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分析16万方液化天然气(LNG)储罐的动态特性


第1 2卷

第 5期 

大 连

民 族

学 院 学 报 

Vo . 2, o 5 11 N .  S p e b r2 1   e tm e 0 0

21 0 0年 9月 

J u n lo   la   to a i e  

i e st  o r a  fDa in Na in lt sUn v riy i

文 章编 号 :0 9— 1 X(0 0 0 0 6 0  10 3 5 2 1 )5— 4 4— 3

1 方 L G储 罐 的 动特 性 分 析  6万 N
张  营  孙 建 刚2崔利 富  赵 长军  , , ,
(. 1 东北 石 油大 学 土木建 筑工 程 学院 , 黑龙江 大庆 1 3 1 ; . 6 3 8 2 大连 民族 学 院   土 木建 筑工 程学 院 , 宁 大连 16 0 ; . 辽 1 6 5 3 大连 海 事大 学 道 路 与桥梁 工程研 究所 ,  
辽 宁 大连 16 2 ) 10 6 
摘 要 : 1    m L G储罐 为例 , 以 6X1   N 0 应用 A I A有 限元软件 中的 L nzs DN aco 特征值算法 , 考虑液 固耦 合效 

应研究其动力特性参数 。结果 表明 : 内罐 液 固耦合 基本振动 频率较低 , 动形式 以 cs 型梁 式振 动为  振 o棚 主, 液体 晃动为低频 的振动 .  夕 罐基 本振 动频率较 高 , 振动形式也 以 csO型梁式振动为 主。内罐 的液 固  on
耦 合 前 三 阶 频 率 分别 为 19 94 7 6 64 1H ; 体 晃 动 前 三 阶 频 率 分 别 为 0 14 0 15 0 2 5H 外  .7 ,.6 ,.9  z液 . 0 ,. 8 ,. 3  z;

罐前三阶频率分别为 6 5 9 1 .7 2 .6H   .0 ,2 3 ,2 1  z。 关键词 :N L G储罐 ; 模态分析 ; 固耦合 ; 液 梁式振动 
中 图 分 类 号 :U 5  T 32 文 献标 志码 :  A

Dy m i a   a a t r si  na c lCh r c e itc Anay i  f 1 0. 0 一m  LNG  t r g   n   l ss o    0 0 6 S o a e Ta ks

Z NG Y n   UN Ja HA   ig ,S  in—g n   C IL — u , HA C a g— u   a g , U   i f  Z O  h n jn
( .S h o o C v  n   rh e t a E gn ei , ote s r  e o u   n es y a i   i n j n   1 c o l f ii a dA c i c rl n ie r g N r at n P t l m U i r t,D qn He o gi g    l t u   n h e re v i g l a
1 331 6 8, Ch n i a;2. Co lg   fCi i a d Ar h tcu e En i e n le e o  vl n   c ie tr   gne r g, Da in Nai n lte  ie st   i la   to aiis Unv r i y,Da in la   L a ni   6 05,Chia;3. I tt e o   a   nd Brd e Engn e i i o ng 1 6 1 n nsiut  fRo d a   i g   ie rng,Dai n M a i me Un v r iy, la   rt   i est   i

D l nLa nn   6 2 ai   io ig 1 0 6,C ia   a 1 hn ) Ab ta t T   y mi  h r ce itc p r mee s o   0, 0 一m L s r c : he d na c c a a trsi  a a tr  f1 6 00 NG  t rg  a k   r  td   so a e t n swe e su — ld b   o i e i g t e lq i — oi   o p i g efc  n   sn  h   a c o   l o i m n ADI e   y c nsd rn  h  i u d— s ld c u ln   fe ta d u i g t e L n z s ag rt h i  NA  Fi i   e n   ay i  o wae.Th   e uts o  h t h   n e  a k’   sc vb ain fe  n t El me tAn l ss S f r e t e r s l h ws t a :t e i n rt n s ba i  i r to  r —  

q ec f iud— oi cu l gi l e , on  em vba o s h  aigfr  f ir in u nyo q i sl  opi    o r cs0b a  ir ini tel dn  m o  ba o  l d n s w t   e o v t
a d lq i — so h n  s lw — fe u n y vbrto n  i u d ls i g i o r q e c   i ai n: t e o trt n s b sc vb a in fe u n y i  h   u e  a k’   a i  i r to   q e c  s r

h g e   n   o n   e m  i ai n i  lo t e la i g fr o  i r to ih ra d e s O b a vbr t  sa s h  e d n   m  fvb ain.Th   r ttr e—o d rfe  o o ef s h e i r e  r — q e ce   ft e i n rtn Slq i u n i so  h  n e  a k’  i u d—s ld c u ln   r   . 7 oi  o p i g a e 1 9 9,4. 6   n   4   Hzr s e t e   7 6 a d 6. 91    e p ci : v l y;t o e o   q i  l s i g a e0. 0 h s  fl u d so h n   r  1 4,0. 8   n   2 5 Hzr s e t ey;t o e o     u e a k i 1 5 a d 0. 3    e p c i l v h s  ft o trtn   he
ae 6. 09,1 3   n   2. 6 Hz r s e t ey  r  5 2. 7 a d 2 1     e p ci l . v

