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    立式圆柱形储液罐的轴对称液固耦合模态分析.pdf

    • 资源ID:20094       资源大小:253.22KB        全文页数:3页
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    立式圆柱形储液罐的轴对称液固耦合模态分析.pdf

    李金光等立式圆柱形储液罐的轴对称液固耦合模态分析 23 立式圆柱形储液罐的轴对称液固耦合模态分析 李金光 郑建华宋延杰程伟中国寰球工程公司北京100029 摘要 讨论储液罐的液固耦合有限元运动方程及其特性,介绍利用ANSYS软件进行轴对称液固耦合模态 分析的方法和注意事项,并以储液罐为例进行计算,将轴对称有限元计算结果与三维有限元计算结果及公式计 算结果进行比较。 关键词 圆柱形储液罐轴对称液固耦合模态分析 立式圆柱形钢制储液罐作为一种重要的储液 容器,已广泛应用于石油化工行业的各个领域。 国内工程界对储罐的设计、建造积累了丰富的工 程经验,众多学者、工程师也对其特有的液固相 互作用的动力特性展开了研究,取得了相应的研 究成果文献1建立了液固耦合的动力运动方程, 采用Amoldi方法分析储液容器的三维液固耦合动 力特性问题;文献2采用强耦合法对储液容器流固 耦合系统进行模态分析,并与附加质量法及文献 计算结果进行了比较;文献3对立式圆柱形钢制储 液罐的液固耦合问题,从理论分析出发,通过合 理建模,利用ANSYS有限元软件对4种锚固式储 油罐进行了模态分析;文献4讨论了储液罐的液固 耦合有限元运动方程及其特性,介绍了利用AN SYS软件进行立式圆柱形储液罐的三维液固耦合模 态分析的方法和注意事项,并以一个储液罐为例 进行了计算。 纵观以上的研究成果,采用的技术手段都是 建立三维有限元模型,进行液固耦合模态分析。 三维有限元模型的液固耦合模态分析固然是最合 理的且能反映储罐动力特性的分析方法,但由于 三维模型的单元、节点较多,计算效率较为低下, 所需的计算时间也较长;同时,随着储罐建设规 模越来越大,三维有限元模型的规模也随之增大, 再采用三维液固耦合的分析方法进行计算则会使 计算效率更低。 ANSYS软件提供了轴对称模态分析的功能, 可用来进行储液罐的液固耦合模态分析,用该方 法不但可以达到与三维液固耦合模态分析相同的 计算结果,还可以节省建模的计算时间,提高计 算效率,下面就这一应用进行详细介绍。 1 液固耦合有限元运动方程 在进行液固耦合分析时,通常假定液体为无 粘忽略阻尼粘滞作用、无旋、不可压缩和小幅 度运动,固体为线弹性材料。液固耦合的模态分 析特征值方程为 J [M][ ]{6[K]{60 1 [ ] [S] [H] [S] 2 [s]f[Ⅳ] [ ] 3 式中,P为液体密度;6和5分别为固体节点位移 和加速度;[ ]和[ ]分别为固体单元的质量 矩阵和刚度矩阵; [ ]为液固耦合质量矩阵; [ ]为流体单元的刚度矩阵;[Ⅳ]为压力的形函 数;[_Ⅳ]为节点位移6的形函数;s为固体与液体 的接触面。 2液固耦合模态分析在ANSYS中的实现 2.1 单元选择 利用ANSYS有限元软件进行轴对称液固耦合 模态分析时,可用轴对称谐波封闭液体单元FLU ID81来模拟液体,该单元是对轴对称结构实体单 元PLANE25做的修改有4个节点,每个节 点有x、Y和z三个方向的平动自由度,可用于 模拟装在容器内的无净流率的液体,可承受非轴 李金光高级工程师。2001年毕业于武汉大学工程力学专业获硕士学位。现主要从事石油化工行业的设计工作。联系电话 13810651595,Emaillijinguanghqcec.corn。 CHEMICAL ENGINEERING DESIGN 对称荷载,特别适合于计算静水压力和液体与固 体的相互作用,可计算加速度影响,如液体晃动 问题,也能考虑温度的影响 J。罐壁和底板可用 轴对称谐波结构壳单元Shell 61弹性壳单元模拟, 该单元有4个节点,每个节点有4个自由度x、 Y和z三个方向的平动自由度和绕z轴的转动自由 度,载荷可以是轴对称或非轴对称的。 2.2求解方法 液固耦合的模态提取只能采用缩减法Re duced/Householder。缩减法通过采用主自由度和 缩减矩阵来压缩问题的规模,利用HBI算法 Householder二分逆选代计算特征值和特征向 量。