一种圆形液体储罐内罐的倾覆稳定性分析方法及系统与流程

1.本发明涉及稳定性分析领域，特别是关于一种圆形液体储罐内罐的倾覆稳定性分析方法及系统。


背景技术：

2.圆形液体储罐内罐在运营阶段盛装大量液体，在地震工况中，内部液体受水平地震作用发生晃荡，作用给内罐极大的水平作用力，且该水平力合力作用点较高，极易造成内罐倾覆。内罐倾覆失稳会导致储罐外罐罐底接收到极大的不均匀荷载，造成局部破坏，同时，外罐壁也会受到巨大的水平冲击力，对储罐结构整体安全和稳定造成严重威胁。
3.现有技术中，针对圆形液体储罐内罐的稳定性分析采用国外标准规范中的理论和经验公式，但是这些规范中的公式具有一定的局限性，且未列出推导过程，难以全面指导不同类型和容积的储罐建设。另外，由于现有技术采用有限元数值模拟分析方法，其计算成本高且耗时较久，同时，无法考虑施工建造过程中造成的误差和缺陷。


技术实现要素：

4.针对上述问题，本发明的目的是提供一种精确高效且能够指导不同类型和容积的储罐建设的圆形液体储罐内罐的倾覆稳定性分析方法及系统。
5.为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：第一方面，提供一种圆形液体储罐内罐的倾覆稳定性分析方法，包括：
6.获取待测圆形液体储罐的结构以及待测圆形液体储罐的内罐和罐内液体的地震响应加速度；
7.对待测圆形液体储罐的内罐和罐内液体进行静力平衡分析；
8.根据静力平衡分析结果和待测圆形液体储罐的结构，计算待测圆形液体储罐内罐和罐内液体的倾覆稳定临界相对加速度；
9.根据计算的倾覆稳定临界相对加速度以及获取的待测圆形液体储罐的内罐和罐内液体的地震响应加速度，判断待测圆形液体储罐的内罐和罐内液体组成的结构体系的内罐倾覆状态。
10.进一步地，所述对待测圆形液体储罐的内罐和罐内液体进行静力平衡分析，包括：
11.将待测圆形液体储罐的内罐、罐内液体作为力学分析对象，将内罐的底部作为固定边界条件；
12.对待测圆形液体储罐的内罐和罐内液体进行静力平衡分析，将相对加速度等效为内罐和罐内液体所受水平力，分别计算内罐和罐内液体组成的结构体系的倾覆力矩和抵抗力矩。
13.进一步地，所述内罐和罐内液体组成的结构体系的内罐倾覆状态包括：
14.内罐倾覆临界状态，该状态下内罐和罐内液体组成的结构体系的倾覆力矩等于抵抗力矩，结构体系处于倾覆极限平衡状态，该状态下的抵抗力矩为极限平衡状态抵抗力拒；
15.内罐倾覆稳定状态，该状态下内罐和罐内液体组成的结构体系的倾覆力矩小于极限平衡状态抵抗力拒，结构体系处于平衡状态，结构体系的抵抗力矩与倾覆力矩相同，均小于极限平衡状态抵抗力拒；
16.内罐倾覆失稳状态，该状态下内罐和罐内液体组成的结构体系的倾覆力矩大于极限平衡状态抵抗力拒，结构体系处于倾覆失稳状态，结构体系的抵抗力拒与倾覆力矩相同，均大于极限平衡状态抵抗力拒。
17.进一步地，所述根据静力平衡分析结果和待测圆形液体储罐的结构，计算待测圆形液体储罐内罐和罐内液体的倾覆稳定临界相对加速度，包括：
18.建立待测圆形液体储罐的内罐底部的极坐标系；
19.基于建立的极坐标系，将待测圆形液体储罐的内罐底部划分为微单元，确定作用在每一微单元上的抵抗力矩；
20.采用二重积分，基于作用在每一微单元上的抵抗力矩，计算待测圆形液体储罐内罐和罐内液体的极限平衡状态抵抗力矩，并确定倾覆稳定临界相对加速度。
21.进一步地，所述作用在每一微单元上的抵抗力矩m
抵抗
为：
[0022][0023]
其中，r为极坐标系中的半径坐标；θ为极坐标系中的旋转角度坐标；r为内罐底环板半径；p为作用在微单元上的竖向压力值。
