基于Workbench的大型浮顶储油罐的模态分析_张津铭.pdf

14基于 Workbench 的大型浮顶储油罐的模态分析（沈阳化工大学机械与动力工程学院，辽宁 沈阳 110142）张津铭，党鹏飞 摘 要 当今我国对能源的需求不断提升，石油作为用途最为广泛的不可再生能源，为我国的能源产业奠定了基础。为了节省储存空间和成本，通常会将石油产品储存在大型储油罐中，由于各种石油类产品的易燃易爆性和有毒性，大型储油罐具有很大的安全隐患。我们所研究的储油罐属于一个流固耦合系统，目前对流固耦合系统进行模态分析主要使用声固耦合法和虚拟质量法，为了提高大型储油罐的安全性，文章利用 Workbench 中的模态声学模块对某大型浮顶储油罐在不同充液率的情况下进行了基于声固耦合法的湿模态分析，将大型储油罐内部储存的油体视为可压缩的声学介质，模拟储油罐内部在储存油体时的真实状态。最后求解出了几种不同充液状态下储油罐的固有频率和振型并给出了不同充液率情况下罐内液体晃动频率，对数据加以分析，结果表明：液体也是大型储油罐要考虑的约束条件之一，并且大型浮顶储油罐的自振特性以及罐内液体晃动频率对内部充液率的变化敏感。关键词 浮顶储油罐；模态分析；Workbench；湿模态；声固耦合 中图分类号 H113.1 文献标识码 A 文章编号 1006-7523（2023）02-0014-05DOI:10.16640/ki.37-1222/t.2023.02.002 收稿日期 2022-08-24 基金项目 国家自然科学基金（12002219）作者简介 张津铭（1999），男，沈阳化工大学机械与动力工程学院，硕士研究生。通讯作者：党鹏飞（1986），男，博士，沈阳化工大学机械与动力工程学院，副教授。引 言 由于汽油、煤油等石油类产品的易挥发性，因此工业上经常使用浮顶储油罐进行储存，防止了油品挥发造成的不可再生能源的浪费。对浮顶储油罐进行合理的大型化可以便于管理，节省成本，增加储存量，因此，浮顶储油罐日渐趋向大型化1。由于其所储存石油类产品也具有易燃易爆的特性，故大型浮顶储油罐也存在安全隐患，由于大型储油罐在发生共振现象时，极有可能会出现罐体的损坏，并且有可能会造成汽油或煤油等易挥发性油品的泄露，结合汽油煤油等易燃易爆的性质，一旦发生类似事故，极有可能造成巨大的人力物力损失和社会不良影响。通过模态分析可以得到储油罐的固有频率和振型，并且可以得到罐内液体的晃动频率，我们在对大型储油罐进行动态负载设计时，这些参数是重要依据。因此，对大型浮顶储油罐进行模态分析有十分重要的工程应用价值。对于大型储罐模态分析方面的研究，三峡大学的张明松，李鹏等2利用 Workbench 软件对船用 LNG 储罐的各阶固有频率和振型进行了分析，得到了液体会提高船用 LNG 储罐固有频率的结论；浙江大学化工机械研究所的宫建国，曾胜等3利用 ADINA 软件，对某 10万立方米的大型石油储罐进行了模态分析，得到了地基平面的升降对大型储油罐液晃频率以及罐体固有频率会产生影响基于 Workbench 的大型浮顶储油罐的模态分析15山东工业技术 2023 年 第 2 期(总第 310 期）的结论；中国石油大学的管友海，贾娟娟等4利用ADIAN 中的 Lanczos 特征值算法对一 LNG 储罐进行了模态分析，并且与液固耦合理论相结合得到了LNG 储罐外罐自振频率与泄露液体的深度之间的关系，优化了LNG 储罐的设计；辽宁石油化工大学的毕先志，张巨伟等5利用 ANSYS 大型有限元软件对某大型浮顶储油罐进行了模态分析，得出了罐体上沿在振动时最易发生损坏的结论；陈贵清，杨雪梅6对某大型储液罐进行了流固耦合振动分析，并对储罐的“象足凸鼓”进行了分析和解释。薛杰7利用声固耦合法对充液容器进行了湿模态分析，得到了容器内流体与结构特性的关系。综上所述，本文利用 Workbench 软件对某大型浮顶储油罐进行了基于声固耦合法的湿模态分析。由于大型浮顶储油罐的充装量应符合国家现行标准对充装系数的要求，本文分析了目标储罐在充液 70%、充液 80%、充液 90%状态下的固有频率和振型，并给出不同充液率情况下的液体晃动频率，通过对几组结果的对比，从而分析得到内部充液情况对储罐振动特性的影响。一、基本理论本文所利用的声固耦合法属于有限元理论范畴，它是目前对充液容器这种流固耦合系统进行湿模态分析时主要用到的方法，声固耦合法是在拉格朗日坐标系下研究流体，固体以及他们之间相互作用的动力学行为的一种方法，声介单元一般采用压力自由度，固体结构采用位移自由度，因为采用声介这一特殊模型，一般情况下它用来模拟无粘性的可压缩流体，因此我们假定所测油体属于无粘性可压缩流体。1.系统的模型自振方程首先建立系统的自振运动方程，由于阻尼在对储罐进行湿模态分析的时候的影响可以忽略，故不考虑阻尼对系统的影响，所测储罐系统就可以被理想化为无阻尼系统。模态分析求解矩阵方程如下：（1）式中，K 是刚度矩阵；是第 i 阶模态的特征向量；是第i阶模态的固有频率；M是质量矩阵。由于是无阻尼系统，系统自振动方程可以简化成下面的式子：（2）对上式进行求解，求解得到的特征值是系统的固有频率，特征向量则为系统的特征向量。2.声固耦合方程有限元法的声固耦合的方程如下：（3）式中，结构上，sK是结构刚度，sM是结构质量，sC是结构阻尼矩阵，sF是结构激励；对于声场，aK是声场刚度，aM是声场质量，aC是声场阻尼矩阵，aF是声场激励；cK是耦合刚度矩阵，i称为节点位移，ip是节点声压。