Ke   r y wo ds: NG  tr g  a L so a e tnk;mo la ay i ;l u d—s ld c u ln da  n lss i i q oi   o p i g;be m  i r to   a vb ain

度 为 4 0 k ?m~, 性 模 量 为 2 6 × 1  5  g 弹 .5 0

1 储 罐 有 限 元模 型 的 建 立   
1 1 模型 的基本 数据  . 本 文 以建 于 中国某 地 区的 一液 化天 然气 储 罐  为原 型 , 立 A I A有 限元模 型 。 建 DN  

N? m~。内罐材 料采用 9% N 钢 , i 密度 为 78 0   5  k m~, 性模 量 为 5 0×1 mN ? g? 弹 . 0   m~, 泊松 比  为 03 . 。考虑材料 的非线 性 , 采用双线性强 化模 型 ,  
屈服强度 取 4 9X1  ? .  0 N m一, 切模 量 为 2 1X 剪 .  

该 罐容 积为 1 6×1 m , 内液化 天然 气 密  0  罐

1 “N ? 0 m~。外 罐 材 料 为 钢 筋 混 凝 土 , 度 为  密

收 稿 日期 :0 0— 5— 7 2 1 0 2  作 者 简 介 : 营 (9 4一) 女 , 龙 江 大 庆 人 , 北 石 油 大 学 土 木 建 筑 工 程 学 院 硕 士 研 究 生 , 要 从 事 防 灾 减 灾 工 程  张 18 , 黑 东 主
结构抗震研究 。  

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第 5期 

张 营 , :6万 方 L G储 罐 的动 特 性 分 析 等 1 N

45 6 

24 0 k m~,  0   g? 弹性模 量 为 2 0×1 埘N ? . 0 m~, 泊 

底 板及 罐 顶采 用 8节 点 三维 实体单 元 , 体采用 8 液  

松 比为 0 2 内罐 液体 高 度 为 3 . 6 m。 内罐 直  .。 4 2 
径 为 8   沿 高 度 方 向 分 为 1 层 , 层 高  0 m, 0 每 3 5 3 m, 上 到下 每 层 的厚 度 分 别 为 1 l ,2  .4  从 2,2 1 , 1 ,2 2 1 . ,7 3 1 . ,2 4,4 9mm, 高 为  2 1 . ,4 7 1 . ,9 8 2 . 2 .  总 3 .3 m。 外 罐 和 内 罐 间 隔 为 1 m。外 罐 厚 为  5 4   

节 点 三维 流体单 元 J液 体表 面 为 自由面单 元 , , 采 
用 势流 体 理论进 行 计算 J  。 13 定 义 材料 、 界条 件和 荷载  . 边

在 A I A建 立 模 型 过 程 中 , 量 、 度 和 时  DN 质 长 间单位 分别 默认 为 k , 和 S g m, 。几 何模 型建 成后 ,  
定 义材 料 的密 度 、 弹性 模 量 、 泊松 比和屈 服 强度 等 

0 8m, 高 为 3 . 5m。罐 顶 为钢 筋 混 凝 土球 面  .  壁 85  穹顶 , 内径 为 8   厚 为 0 4 m。底板 为 混 凝 土底  2m, . 
板, 厚为 0 9 m。 .    1 2 单 元 的选择 和 网格 的划 分  .

量 值 。再定 义 边 界 条 件 , 底 板 的下 表 面 定 义 为  将

全 方位 自由度 约 束 , 三个 平 动 自 由度 和 三 个 转  即
动 自由度 , 在 罐 上 施 加 重 力 加 速 度 。储 罐 系 统  并 采 用直 角 坐标体 系 。储 罐 的有 限元模 型如 图 1  。

内罐 壁 及底 板采 用 4节 点 等参 单 元 , 罐 壁 、 外  

Z 

Z 

Xj Y 、 

X人 Y  

( ) 罐模型  a 外

( b)内 罐 加 有 液 体 模 型 

图 1 1  0 m  N   6X1  L G储 罐 有 限元 模 型 

法 。该 算法 的收敛 准则   。为 

2 储罐 的模 态分析计算 
不 考虑 阻 尼 的影 响 , 型 的 模 态 分 析 求 解 过  典
程 如下 :  

