袁　野

(同濟(jì)大學(xué)土木工程防災(zāi)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上?！?00092)

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基于ADINA的矩形儲(chǔ)液池流固耦合動(dòng)力響應(yīng)分析

袁野

(同濟(jì)大學(xué)土木工程防災(zāi)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200092)

采用大型有限元軟件ADINA，對(duì)某矩形儲(chǔ)液結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行了分析，通過(guò)對(duì)比液體晃動(dòng)頻率計(jì)算值與理論值，驗(yàn)證了ADINA對(duì)于流固耦合問(wèn)題分析的實(shí)用性，并對(duì)不同儲(chǔ)液深度和幾何尺寸情況下的儲(chǔ)液結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行了模態(tài)和地震響應(yīng)分析，得出了一些有意義的結(jié)論。

矩形儲(chǔ)液水池，流固耦合，地震響應(yīng)，模態(tài)分析

0　引言

儲(chǔ)液結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于人們?nèi)粘Ｉ畹母鱾€(gè)方面，作為一種重要的構(gòu)筑物，在日常的生產(chǎn)工作中發(fā)揮著重要的作用[1]。儲(chǔ)液結(jié)構(gòu)涉及到石油、化工、水利、天然氣以及核電等各種不同的行業(yè)，主要用于儲(chǔ)存石油、天然氣以及核反應(yīng)燃料等易燃、易爆和具有放射性的物質(zhì)，具有極大危險(xiǎn)性，一旦泄露將會(huì)造成火災(zāi)或者極大的環(huán)境污染等二次災(zāi)害，如：在1964年日本新潟發(fā)生地震[2]，儲(chǔ)液罐以及電力設(shè)施遭到破壞，儲(chǔ)油罐區(qū)起火，造成極大經(jīng)濟(jì)損失；2011年日本福島核事故中[3]，儲(chǔ)存乏燃料組件的乏燃料水池受損導(dǎo)致降溫系統(tǒng)喪失功能，造成重大核泄漏事故。因此儲(chǔ)液結(jié)構(gòu)的安全受到極大的關(guān)注和重視。我國(guó)處于世界兩大地震構(gòu)造系的交匯部位[4]，屬于地震多發(fā)國(guó)家。從而儲(chǔ)液結(jié)構(gòu)的抗震問(wèn)題更是受到國(guó)內(nèi)學(xué)者的重點(diǎn)關(guān)注。陳貴清和楊雪梅[5]對(duì)超大型儲(chǔ)液罐考慮流固耦合進(jìn)行了振動(dòng)分析，用ANSYS建立儲(chǔ)液罐—液體有限元模型，對(duì)儲(chǔ)液罐流固耦合系統(tǒng)的振動(dòng)頻率以及破壞現(xiàn)象做了分析；劉云賀、王克成和陳厚群對(duì)儲(chǔ)液池的抗震問(wèn)題進(jìn)行了探討[6]，探討了液面波動(dòng)、水池剛度以及寬深比變化對(duì)于儲(chǔ)液池地震響應(yīng)的影響；賈善坡，趙友清和許成祥[7]對(duì)儲(chǔ)液容器內(nèi)的液體晃動(dòng)問(wèn)題進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)建模與模擬，以ABAQUS為平臺(tái)，編寫(xiě)分析程序?qū)σ后w晃動(dòng)的特征頻率和模態(tài)進(jìn)行了計(jì)算分析；王翠翠，雷新弋[2]對(duì)立式的錨固儲(chǔ)液罐基于有限元軟件ADINA進(jìn)行了地震響應(yīng)分析。

對(duì)于儲(chǔ)液結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)分析，涉及到流固耦合的強(qiáng)非線性問(wèn)題，主要的分析方法是實(shí)驗(yàn)方法和數(shù)值分析方法。本文用大型有限元軟件ADINA對(duì)某矩形儲(chǔ)液池結(jié)構(gòu)在不同情況下進(jìn)行動(dòng)力響應(yīng)分析，期望能為以后的類似問(wèn)題提供參考。

1　模型概況及ADINA建模

1.1模型概況

本文中儲(chǔ)液水池初始外廓長(zhǎng)×寬×高為23 m×13.5 m×23.5 m，側(cè)壁厚度為2 m，底板厚度為1.5 m。水池材料為C35混凝土，池內(nèi)液體為水。逐漸改變儲(chǔ)液高度和水池內(nèi)部?jī)?chǔ)液尺寸以研究在不同情況下，水池和內(nèi)部液體的動(dòng)力響應(yīng)變化。

