

LD27-2生產(chǎn)儲(chǔ)罐平臺(tái)PSP為集儲(chǔ)罐、工藝、電站和火炬的一體化平臺(tái)。根據(jù)旅大平臺(tái)和儲(chǔ)罐所處的環(huán)境工況，本文采用ANSYS軟件中的固液耦合的性能對(duì)該結(jié)構(gòu)整體進(jìn)行力學(xué)有限元計(jì)算，從而得到結(jié)構(gòu)在所處的環(huán)境工況下的力學(xué)響應(yīng)，為項(xiàng)目決策提供理論計(jì)算依據(jù)。

1 理論分析

1.1 瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析

瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)方法又被成為時(shí)間歷程方法，是一種確定結(jié)構(gòu)在時(shí)間相關(guān)的載荷作用下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)的技術(shù)方法。采用這種分析方法可以確定隨時(shí)間變化的位移、應(yīng)變、應(yīng)力，以及結(jié)構(gòu)在任何靜態(tài)、動(dòng)態(tài)、諧相應(yīng)載荷的聯(lián)合作用下的響應(yīng)。

瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析的基本方程式為：

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

其中：

(M)=質(zhì)量矩陣

(C)=阻尼矩陣

(K)=剛度矩陣

{a}=節(jié)點(diǎn)加速度矢量

{v}=節(jié)點(diǎn)速度矢量

{u}=節(jié)點(diǎn)位移矢量

{F(t)}=載荷矢量

在任何給定的時(shí)間t，這些方程可以認(rèn)為是一組考慮慣性力(M){a}和阻力(C){v}的準(zhǔn)靜態(tài)平衡方程。ANSYS程序使用Newmark時(shí)間積分方法或者一種稱為HHT的改進(jìn)方法，在離散的時(shí)間點(diǎn)上來(lái)求解這些方程。在連續(xù)的時(shí)間點(diǎn)之間的時(shí)間增量稱作積分時(shí)間步長(zhǎng)。

1.2 液體載荷的計(jì)算依據(jù)

儲(chǔ)罐中的原油在受到載荷作用時(shí)，會(huì)產(chǎn)生晃動(dòng)，這種晃動(dòng)會(huì)對(duì)儲(chǔ)槽壁面和底面以及固體支撐結(jié)構(gòu)的受力狀況造成一定的影響。

ANSYS軟件中專門(mén)有一種單元FLUID80適用于計(jì)算處理液體晃動(dòng)問(wèn)題。該流體單元由8個(gè)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，每個(gè)節(jié)點(diǎn)具有3個(gè)自由度。FLUID80流體單元主要用來(lái)模擬沒(méi)有凈流率、盛裝在容器中的流體。這種單元還特別適用于計(jì)算流體固體相互作用的靜水壓強(qiáng)問(wèn)題，并且可以考慮加速度效應(yīng)，特別適合于處理流體晃動(dòng)問(wèn)題，同時(shí)還可以考慮溫度對(duì)粘度和阻尼的影響作用。

1.3 固液耦合的計(jì)算依據(jù)

對(duì)于旅大平臺(tái)上的原油儲(chǔ)罐，其內(nèi)部流體所受的載荷是由平臺(tái)結(jié)構(gòu)傳導(dǎo)而來(lái)：平臺(tái)在各種載荷的作用下產(chǎn)生隨時(shí)間變化的各個(gè)方向的位移，這些位移可以分解為3個(gè)自由度的分量。

在計(jì)算液體晃動(dòng)力學(xué)問(wèn)題的過(guò)程中，一方面，要把每個(gè)時(shí)間點(diǎn)上殼體單元各個(gè)節(jié)點(diǎn)的3自由度位移，實(shí)時(shí)地傳遞給儲(chǔ)槽中液體邊界處各個(gè)節(jié)點(diǎn)的3自由度位移，就可以計(jì)算在外載荷作用下液體的晃動(dòng)位移、速度等物理參量；而另一方面，獲得了液體單元在外載荷下的響應(yīng)之后，也將液體的位移傳遞到外圍的殼體節(jié)點(diǎn)之上，殼體單元?jiǎng)t可以通過(guò)該位移和材料模量、泊松比等參數(shù)，得到殼體自身的應(yīng)力響應(yīng)。圖2所示為固液耦合作用計(jì)算流程圖。