1  

一 11


1 

—百    ≤ , ,一、 、0  k1     ,
y  

() \/ 2   

式 中 , 为特征 模 态 的个 数 , 迭 代 次数 , 为 迭  Ⅳ k为   代 容差 , 常  :1   通 0一。

动力 方 程  为 

[ ]  }=   ]  }    {  2M { , [

() 1 

3 储 罐 的 频 率 和 振 型 
通 过 A I A有 限元软 件 的分 析 可 以看 出 ,6 DN 1  X1 m L G储 罐 内罐 液 固耦 合 和外 罐 的振 动 形    0  N

式 中 , ] 刚度 矩 阵 ,  ] [ 为   [ 为质 量 矩 阵 , } { 为   
第i 阶模 态 的振 型 向量 , 为第 i   阶模 态 的 固有频 
率。  

模 态分 析计 算 的关 键在 于 如何 提 取 固有频 率  和 特 征 向 量 , 在 数 值 分 析 算 法 中有 多 种 算 法 。 且  
针 对本 文有 限元 模 型 较 大 , 且 需 要 提 取 反 应 液  并

式 都 以 cs0型梁 式 振 动 为 主 。储 罐 内罐 液 固耦  o/ t
合 梁式 振 动 csO n=1时 的前 3阶振 型 如 图 2  on , ; 液 面 晃 动 的 前 3阶 振 型 如 图 3 外 罐 梁 式 振 动  ; cs 0 n=1时 的前 3阶振 型 如 图 4; 其对 应 的频  on , 与 率 和周 期 见表 1  。
盘  

体 低频 振动 、 壁 耦 联 运 动  和 外 罐 的高 阶频 率  罐 的振动 , 因而采 用 A I A 中的 L n zsI rt n算  DN a co  eai t o

( )第 1 a 阶振 型 

( b)第2 阶振 型 

( )第3 C 阶振 型 

图2 1   6×1 m L G储 罐 内罐 液 固耦 合 振 动 的 第 12, 0  N , 3阶振 型 

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46 6  
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报 
纛 

第1卷 2 

艘  纛 

Z  

Z  

x人 Y  

X/   LY  

( a)第1 阶振型 

( b)第2 阶振 型 

( C)第3 阶振型 

图3 1   6×1   L G储 罐 内罐 液面 晃 动 的第 12, 振型  0m N , 3阶

Z  

LX  

一  
() 1 a 第 阶振型 

( ) 阶振型  b 第2

( ) 阶振型  c 第3

图4 1   6×1   L G储 罐 外 罐 固有 振 动 的第 12, 0m N , 3阶振 型 
表 1 1   6×1 lL G储 罐 固有 频 率 及 周 期  0I N l  

参考 文献 :  

4 结

论 

[ ]黄 淑女 , 1 王作 乾.我 国第 一座 1 6万方全容 L G储 罐  N [ ] 石油工程建设 ,0 93 ( ) 1 J. 20 .5 4 :5—1. 7  
[ ]B T E K J dn  ho  n   dl gG ieV L  2 A H    .A iaT er adMoei   ud  O — y n
u   Z . D N   &D , ci U A,0 4 ME I 1 A I A R I  n S 2 0 . n    

() 1 内罐液 固耦 合 基 本振 动频 率 较 低 , 动  振
形 式 以 cs0型梁 式振 动为主 。 on  

( ) 体晃 动为低 频 的振 动 , 动形式 比较 单  2液 振
‘ 。

[] 3 孙建 刚. 式储 罐地震 响应控制研究 [ ] 哈尔滨 : 立 D. 中 
国地 震 局 工程 力 学 研 究 所 ,02 20.  



O 

( ) 罐 基 本 振 动频 率 较 高 , 动 形 式 也 以  3外 振
CsO型梁式振 动 为主 。 o ̄  

[ ]龙驭球 , 4 包世华.结构力学教程 Ⅱ[ . M] 北京 : 高等教 
育 出版 社 ,0 0 20.  

( ) 罐 的 液 固 耦 合 前 三 阶 频 率 分 别 为  4 内 19 9476 6 4 1H ; 体 晃 动 前 二阶 频 率 分  .7 ,.6 ,.9  z 液 三
别 为 0 14 0 15,. 3  z 外 罐前 三 阶频 率 分  .0 ,.8 0 25H ;
别 为 6 5 9 1 .7 2 。 6H 。 .0 ,2 3 ,2 1  z 

[ ]HO S E     5 U N R G W.T ednmi bhv ro ae  n s h ya c eai  f t t k    o w ra

[ ] B lt   fteSi ooia S c t o  m r a  J . ul i o    es lg l oiy fA ei , en h m c  e   c
1 6 5 ( ):8 9 3, 3 1 3 1—3 7  8.

( 责任编 辑

邹永 红)  

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