二、模型的建立与分析利用 Workbench 中的 Spaceclaim 建立所测储油罐的罐体模型，上部分为罐体，下部分为储罐底座，其中底座直径 88.6 m、厚度 1.3 m；罐壁厚度 400 mm、高度 38.02 m。所建立的有限元模型图如图 1 所示。图 1 储罐几何模型 罐体材料为Q235钢，罐体密度为 7800 kg/m3，弹性模量为 2.06 GPa，泊松比为 0.3；储罐所储存的油品密度为 760kg/m3，油品中的声音传播速度为1430 m/s，本文在模态声学模块的工程数据中对以上罐体材料以及油品材料进行选取和参数设置。本文利用声固耦合法对不同充液率的储油罐进行湿模态分析，此时储罐内部的油品被当作声学介质，并且本文设定阻尼对储罐系统的影响忽略不计，假定流体是无黏和可压缩的，并且进行声固耦合分析的声波振幅相对较窄，这样流体密度变化较16小。利用 Workbench中的模态声学模块对充液罐体进行模态分析，将储油罐内部油品视为可压缩的声学介质，内部油体对储油罐的主要影响表现为作用在储罐罐壁的声压动载荷。首先，我们假定要进行分析的流固耦合储油罐系统的充液率最高不超过 90%，最低不低于 70%的边界条件，利用 Design Modeler 中对罐体模型进行处理，将罐体内部的填充体设置为流体域；在 Modal Acoustics中设置流体区域为声学区域；将罐体结构设置为物理区域；选择储罐内测罐壁以及内测的底部储罐设置为流固耦合面；接下来将罐体底座最下方的面设置为固定支撑面；将重力加速度设置为 9.81 m/s2。最终基于式（3）给出的声固耦合方程求解出了充液 70%、80%、90%状态的前六阶固有频率如表1，其中，充液70%，80%，90%的前三阶储罐振型如图2至图10。图 2 充液 70%一阶振型 图 3 充液 70%二阶振型图 4 充液 70%三阶振型图 5 充液 80%一阶振型 图 6 充液 80%二阶振型图 7 充液 80%三阶振型图 8 充液 90%一阶振型基于 Workbench 的大型浮顶储油罐的模态分析17山东工业技术 2023 年 第 2 期(总第 310 期）图 9 充液 90%二阶振型图 10 充液 90%三阶振型首先，将上面各个不同充液状态下储油罐的各阶振型图进行比较，可以发现，在不是满载的状态下，储油罐的罐体由于内部储存油品的晃动，同一充液率的情况下各阶的储罐振型差别较大，并且在各阶振型图中，产生形变最大的部分一直都处在罐体上沿的位置。因此，对储油罐罐体上沿进行加固可以增加大型储油罐安全性，此外整个储油罐系统的振型会受到储油罐内部油品晃动的影响。表 1 为罐体不同充液状态下各阶固有频率。由表 1 可知：储油罐系统的固有频率会随着充液量的减少而增加，当储油罐内存在油品时，由于油品的作用会降低储油罐系统的固有频率。表 1 罐体不同充液状态下各阶固有频率阶次123456充液 70%/HZ 3.8009 3.8068 4.1024 4.1892 4.4859 4.5033充液 80%/HZ 3.5399 3.5538 3.8122 3.8662 4.1706 4.1763充液 90%/HZ 3.2478 3.2492 3.4044 3.4351 3.8523.8532 图 11 充液 80%第 1 阶液体晃动振型图 12 充液 80%第 2 阶液体晃动振型图 13 充液 80%第 3 阶液体晃动振型接下来分析了不同充液状况下储油罐中液体晃动的振型，因此要考虑到模态分析时液面的晃动因素，我们将储罐内部流体域液面部分设置为自由表面，同样设置充液率最高 90%最低 70%的边界条件，图 11 到 13 为储油罐充液 80%的情况下的前三阶液体晃动振型。本文对充液率 70%至 90%状况下的液面晃动振型进行了分析以及固有频率的计算，具体数据如表 2 所示。18表 2 罐体不同充液状态下的液体晃动各阶固有频率阶次123456充液 70%/HZ 0.0922 0.0935 0.1312 0.1335 0.1491 0.1567充液 80%/HZ 0.0953 0.0965 0.1324 0.1359 0.1498 0.1572充液 90%/HZ 0.0989 0.1256 0.1333 0.1432 0.1502 0.1574由表 2 可知：储罐内部液体的晃动频率会随着储油罐充液率的增加而增加，因此在工业中，必须要对储油罐内部的充液率进行合理的控制才能够避免储油罐罐体发生损坏以及油品的泄露。三、结语本文通过使用 Workbench 对某大型浮顶储油罐系统进行了基于声固耦合法的湿模态分析，得到了罐体在不同充液率状况下的振型以及固有频率，并且得到了各个充液率下的液体晃动的各阶振型以及固有频率，并对所有所得数据进行了详细分析，得出以下的结论：1.储油罐内部储存的液态油品会对储油罐的振型产生影响，并且内部液态油品越多，储油罐罐体系统的固有频率越低，并且在储油罐内存有液态油品的情况下，罐体上沿处产生的形变最大，因此可以对大型储油罐罐体上沿处进行合理加固以增加储罐的安全性。2.储油罐内部液体晃动频率会随着储油罐充液率的增加而增加，应将储油罐内部充液率控制在合理的范围内以保证安全。参考文献1 金志浩,王雷,徐晓光，等.可拆卸储罐罐体的有限元分析 J.沈阳化工大学学报,2019,33(02):155-158+182.2 张明松,李鹏,王勇.基于 ANSYS-Workbench15.0 软件的船用 LNG 储罐模态分析 J.