[0024]
进一步地，当结构体系所受的相对水平加速度等于倾覆稳定临界加速度，待测圆形液体储罐的内罐和罐内液体组成的结构体系处于内罐倾覆临界状态；
[0025]
当结构体系所受的相对水平加速度小于倾覆稳定临界加速度时，待测圆形液体储罐的内罐和罐内液体组成的结构体系处于内罐倾覆稳定状态；
[0026]
当结构体系所受的相对水平加速度大于倾覆稳定临界加速度时，待测圆形液体储罐的内罐和罐内液体组成的结构体系处于内罐倾覆失稳状态。
[0027]
进一步地，通过对比罐内液体所受加速度和计算得到的倾覆稳定临界相对加速度的大小，判断结构体系是否处于内罐倾覆失稳状态。
[0028]
第二方面，提供一种圆形液体储罐内罐的倾覆稳定性分析系统，包括：
[0029]
数据获取模块，用于获取待测圆形液体储罐的结构以及待测圆形液体储罐的内罐和罐内液体的地震响应加速度；
[0030]
静力平衡分析模块，用对待测圆形液体储罐的内罐和罐内液体进行静力平衡分析；
[0031]
计算模块，用根据静力平衡分析结果和待测圆形液体储罐的结构，计算待测圆形液体储罐内罐和罐内液体的倾覆稳定临界相对加速度；
[0032]
稳定性分析模块，用根据计算的倾覆稳定临界相对加速度以及获取的待测圆形液体储罐的内罐和罐内液体的地震响应加速度，判断待测圆形液体储罐的内罐和罐内液体组成的结构体系的内罐倾覆状态。
[0033]
第三方面，提供一种处理设备，包括计算机程序指令，其中，所述计算机程序指令被处理设备执行时用于实现上述圆形液体储罐内罐的倾覆稳定性分析方法对应的步骤。
[0034]
第四方面，提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计
算机程序指令，其中，所述计算机程序指令被处理器执行时用于实现上述圆形液体储罐内罐的倾覆稳定性分析方法对应的步骤。
[0035]
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：
[0036]
1、本发明的推导过程中能够精确考虑圆形液体储罐内罐的结构特征和罐底应力分布，推导基于力和力矩平衡方程，原理明确清晰，能够根据不同应用场景调整和拓展。
[0037]
2、本发明的稳定性分析结果为判别公式，直观简单，方便工程应用，能够广泛应用于各种类型和罐容的圆形液体储罐内罐倾覆稳定性分析，提供有益的指导和建议。
[0038]
3、本发明针对圆形液体储罐，不受储罐内罐材质和内部盛装液体种类的影响，适用范围极广。
[0039]
综上所述，本发明可以广泛应用于稳定性分析领域中。
附图说明
[0040]
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。在附图中：
[0041]
图1本发明一实施例提供的方法流程示意图；
[0042]
图2是本发明一实施例提供的内罐倾覆临界状态受力分析示意图；
[0043]
图3是本发明一实施例提供的内罐倾覆稳定状态受力分析示意图；
[0044]
图4是本发明一实施例提供的内罐倾覆失稳状态受力分析示意图；
[0045]
图5是本发明一实施例提供的圆形内罐底部二重积分示意图。
具体实施方式
[0046]
下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施方式。虽然附图中显示了本发明的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。
[0047]
