貯液結構地震反應數(shù)值分析及應用方法研究.pdf

1、貯液結構是一種極為重要的結構，與人民群眾日常生產和生活息息相關。隨著貯液不同，貯液結構廣泛應用于生命線工程和能源與化工領域，如水塔、水箱、儲油罐、儲酸罐、消化池、降溫池、冷凝器等，其結構形式也多種多樣，包括半地下式、立式、臥式、支承式等。
　　 由于存在液固耦合作用，這種結構動力反應極為復雜，尤其是強地震動作用下，引起的震害現(xiàn)象千差萬別。歷次震害表明，高烈度區(qū)大量貯液結構受到破壞，如浮放支座移位、支承結構移位、基底開裂、結構壁斷

2、裂等等，這些地震災害直接導致貯液結構損壞，其原有功能喪失，生產和生活被迫中斷，造成極大的經濟損失。
　　 此外，貯液結構內部的貯液有時也是極大危險源，貯液結構受到破壞后，容易引起貯液泄露，進而引發(fā)火災、爆炸、環(huán)境污染等次生災害。2011年3月11日日本東海岸發(fā)生9.0級地震，地震和隨后的海嘯造成福島核電站中的貯液結構系統(tǒng)受損，致使降溫系統(tǒng)失去功能，引發(fā)了重大核泄漏事故。
　　 從上世紀三十年代開始，大批學者針對貯液結構地

3、震反應進行了相關研究，其中包括建立理論分析模型、液固耦合作用效應、簡化方法工程應用、地震反應規(guī)律分析、抗震設計方法和數(shù)值分析技術等等。但是從工程應用角度，貯液結構地震反應仍然有很多課題需要去研究，包括有限元建模方法、非線性算法、地震反應規(guī)律分析、工程抗震分析應用方法、優(yōu)化設計等等。
　　 本文基于此背景，針對貯液結構地震反應及相關數(shù)值分析方法進行了研究，主要工作和取得的成果如下：
　　 1.總結了貯液結構解析解難點是求解

4、給定邊界條件和初始條件下的Laplace方程，彈性壁解析解和Housner簡化計算均是建立在脈沖壓力和對流壓力理論假設基礎上的；Haroun-Housner模型和有限元數(shù)值模型分別是建立在Housner剛性壁理論和速度勢理論基礎上的，本文對四種方法進行了對比，說明了有限元數(shù)值模型的可靠性。
　　 2.基于數(shù)值迭代理論，進行了貯液結構非線性數(shù)值迭代計算方法的研究。利用經典的N-R數(shù)值迭代理論，提出改進N-R算法，考慮切線剛度和法線

5、剛度共同協(xié)作的方式，增加單步迭代步長，提高非線性數(shù)值迭代求解效率：基于改進N-R算法，提出超N-R算法，建立數(shù)值迭代和材料本構之間的關聯(lián)性，進一步提高非線性數(shù)值迭代求解效率，并通過大量試算給出對于鋼材，比例系數(shù)η較為穩(wěn)定的取值范圍在1.46左右；并針對貯液結構非線性數(shù)值分析方法，提出采用外掛開發(fā)模式和生死單元技術相結合的方法進行數(shù)值模擬，通過舉例，驗證該方法的可行性和有效性。這兩種算法極大地提高了貯液結構非線性數(shù)值反應分析的計算效率。<

6、br>　　 3.基于APDL語言，進行了有限元建模數(shù)值二次開發(fā)研究。提出外掛模式的有限元二次開發(fā)方法，成功實現(xiàn)了在ANSYS平臺上進行用戶自定義子程序編制和調用；基于該方法，有效地簡化了利用ANSYS進行復雜貯液結構地震反應建模、計算、數(shù)據(jù)處理等工作，便于工程技術人員應用。本文的有限元二次開發(fā)工作包括：提出針對大型復雜的有限元模型，進行三維梯度網格優(yōu)化劃分方法，以提高網格劃分質量：提出編制針對有限元結構信息存儲、讀取、批處理等程序，利

7、用波前法技術，實現(xiàn)通過剛度矩陣修改等多種方法進行數(shù)據(jù)存儲量和計算量的壓縮，以提高有限元分析的高效性和實用性。
　　 4.基于模態(tài)影響線控制網格劃分技術、ATOS轉換程序的開發(fā)、圣維南原理子模型技術等多方面說明了貯液結構有限元分析模型的有效性；基于此，對貯液結構基本地震反應規(guī)律進行了研究，獲取了貯液結構液固耦合體系特性，以及地震動輸入、壁厚、貯液量、徑高比等因素對貯液結構地震反應的影響；并研究了貯液結構彈性變形對液動壓力、結構有效

8、應力、基底彎矩、基底剪力等的影響，為貯液結構抗震分析和設計提供了理論依據(jù)。
　　 5.基于有限元數(shù)值分析和插值理論，對常規(guī)立式貯液結構“象足”效應問題進行了研究，通過編制了樣條插值分析和擬合程序，提出對“象足”效應易發(fā)位置進行快速確定的函數(shù)形式，并通過大量計算，給出了擬合函數(shù)中各系數(shù)取值參照表。利用該方法，實現(xiàn)了快速確定“象足”效應位置，據(jù)此，可以一定程度上針對“象足”效應進行高效的抗震設計應用。
　　 6.基于ESO形

9、狀拓撲理論，進行了貯液結構輪廓形狀優(yōu)化設計方法的研究，介紹了基于Mises應力、剛度約束、頻率控制的ESO優(yōu)化算法；提出將單元非連續(xù)性分類方式引入到ESO理論中，可以有效地解決在貯液結構輪廓拓撲計算過程中，為提高效率而增加刪除率BDR,時引起的結構剛度矩陣奇異、拓撲過程不連續(xù)問題，提高了貯液結構拓撲分析的穩(wěn)定性。
　　 7.基于智能優(yōu)化算法，進行了貯液結構參數(shù)優(yōu)化設計方法的研究，對窮舉法、ACO算法、PSO算法和DE算法進行了介

10、紹和分析；提出將ACO方法和子結構方法進行互相嵌入使用，通過該方法可以有效減小貯液結構參數(shù)優(yōu)化計算的計算量；提出了PSO-DE聯(lián)合優(yōu)化方法對，利用飛行、變異、交叉理論，擴大了全局搜索范圍，避免了優(yōu)化計算過早陷入局優(yōu)，提高了優(yōu)化算法效率，并加速了迭代收斂的速度。
　　 本文的研究工作為貯液結構地震反應研究提供了有效的數(shù)值分析方法，為貯液結構地震反應研究結果在工程中的應用提供了極大地便利性，為貯液結構工程抗震設計提供了重要的應用方法