机械工程师,2016,10(04):45-48.3 宫建国,曾胜,金涛,等.地基平面沉降下的大型石油储罐模态分析 J.第七届中国 CAE 工程分析技术年会论文集,2011:152-157.4 管友海,贾娟娟,林楠,等.大型 LNG 储罐液固耦合模态分析 J.当代化工,2015,44(1):148-154.5 毕先志,张巨伟,崔晓韵,等.浮顶储油罐的模态分析 J.当代化工,2011,40(9):972-9746 陈贵清,杨雪梅.基超大型储液罐流固耦合振动分析 J.唐山学院学报,2011,24(3):5-8.7 薛杰,何尚龙,杜大华,等.充液容器流固耦合模态仿真分析研究 J.火箭推进,2015,41(01):90-97.Modal Analysis of Large Floating Roof Tank Based on WorkbenchZHANG Jin-ming,DANG Peng-fei(School of Mechanical and Power Engineering,Shenyang University of Chemical Technology,Shenyang 110142,China)Abstract:Nowadays,Chinas demand for energy is constantly increasing.As the most widely used non-renewable energy,petroleum has laid a foundation for Chinas energy industry.In order to save storage space and cost,petroleum products are usually stored in large storage tanks.Because of the inflammable and explosive properties and toxicity of various petroleum products,large storage tanks have great potential safety hazards.We studied the oil tank belongs to a fluid-structure interaction system,the convection fluid-solid coupling system for modal analysis is mainly using solid coupling method and the virtual mass method,we studied the oil tank belongs to a fluid-structure interaction system,the convection fluid-solid coupling system for modal analysis is mainly to use solid coupling method and virtual quality standard,In order to improve the safety of a large floating roof tank,a wet modal analysis based on the sound-solid coupling method is carried out by Modal acoustics module in Workbench under different filling rates of a large floating roof tank.The oil body stored in a large oil storage tank is regarded as a compressible acoustic medium to simulate the real state of the oil body stored in the tank.Finally got several different liquid storage tanks under the natural frequency and vibration mode and presents the different charging rates tank of liquid sloshing frequency,analyzing data,the results showed that the liquid is one of the large storage tanks to consider the constraint conditions,and the natural vibration characteristics of large floating roof oil tank and tank of liquid sloshing frequency is sensitive to changes in the rate of internal liquid.Key Words:floating roof storage tank,modal analysis,workbench,wet mode,sound solid coupling基于 Workbench 的大型浮顶储油罐的模态分析