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流固耦合对脱硫塔结构简化模型的动力反应分析

原文作者:
  贺文山,宋波,王树和
发布时间:
  2014-08-13
来    源:
  北京科技大学土木与环境工程学院
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摘要为研究流固耦合对脱硫塔结构简化模型动力反应的影响,采用有限元程序( Adina) 模拟脱硫塔结构简化模型在地震作用下的流固耦合效应. 首先对脱硫塔结构进行合理简化,在不同液位下进行了脱硫塔结构的模态分析,研究了塔内液位高度对脱硫塔结构的频率和振型的影响; 其次,通过对脱硫塔结构进行地震波加载,研究了塔内液位高度、地震波输入角度和加速度峰值对脱硫塔结构的位移和加速度的影响,并与试验结果进行比较. 结果表明,脱硫塔结构的频率会随着液位增高而减小,塔内液位高度、地震波加载方向及加速度峰值对脱硫塔结构加速度的影响比较大,而对其位移影响不大.
    服役期间的筒仓、储罐和脱硫塔等储液结构在静态受力时,若等效应力保持在塑性屈服应力以下,容器就是安全的,但在地震中由于塔内液体的存在,塔壁会与塔内液体发生相互作用,很容易引起结构破坏,其一旦发生破坏,不仅会造成较大的直接经济损失,还可能导致储存物质泄露,产生严重的地震次生灾害,造成严重的环境污染[1]. 例如,1976 年我国发生的7. 8 级唐山大地震,地震区的钢制储罐遭受到相当严重的震害. 在唐山、天津等地区现场调查的52 座容量为500 ~ 10 000 m3 的立式钢油罐中,都曾发生过一些破坏,从震害看,罐壁屈曲是该类结构的主要破坏形式之一. 目前对这些破坏形式的研究还不足,不仅表现在对结构的理论分析中存在差异上,也反映在各国规范的不一致上. 例如,美国API650 标准和AWWA 标准是按均匀轴压圆柱壳验算水平地震作用下储液罐的稳定性,而我国《工业设备抗震鉴定标准》( YB /T9260—98) 则是按受扭圆柱壳体验算[2].
    国内外学者对流固耦合的基础理论做了大量的研究工作,国外学者的研究一直处于领先地位,其主要集中在美国、英国、德国和日本. 在美国,对流固耦合的应用有许多研究成果,其中最为突出的是麻省理工学院的Bathe 等[3--4]. 在Bathe 的主持下,美国每年都会召开关于流固耦合问题的学术交流会,其在商用软件中也实现了流固耦合问题的计算. 在英国已经成功应用流固耦合理论对F1( 不可压缩的黏性流体的压力和速度) 进行计算,Zienkiewicz等[5]在他们的有限元法专著中详细地讨论了对流体的计算方法. 德国学者的论文中也显示了他们在流固耦合理论方面的成果.
    1991 年Hesla 最早提出了将流体域和固体域建立一个统一的求解方程. 德国的Gluck 和Halfmann等采用分区耦合算法对膜结构进行流固耦合的数值模拟[5]. Namkoong 等[6]开发了一个可以直接求解混合统一方程的方法,研究了充满流体的腔中竖直板的振动,并利用其对称性,将三维问题简化为二维问题. Zhang 和Hisada[7]为了克服由于薄壳结构的屈曲引起的数值计算的不稳定性,开发出了一个用于求解三维结构的屈曲和大变形的FSI( fluid-structureinteraction) 程序. 建立了自动网格更新的ALE( arbitrary lagrangian eulerian) 有限元法的方程.
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