计算参数应设置频率提取数目和范围来分别 提取液体晃动频率和液固耦合冲击频率,也可以 不设置,这样就提取全部的频率。对缩减法而言, 该方法求解的是主自由度的值,求解后应进行模 态扩展将主自由度扩展到整个结构,且只有扩展 的模态才能够进行图形显示-4 J。 2.3建模和前处理 在建立液固耦合有限元模型的过程中,下列 六点应重点注意。 I储罐竖向坐标轴的设置对于轴对称模 型,储罐的竖向坐标轴应为Y轴方向,一般情况 下液体的顶面应在Y0处。 2KEYOPT2参数的设置当KEYOPT 20时,表示在单元的每个面都放置重力弹 簧;当KEYOPT21时,表示仅在Y0处的 单元面放置重力弹簧,这意味着液体的顶面应在Y 0处,不能出现Y向为正值的液体单元。 3加速度的设置由于有自由面的存在, 必须对所有单元设置垂直于自由面方向的加速度, 可通过“acel”命令来施加。 4液固耦合交界面的处理罐内液体与罐 壁是两个相互独立的部分,应分别划分单元网格。 在液固交界面上,液体单元节点坐标应与对应的 罐壁单元节点的坐标重合。两个重合的节点仅在 交界面处的法向方向进行位移耦合强制法线方 向的位移相同,而在切线方向不做约束。定义节 点耦合用“CPINTF”命令来实现。 5主自由度的设置由于模态提取采用缩 减法Reduced/Householder,所以必须定义主自 由度。定义节点主自由度用“In”命令来实现。 6指定谐单元的非轴对称荷载项由于模 型采用的是谐波单元,其对应的外荷载是通过一 系列的谐波函数来定义的,故应用“MODE”命令 来指定荷载沿圆周向的谐波数及荷载的对称条件 参数值ISYMISYM1表示对称,ISYM一1表 示反对称。 3计算实例与结果分析 3.1 储液罐设计参数及有限元模型 储液罐容积为3000 ITI ,上部敞口自由, 下部固定在地面。直径D20m,罐壁高H12m, 弹性模量E。210GPa,泊松比v0.26,密度P 7850kg/m ,壁厚t8mm。 罐内液体液位高度h10m,密度PL480kg/ m ,体积模量EI.0.548GPa。 ANSYS中,储液罐的轴对称有限元计算模型 见图1。 图1罐体有限元模型 节点的液固耦合设置见图2,罐壁处的主自由 度设置见图3。 图2液固耦合设置 李金光等 立式圆柱形储液罐的轴对称液固耦合模态分析 25 图3罐壁处主自由度设置 3.2计算结果与分析 虽然储罐晃动频率与液固耦合冲击频率相差 比较大,但由于轴对称计算模型的节点数较少, 故模态数不多,可直接设置一个较大的频率提取 范围涵盖晃动频率和液固耦合冲击频率,一次 计算得到晃动模态和耦合振动模态。根据计算结 果,其晃动模态和冲击模态见图4和图5。 图4晃动模态视图 图5冲击模态视图 表1给出了轴对称有限元分析得到的结果、文 献4给出的三维有限元计算结果及依据文献7的公 式得到的计算值。 表1计算结果对比表 从表1可知,轴对称有限元液固耦合模态分析 得到的计算结果与三维有限元液固耦合模态分析 得到的计算结果比较一致,且与文献7的公式计算 值也非常吻合。 4 结语 1利用ANSYS软件的轴对称谐波封闭流体 单元FLUID81进行立式圆柱形储液罐的轴对称液 固耦合模态分析技术上是可行的。 2轴对称液固耦合模态分析与三维液固耦 合模态分析的计算结果比较一致。 3轴对称液固耦合模态分析结果与文献7 的公式计算值更为接近。 4轴对称液固耦合模态分析的计算效率要 高于三维液固耦合模态分析。 参考文献 1徐刚,任文敏,张维等.储液容器的三维流固耦合动 力特性分析[J].力学学报,2004,363328335. 2王晖,陈刚,张伟等.储液容器三维流固耦合模态 分析[J].特种结构,2007,2425254. 3潘栋,邓民宪.基于ANSYS的储液罐固有振动特性分析 [J].西部探矿工程,2008,55254. 4郑建华,李金光,唐辉永等.立式圆柱形储液罐的三维液 固耦合模态分析[J].化工设计,2012,22125 27. 5朱伯芳.有限单元法原理与应用第二版[M].北京 中国水利水电出版社,1998. 6 ANSYS.Release l1.0 Documentation for ANSYS[CP].AN- SYS,lnc. 7 AP1 6502009.Welded Steel Tanks for Oi】Storage『S]. WashingtonAmerican Petroleum Institute,2009. 收稿日期20120625

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