1.2ADINA建模

應(yīng)用大型有限元軟件ADINA建立矩形儲(chǔ)液水池的幾何模型。水池C35混凝土采用3D-Solid單元模擬，池內(nèi)水體采用3D-Fluid單元模擬，為考慮水體液面的晃動(dòng)效應(yīng)，水體材料采用ADINA軟件中的勢(shì)流體，并將水體上表面設(shè)置為勢(shì)流體的自由液面來(lái)考慮重力對(duì)于液面波動(dòng)的影響。儲(chǔ)液結(jié)構(gòu)體系的ADINA三維有限元模型如圖1所示。

1.3輸入地震荷載

本文地震輸入選用典型的EL-Centro波南北向時(shí)程記錄，輸入該地震波的前50 s時(shí)程記錄，設(shè)置300個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)。輸入地震荷載加速度時(shí)程如圖2所示。

2　ADINA有限元分析結(jié)果

2.1液體晃動(dòng)頻率與理論值對(duì)比分析

在保證水池幾何尺寸不變的前提下，對(duì)水深分別為17 m，16 m，14 m，12 m和10 m的儲(chǔ)液體系進(jìn)行模態(tài)分析，可得出各個(gè)水深下水體晃動(dòng)的一階頻率。在文獻(xiàn)[8]中同濟(jì)大學(xué)的李遇春等人基于Housner的質(zhì)量彈簧系統(tǒng)提出了渡槽中液體晃動(dòng)的頻率理論計(jì)算公式(1)，本文依據(jù)該公式針對(duì)本文中的儲(chǔ)液水池結(jié)構(gòu)計(jì)算水池中液體晃動(dòng)的理論解以便和ADINA有限元模型的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。經(jīng)計(jì)算得出各水深情況下液體晃動(dòng)的一階頻率如表1所示。

(1)

由表1中數(shù)據(jù)可以看出，ADINA有限元模態(tài)分析結(jié)果與文獻(xiàn)[8]給出的公式計(jì)算結(jié)果基本吻合。兩種計(jì)算值之間存在一點(diǎn)誤差，這是因?yàn)樵谖墨I(xiàn)[8]中推導(dǎo)該計(jì)算公式時(shí)有兩個(gè)經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，該經(jīng)驗(yàn)參數(shù)的取值將會(huì)影響到晃動(dòng)頻率的計(jì)算結(jié)果。由此可見(jiàn)，有限元分析軟件ADINA用于流固耦合問(wèn)題的模擬分析是可行的，且準(zhǔn)確度很高。

2.2儲(chǔ)液深度對(duì)液體晃動(dòng)頻率的影響

保持儲(chǔ)液水池幾何尺寸為初始幾何尺寸23 m×13.5 m×23.5 m，儲(chǔ)液池內(nèi)液體深度分別取17 m，16 m，14 m，12 m和10 m，由ADINA計(jì)算得到各個(gè)儲(chǔ)液深度下液體晃動(dòng)的一、二、三和四階頻率和模態(tài)形狀。由計(jì)算結(jié)果可知，在所取的幾個(gè)儲(chǔ)液深度下，液體晃動(dòng)一、二、三和四階模態(tài)振型一致，在此僅給出水深17 m情況下的一、二、三和四階模態(tài)如圖3～圖6所示。各個(gè)儲(chǔ)液深度下，各階頻率值如表2所示，各階頻率隨儲(chǔ)液深度的變化曲線如圖7所示。

表2　不同儲(chǔ)液深度各階頻率值

儲(chǔ)液水深/m一階/Hz二階/Hz三階/Hz四階/Hz170.20190.28680.28680.3033160.20160.28680.28680.3033140.20070.28680.28680.3033120.19890.28670.28670.3033100.19540.28650.28650.3031

由圖7可以看出隨著儲(chǔ)液深度的變化，液體第一階晃動(dòng)頻率有細(xì)微變化，但很不明顯，液體第二、三和四階晃動(dòng)頻率隨著儲(chǔ)液深度的變化基本呈一條直線，沒(méi)有變化，說(shuō)明儲(chǔ)液深度對(duì)于液體晃動(dòng)頻率的影響很小，基本可以忽略不計(jì)。

2.3儲(chǔ)液池幾何尺寸對(duì)液體晃動(dòng)頻率的影響

保持儲(chǔ)液池池壁厚度、底板厚度以及儲(chǔ)液深度不變的情況下，改變儲(chǔ)液池內(nèi)部幾何尺寸，研究?jī)?chǔ)液池內(nèi)部幾何尺寸的變化對(duì)于液體晃動(dòng)頻率的影響。分別取內(nèi)部幾何尺寸為：19 m×9.5 m，21 m×10.5 m，23 m×11.5 m，25 m×12.5 m，27 m×13.5 m和29 m×14.5 m，計(jì)算得到液體晃動(dòng)的一、二、三和四階頻率如表3所示，晃動(dòng)頻率隨幾何尺寸變化如圖8所示。