应理解的是，文中使用的术语仅出于描述特定示例实施方式的目的，而无意于进行限制。除非上下文另外明确地指出，否则如文中使用的单数形式“一”、“一个”以及“所述”也可以表示包括复数形式。术语“包括”、“包含”、“含有”以及“具有”是包含性的，并且因此指明所陈述的特征、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但并不排除存在或者添加一个或多个其它特征、步骤、操作、元件、部件、和/或它们的组合。文中描述的方法步骤、过程、以及操作不解释为必须要求它们以所描述或说明的特定顺序执行，除非明确指出执行顺序。还应当理解，可以使用另外或者替代的步骤。
[0048]
尽管可以在文中使用术语第一、第二、第三等来描述多个元件、部件、区域、层和/或部段，但是，这些元件、部件、区域、层和/或部段不应被这些术语所限制。这些术语可以仅用来将一个元件、部件、区域、层或部段与另一区域、层或部段区分开。除非上下文明确地指出，否则诸如“第一”、“第二”之类的术语以及其它数字术语在文中使用时并不暗示顺序或者次序。因此，以下讨论的第一元件、部件、区域、层或部段在不脱离示例实施方式的教导的情况下可以被称作第二元件、部件、区域、层或部段。
[0049]
为了便于描述，可以在文中使用空间相对关系术语来描述如图中示出的一个元件或者特征相对于另一元件或者特征的关系，这些相对关系术语例如为“内部”、“外部”、“内侧”、“外侧”、“下面”、“上面”等。这种空间相对关系术语意于包括除图中描绘的方位之外的在使用或者操作中装置的不同方位。
[0050]
本发明实施例提供的圆形液体储罐内罐的倾覆稳定性分析方法及系统，采用等效加速度模拟待测圆形液体储罐的内罐和罐内液体的地震响应，考虑圆形液体储罐的内罐罐底几何特性和应力分布特征，建立微单元静力平衡方程，并采用二重积分确定圆形液体储罐的内罐临界平衡状态，能够广泛应用于各种类型和罐容的圆形液体储罐内罐倾覆稳定性分析，提供有益的指导和建议。
[0051]
实施例1
[0052]
如图1所示，本实施例提供一种圆形液体储罐内罐的倾覆稳定性分析方法，包括以下步骤：
[0053]
1)获取待测圆形液体储罐的结构以及待测圆形液体储罐的内罐和罐内液体的地震响应加速度。
[0054]
具体地，待测圆形液体储罐的结构以及待测圆形液体储罐的内罐和罐内液体的地震响应加速度可以根据地震安评报告提供的相关信息通过时域分析或频域分析确定。
[0055]
2)对待测圆形液体储罐的内罐和罐内液体进行静力平衡分析，具体为：
[0056]
2.1)将待测圆形液体储罐的内罐、罐内液体作为力学分析对象，将内罐的底部作为固定边界条件。
[0057]
具体地，假设内罐的底部地面边界条件刚度有限，假设待测圆形液体储罐的底部为刚体，在受力状态下不发生变形。
[0058]
2.2)对待测圆形液体储罐的内罐和罐内液体进行静力平衡分析，将相对加速度等效为内罐和罐内液体所受水平力，分别计算内罐和罐内液体组成的结构体系的倾覆力矩和抵抗力矩。
[0059]
具体地，如图2、图3和图4所示，内罐和罐内液体组成的结构体系的内罐倾覆状态包括内罐倾覆临界状态、内罐倾覆稳定状态和内罐倾覆失稳状态三种状态，其中：
[0060]
①
内罐倾覆临界状态。
[0061]
该状态下内罐和罐内液体组成的结构体系的倾覆力矩m
倾覆
等于抵抗力矩m
抵抗
，结构体系处于倾覆极限平衡状态，该状态下的抵抗力矩为极限平衡状态抵抗力拒m
临
，该状态下内罐底部受到地面作用的反力呈三角形分布，远离内罐倾覆方向的反力大小为零：
[0062]m倾覆
＝m
临
ꢀꢀ
(1)
[0063]
②
内罐倾覆稳定状态。
[0064]
该状态下内罐和罐内液体组成的结构体系的倾覆力矩m
倾覆
小于极限平衡状态抵抗力拒m
