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立式储液罐象足屈曲的准静态数值模拟
葛颂,陈志平,沈建民,蒋家羚
浙江大学化工机械研究所,浙江杭州
摘要:“象足”屈曲现象是大型钢制立式储液罐地震破坏的主要形式之一,它发生在靠近底部的壁
板区域。在考虑大变形几何非线性和材料非线性条件下,本文利用非线性有限元法,以轴对称载荷
壳单元模型,对一定尺寸范围内的储罐进行了准静态弹塑性屈曲分析。研究了受轴向压应力情况
下,环向应力和轴向压缩失稳能力之间的关系。并强调了轴向压力是导致失稳的主导作用。
关键词:象足屈曲;储液罐;非线性有限元
中图分类号: 文献标识码: 文章编号:———
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足”屈曲变形的原因曾在世纪末期有较大争论,
引言
但目前已经得到广泛认同:内压产生的罐壁环向拉
在工业界,有相当数量的立式储液罐建造于地应力和罐壁竖直轴向压应力共同导致罐壁失稳,发
震中等以上活跃的地区。其中大多数的储罐是根据生屈曲变形。其中罐内压力是静水压和动水压力的
早期的抗震设计标准或近似的准则设计制造,有些叠加。诸多震害数据表明,单由环向应力是不可能
甚至根本就不考虑抗震设计。发生这类破坏的。而环向应力的意义主要在于它对
已有的震害研究表明,储液罐底部罐壁发生的罐壁轴向抗失稳能力的影响。
“象足”屈曲变形是一种典型的震害形式。发生“象
基金项目:浙江省自然科学基金资助。
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第卷第期压力容器总第期
压力的叠加。但储液罐震害统计没有发现过仅仅因
力学模型
为环向应力产生罐体破坏的案例,曾有研究表明,
储液罐的“象足”屈曲问题是罐壁底部环向应力环向应力的主要研究意义在于它影响着罐壁轴向抗
和轴向压应力联合作用的失稳现象。而罐壁的缺陷压缩失稳能力。
在一定程度上减弱了经典屈曲应力。本文就这种储液罐上发生的特殊“象足”屈曲问
圆柱壳形状缺陷主要有不圆和局部区域中的折题,提出轴对称载荷分布简化模型下,环向应力和轴
皱、鼓胀或凹陷。而在内压作用下,圆柱壳有消除不向压缩失稳能力之间的关系。另外还有一种“菱形”
圆度的趋势,因而可以提高轴压失稳的临界力。下屈曲模态形式,主要发生在许用失稳轴向应力保守
表列出了几个常见的,用于计算圆柱形钢制储液设计的高罐中。由于不是本文研究的重点,这里暂
罐的经验公式,以供参考。不作讨论。
表钢圆柱壳各种轴压失稳的临界应力公式. 载荷情况
载荷出处最小临界应力如图所示,静水压力表示为:
国际单位—
挠度理.
论解》—.等其中表示液面高度,表示从罐壁任意一点
到罐底的距离。动水压力假定为:


压力大挠度理论:.
压力容器设计》~ .等
试验的下限值
在抗震验算中. 等一.
纯弯曲伏尔米尔等
轴压缩沃兹尼克
及应环力向日本。.等, 格
—采用霸
—标准依据国内外地震中的几
十台设备进行了验算,对罐壁稳定许用临界应力的
规定了经验公式: . 。
本次分析的材料本构关系采用屈服图轴对称载荷加载示意图
准