表3　不同幾何尺寸下液體晃動(dòng)頻率

由圖8中變化曲線可以看出，水體晃動(dòng)頻率受到水池內(nèi)部幾何尺寸的影響較大，頻率變化很明顯，隨著幾何尺寸的增大，液體各階晃動(dòng)頻率逐漸減小，相應(yīng)的周期隨之變大。與儲(chǔ)液深度對(duì)液體晃動(dòng)頻率的影響對(duì)比可知，水池幾何尺寸對(duì)于液體晃動(dòng)頻率的影響較儲(chǔ)液深度的影響大，在進(jìn)行儲(chǔ)液結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)加以考慮。

2.4地震荷載作用下不同儲(chǔ)液深度液體晃動(dòng)響應(yīng)

保持儲(chǔ)液水池尺寸為初始幾何尺寸23 m×13.5 m×23.5 m，分別取儲(chǔ)液深度為：6 m，8 m，10 m，12 m和14 m。在模型Y向輸入地震荷載，進(jìn)行儲(chǔ)液水池流固耦合的時(shí)程分析計(jì)算。選取儲(chǔ)液池其中一個(gè)角部位置液面一點(diǎn)，對(duì)不同儲(chǔ)液深度情況下的液面該點(diǎn)晃動(dòng)時(shí)程進(jìn)行對(duì)比分析，如圖9所示。由圖9中對(duì)比曲線可以看出：在不同儲(chǔ)液深度時(shí)，液面同一位置點(diǎn)的晃動(dòng)規(guī)律一致；在儲(chǔ)液深度為6 m時(shí)，液體晃動(dòng)波高最大；隨著儲(chǔ)液深度的增大，晃動(dòng)波高減??；在儲(chǔ)液深度達(dá)到10 m后儲(chǔ)液深度的變化對(duì)于晃動(dòng)波高影響不大，說(shuō)明在保證幾何尺寸以及輸入地震荷載一定的情況下，此時(shí)儲(chǔ)液深度的改變對(duì)于液體晃動(dòng)波高的影響較小。

3　結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)矩形儲(chǔ)液水池在不同儲(chǔ)液深度和不同幾何尺寸情況下進(jìn)行了模態(tài)以及地震響應(yīng)分析，得出如下幾個(gè)結(jié)論：

1)大型有限元軟件ADINA可用于流固耦合分析，并且分析精度較高；

2)在保證儲(chǔ)液水池幾何尺寸一定的情況下，儲(chǔ)液深度對(duì)于液體晃動(dòng)頻率的影響不大；

3)儲(chǔ)液水池的幾何尺寸對(duì)于液體晃動(dòng)頻率的影響較儲(chǔ)液深度的影響大，且隨著幾何尺寸的增大，晃動(dòng)頻率逐漸減?。?/p>

4)在地震荷載作用下，不同儲(chǔ)液深度的液體晃動(dòng)規(guī)律一致，儲(chǔ)液深度從一定值(本文為6 m)開(kāi)始，隨著深度的增加，液體晃動(dòng)最大波高增大，當(dāng)達(dá)到一定值(本文為10 m)時(shí)，儲(chǔ)液深度的變化不再對(duì)液體晃動(dòng)波高產(chǎn)生較大影響。

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[2]王翠翠，雷昕弋.考慮液固耦合儲(chǔ)液罐非線性地震反應(yīng)分析[J].防災(zāi)科技學(xué)院學(xué)報(bào),2011,13(1):19-22.

[3]陳海英，劉遠(yuǎn)遠(yuǎn)，張春明,等.福島乏燃料水池事故探討[J].核安全,2012(2):76-78.

[4]李國(guó)強(qiáng)，李杰.地震工程學(xué)導(dǎo)論[M].北京:地震出版社,1992:1-348.

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The dynamic response analysis of rectangular liquid storage considering fluid-structure interaction based on ADINA

Yuan Ye

(State Key Laboratory for Disaster Reduction in Civil Engineering Tongji University, Shanghai 200092, China)

The rectangular liquid storage was analyzed based on the large scaled finite element software ADINA. The calculated value of liquid sloshing frequency was compared with the theory value, and the applicability of ADINA for fluid-structure problem was verified. The modal and seismic response analyses were carried out on rectangular liquid storage of different liquid depth and geometry size, get some significant results.

rectangular liquid storage, fluid-structure interaction, seismic response, modal analysis

1009-6825(2016)25-0037-03

2016-06-23

袁野(1989- )，男，在讀碩士

TU311.3

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