临
，结构体系处于平衡状态，结构体系的抵抗力矩m
抵抗
与倾覆力矩m
倾覆
相同，均小于极限平衡状态抵抗力拒m
临
，该状态下内罐底部受到地面作用的反力呈梯形分布，远离内罐倾覆方向的反力为梯形短边：
[0065]m倾覆
＝m
抵抗
《m
临
ꢀꢀ
(2)
[0066]
③
内罐倾覆失稳状态。
[0067]
该状态下内罐和罐内液体组成的结构体系的倾覆力矩m
倾覆
大于极限平衡状态抵抗
力拒m
临
，结构体系处于倾覆失稳状态，结构体系的抵抗力拒m
抵抗
与倾覆力矩m
倾覆
相同，均大于极限平衡状态抵抗力拒m
临
，此时结构体系仍然受力平衡，但是内罐底部只有部分受到地面反力作用，反力呈三角形分布，远离内罐倾覆方向的反力为零：
[0068]m倾覆
＝m
抵抗
》m
临
ꢀꢀ
(3)
[0069]
3)根据静力平衡分析结果和待测圆形液体储罐的结构，计算待测圆形液体储罐内罐和罐内液体的倾覆稳定临界相对加速度，具体为：
[0070]
3.1)建立待测圆形液体储罐的内罐底部的极坐标系。
[0071]
3.2)基于建立的极坐标系，将待测圆形液体储罐的内罐底部划分为微单元，确定作用在每一微单元上的抵抗力矩。
[0072]
具体地，微单元所受的倾覆力矩m
倾覆
为：
[0073]m倾覆
＝ma
′
h1 ma
′
h2ꢀꢀ
(4)
[0074]
其中，m为罐内液体的质量；m为内罐罐体的质量；h1为罐内液体的质心高度；h2为内罐罐体的质心高度；a
′
为内罐和罐内液体所受的相对水平加速度；且：
[0075][0076]
其中，h
液
为罐内液体的液面高度。
[0077]
假设内罐的壁板共有n环，质心高度分别为1,2,3,
…
,n，对应的质量分别为m1,m2,m3,
…
,mn，内罐的底板质量为m
n 1
，则：
[0078][0079]
m＝m1 m2 m3
…mn
m
n 1
ꢀꢀ
(7)
[0080]
因此，作用在每一微单元上的抵抗力矩m
抵抗
为：
[0081][0082]
其中，r为极坐标系中的半径坐标；θ为极坐标系中的旋转角度坐标；r为内罐底环板半径；p为作用在微单元上的竖向压力值。
[0083]
3.3)采用二重积分，基于作用在每一微单元上的抵抗力矩，计算待测圆形液体储罐内罐和罐内液体的极限平衡状态抵抗力矩，并代入至力矩平衡方程，得到倾覆稳定临界相对加速度。
[0084]
具体地，如图5所示，采用极坐标系建立二重积分。
[0085]
具体地，内罐倾覆临界状态时，在内罐的圆形底板范围内二重积分，得到待测圆形液体储罐内罐和罐内液体的极限平衡状态抵抗力矩m
临
：
[0086][0087][0088][0089][0090]
其中，p2为内罐所受摩擦力。
[0091]
具体地，当罐内液体受到的水平加速度为倾覆稳定临界相对加速度时，内罐及其内部液体组成的系统达到临界状态，该状态下结构体系的倾覆力矩等于结构体系受到的抵抗力矩。
[0092]
4)根据计算的倾覆稳定临界相对加速度以及获取的待测圆形液体储罐的内罐和罐内液体的地震响应加速度，判断待测圆形液体储罐的内罐和罐内液体组成的结构体系的内罐倾覆状态。
[0093]
具体地，当待测圆形液体储罐的内罐和罐内液体组成的结构体系所受的地震响应加速度中的相对水平方向加速度等于倾覆稳定临界相对加速度时，结构体系处于临界状态；
[0094]
在内罐的圆形底板范围内二重积分，得到竖向支持力p
总
：
[0095][0096][0097][0098][0099]
倾覆稳定临界状态时，对于待测圆形液体储罐的内罐结构，水平和竖直方向受力平衡：
[0100]
(m m)a
临
＝f
ꢀꢀ
(17)
[0101][0102]
