钢制储罐安全防护研究(2)
其中,C、P为应变效应。
相关参数见表1所列。
表1 *MAT-PLASTICITY-POLYMER的主要参数参数ρ/(kg·m-3)E/MPaνC/s-1P数值..63.08
表1中:ρ为密度;E为弹性模量;ν为泊松比。
1.1.2 钢材
钢材采用*MAT-JOHNSON-COOK进行模拟,其本构关系为:
其中:分别为流动应力和等效塑性应变;为参考应变率,取为相对温度;A、B、n、c、m为本构模型参数,具体取值见表2所列。该材料模型能有效模拟钢材在大变形情况下的应力应变关系,且能够合理体现钢材的应变率效应。
表2 *MAT-JOHNSON-COOK的主要参数参数A/MPaB/MPancm数值.141 30.049 381.03
1.2 有限元模型
以某1×104m3钢制拱顶储油罐为原型,建立简化的几何模型。罐体直径为31 m,罐壁高度为14 m,在安装过程中分为7层。拱顶为球缺形,半径为30 m。从罐底到拱顶各层的高度和厚度见表3所列。
表3 钢制储罐各层层高和厚度层数拱顶层高/m壁厚/mm
本文采用有限元软件ANSYS-LS DYNA进行有限元分析,该软件适用于结构大变形非线性动力分析,在结构爆炸响应模拟研究中有着广泛的应用[15]。网格划分所用的单元为壳单元,单元尺寸约为0.1 m×0.1 m。划分后的网格模型如图2所示。
图2 钢制储罐有限元模型
罐底约束条件为固定约束。通过LS-DYNA内置的*LOAD-BLAST-ENHANCED关键字对罐体表面施加爆炸荷载,该命令首先根据经验公式计算出相应当量炸药爆炸产生的超压,然后在结构物表面施加符合超压空间和时间分布的压力荷载,以近似起到对结构施加爆炸荷载的作用。数值模拟时,炸药质量设为200 kg,炸药中心距离罐壁3 m。
在模拟过程中,罐体内部喷涂的聚脲层使用壳单元进行模拟,并通过LS-DYNA软件中*CONTACT-AUTOMATIC-SURFACE-TO-SURFACE-TIEBREAK关键字控制聚脲层与罐体的接触。在该接触算法中,当接触面的正应力和剪应力满足(1)式的条件时,聚脲层和罐体发生剥离,即
其中:σn、σs分别为接触面的正应力和剪应力;NFLS、SFLS分别为接触面所能承受的最大正应力和最大剪应力。在数值计算过程中,NFLS和SFLS分别设为50、60 MPa。
2 数值模拟结果与分析
无聚脲涂覆的钢制储罐在爆炸冲击作用下的最大位移时刻的位移云图如图3所示,从图3可以看出,在爆炸冲击作用位置罐体产生了内凹塌陷和屈曲变形,罐体表面最大位移约为2 m。
内部喷涂10 mm聚脲层的罐体最大位移时刻对应的位移云图如图4所示。从图4可以看出,罐体变形模式与无涂覆罐体相似,且最大位移为1.695 m,与无聚脲涂覆罐体相比有所降低。
为了进一步研究聚脲涂层厚度与罐体变形的关系,分别进行了涂层厚度为10、20、30 mm的罐体爆炸冲击数值模拟。从数值模拟结果中提取了各罐体最大位移时程,如图5所示。
图3 无聚脲钢罐最大位移时刻的罐体位移云图
图4 内部喷涂10 mm聚脲钢罐最大位移时刻的罐体位移云图
图5 罐体最大位移时程
对比图5中曲线可知,在钢制储罐内部喷涂聚脲涂层能有效降低罐体在爆炸荷载作用下的最大位移,且降低效果随着涂层厚度增加而更加明显。同时,聚脲涂层也起到了明显减少残余位移的作用。
各罐体最大位移和残余位移对比见表4所列。
表4中,最大位移降低百分比为聚脲涂覆罐体位移相对无涂覆罐体位移值的相对降低百分比。分析表4结果可知:聚脲涂层明显起到了降低罐体位移的效果;涂层厚度的增加能有效地降低罐体最大位移和残余位移,且在最大位移和残余位移上的降低百分比基本一致;将涂层厚度从10 mm增加到20 mm时,所增加的10 mm涂层使得罐体位移降低了8.6%,而将涂层厚度从20 mm增加到30 mm时,罐体位移仅降低了5.1%。上述现象说明,随着涂层厚度的提高,继续增加聚脲涂层厚度所起到的降低位移的效果逐渐降低。
表4 罐体有无涂覆的位移对比项目无喷涂喷涂厚度/mm最大位移/最大位移降低百分比/%残余位移/残余位移降低百分比/%
3 机理分析
钢制储罐的罐壁是典型的圆柱壳型结构,国内外学者对圆柱壳型结构在侧向爆炸荷载作用下的变形情况进行了较为详细的研究。根据文献[16]的研究结果,圆柱壳型结构在侧向爆炸荷载作用下,最大位移与壳体的面密度近似成反比关系。在储罐未涂覆聚脲时,平均面密度为135.94 kg/m3,涂覆30 mm聚脲层后,罐体平均面密度增加至157.34 kg/m3,罐体面密度的倒数值降低了19.1%,而罐体最大位移降低了30%,可见聚脲涂层对罐体面密度的提高效果是罐体最大位移降低的主要因素之一。
文章来源:《爆炸与冲击》 网址: http://www.bzycjzz.cn/qikandaodu/2021/0610/1185.html