2 模型建立

LD27-2PSP平臺(tái)儲(chǔ)罐外壁為波紋板結(jié)構(gòu)，有限元建模過(guò)程選用SHELL63單元模擬儲(chǔ)罐外壁；PIPE59模擬儲(chǔ)罐支撐構(gòu)件；FLIUD80模擬儲(chǔ)罐內(nèi)儲(chǔ)液。

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 粘度選擇

由于儲(chǔ)罐內(nèi)的原油粘度不是一個(gè)恒定值，為了論證不同粘度水平對(duì)波高的影響，本報(bào)告選取了水平振幅40cm，垂直振幅1cm，對(duì)不同粘度的原油進(jìn)行了模擬。結(jié)果如下表1所示，沒(méi)有顯著區(qū)別。

3.2 液體晃動(dòng)沖擊壓強(qiáng)分析

通過(guò)選取了水平振幅50cm，垂直振幅1cm，對(duì)滿罐工況條件下不同周期激勵(lì)源激勵(lì)狀態(tài)下的罐內(nèi)液體運(yùn)動(dòng)模式進(jìn)行了有限元瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析，取得了罐壁沖擊壓強(qiáng)變化指數(shù)。

?

1）x=50cm,y=1cm 激勵(lì)周期4.5s

2）x=50cm,y=1cm 激勵(lì)周期9s

根據(jù)晃動(dòng)沖擊壓強(qiáng)數(shù)值顯示，最大值 Pmax=1477.67Pa；無(wú)自重的液體晃動(dòng)所產(chǎn)生的對(duì)罐側(cè)壁的液動(dòng)沖擊壓強(qiáng)，占儲(chǔ)罐整體結(jié)構(gòu)應(yīng)力的極小部分。

4 結(jié)論和建議

PSP平臺(tái)設(shè)置了13000方的原油儲(chǔ)罐，平臺(tái)在外輸油輪靠泊以及地震外力作用下會(huì)出現(xiàn)周期性的整體位移，當(dāng)平臺(tái)出現(xiàn)位移時(shí)，儲(chǔ)罐內(nèi)液體即發(fā)生整體波動(dòng)，本文介紹了儲(chǔ)罐內(nèi)儲(chǔ)液固液耦合的計(jì)算方法和步驟。

4.1 從流體動(dòng)力學(xué)原理出發(fā)，計(jì)算結(jié)果表明儲(chǔ)罐原油在振動(dòng)工況作用下潛在2種情況，一是液體表面出現(xiàn)跳動(dòng)性激蕩；二是液體整體波動(dòng)現(xiàn)象。

4.2 儲(chǔ)液晃動(dòng)分析可以模擬分析平臺(tái)整體在一定位移條件下，儲(chǔ)罐內(nèi)整體液體晃動(dòng)的情況。

[1]美國(guó)船級(jí)社，海上固定平臺(tái)規(guī)劃、設(shè)計(jì)和建造的推薦作法--工作應(yīng)力設(shè)計(jì)法，2000

[2]胡軍，李長(zhǎng)升；影響淺海平臺(tái)自振特性的敏感性因素分析，中國(guó)海洋平臺(tái)，2005.06

[3]楊樹(shù)耕,孟昭瑛等.有限元分析軟件ANSYS在海洋工程中的應(yīng)用，中國(guó)海洋平臺(tái)，第15卷，第 2期，P41～P44

[4]中國(guó)船級(jí)社，《海上固定平臺(tái)入級(jí)與建造規(guī)范》（1992）.

[5]ANSYS,Inc.Release8.0 Documentation for ANSYS.

[6]劉濤，楊鳳鵬.《精通ANSYS》清華大學(xué)出版社，2002

[7]胡軍，張陽(yáng).坐底式平臺(tái)地震響應(yīng)譜分析[J].中國(guó)海洋平臺(tái)，2008,12.