其中，a
临
为倾覆稳定临界加速度；f为内罐所受摩擦力；a
″
为地震响应加速度中的竖向地震加速度；g为重力加速度。
[0103]
对于待测圆形液体储罐的内罐结构，所受力矩满足：
[0104]m倾覆
＝m
临
ꢀꢀ
(19)
[0105]m倾覆
＝ma
临
h1 ma
临
h2ꢀꢀ
(20)
[0106][0107]
综上可得：
[0108][0109][0110]
即：
①
当结构体系所受的相对水平加速度等于倾覆稳定临界加速度，即当a
′
＝a
临
时，待测圆形液体储罐的内罐和罐内液体组成的结构体系处于内罐倾覆临界状态；
[0111]
②
当结构体系所受的相对水平加速度小于倾覆稳定临界加速度，即当a
′
《a
临
时，待测圆形液体储罐的内罐和罐内液体组成的结构体系处于内罐倾覆稳定状态；
[0112]
③
当结构体系所受的相对水平加速度大于倾覆稳定临界加速度，即当a
′
》a
临
时，待测圆形液体储罐的内罐和罐内液体组成的结构体系处于内罐倾覆失稳状态。
[0113]
具体地，计算得到的倾覆稳定临界相对加速度可以作为判别标准，通过对比罐内液体所受加速度和倾覆稳定临界相对加速度的大小，可以判断结构体系是否处于内罐倾覆失稳状态。
[0114]
实施例2
[0115]
本实施例提供一种圆形液体储罐内罐的倾覆稳定性分析系统，包括：
[0116]
数据获取模块，用于获取待测圆形液体储罐的结构以及待测圆形液体储罐的内罐和罐内液体的地震响应加速度。
[0117]
静力平衡分析模块，用对待测圆形液体储罐的内罐和罐内液体进行静力平衡分析。
[0118]
计算模块，用根据静力平衡分析结果和待测圆形液体储罐的结构，计算待测圆形液体储罐内罐和罐内液体的倾覆稳定临界相对加速度。
[0119]
稳定性分析模块，用根据计算的倾覆稳定临界相对加速度以及获取的待测圆形液体储罐的内罐和罐内液体的地震响应加速度，判断待测圆形液体储罐的内罐和罐内液体组成的结构体系的内罐倾覆状态。
[0120]
实施例3
[0121]
本实施例提供一种与本实施例1所提供的圆形液体储罐内罐的倾覆稳定性分析方法对应的处理设备，处理设备可以是用于客户端的处理设备，例如手机、笔记本电脑、平板电脑、台式机电脑等，以执行实施例1的方法。
[0122]
所述处理设备包括处理器、存储器、通信接口和总线，处理器、存储器和通信接口通过总线连接，以完成相互间的通信。存储器中存储有可在处理设备上运行的计算机程序，处理设备运行计算机程序时执行本实施例1所提供的圆形液体储罐内罐的倾覆稳定性分析方法。
[0123]
在一些实现中，存储器可以是高速随机存取存储器(ram：random access memory)，也可能还包括非不稳定的存储器(non-volatile memory)，例如至少一个磁盘存储器。
[0124]
在另一些实现中，处理器可以为中央处理器(cpu)、数字信号处理器(dsp)等各种类型通用处理器，在此不做限定。
[0125]
实施例4
[0126]
本实施例提供一种与本实施例1所提供的圆形液体储罐内罐的倾覆稳定性分析方法对应的计算机程序产品，计算机程序产品可以包括计算机可读存储介质，其上载有用于执行本实施例1所述的圆形液体储罐内罐的倾覆稳定性分析方法的计算机可读程序指令。
[0127]
计算机可读存储介质可以是保持和存储由指令执行设备使用的指令的有形设备。计算机可读存储介质例如可以是但不限于电存储设备、磁存储设备、光存储设备、电磁存储设备、半导体存储设备或者上述的任意组合。
[0128]
上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。