超大型儲罐罐體及大角焊縫應(yīng)力分析軟件開發(fā)

白海永　方永利　黃志新

摘 要：容量較大的儲罐一般為立式圓筒形儲罐，當(dāng)其容積超過10萬立方米時，習(xí)慣上稱為超大型儲罐。超大型儲罐罐體應(yīng)力水平及大角焊縫的應(yīng)力水平是影響超大型儲罐安全的重要因素之一。文章采用ANSYS APDL語言，以超大型儲罐罐體及大角焊縫為對象，實現(xiàn)了參數(shù)化建模、施加參數(shù)化載荷與求解以及參數(shù)化后處理結(jié)果的顯示，從而實現(xiàn)參數(shù)化有限元分析的全過程。然后采用Mirosoft Excel界面輸入數(shù)據(jù)，并利用Mirosoft Excel VBA語言將APDL所需要的參數(shù)信息輸出，進行了超大型儲罐罐體及大角焊縫應(yīng)力分析軟件的二次開發(fā)，從而大大簡化有限元分析處理的過程。在軟件中只要輸入相應(yīng)的幾何設(shè)計參數(shù)、材料參數(shù)、載荷參數(shù)等輸入?yún)?shù)，就可以方便地進行罐體及大角焊縫的應(yīng)力分析。軟件可以對15萬至20萬立方米的超大型儲罐罐體及大角焊縫進行參數(shù)化分析，可以計算 GB50341-2003《立式圓筒形鋼制焊接油罐設(shè)計規(guī)范》中所規(guī)定的罐體自重、液體靜壓力、風(fēng)載荷以及地震載荷等載荷作用下的應(yīng)力和變形分布情況。

關(guān)鍵詞：大型儲罐；大角焊縫；罐體；應(yīng)力分析；軟件開發(fā)

大型石油儲備設(shè)施成為有效快速降低石油儲備成本的主要發(fā)展趨勢。隨著我國石油工業(yè)的發(fā)展以及國家原油戰(zhàn)略儲備庫項目的實施，儲罐的大型化將成為發(fā)展的必然趨勢[1-2]。而容量較大的儲罐一般為立式圓筒形儲罐，當(dāng)其容積超過10萬立方米時，習(xí)慣上稱為超大型儲罐。近年來，隨著國民經(jīng)濟的飛速發(fā)展和國家原油戰(zhàn)略儲備庫項目的實施，大型儲罐的數(shù)量逐年迅速增加，因此，盡快提高超大型儲罐的設(shè)計和建造水平就成為當(dāng)前最重要的。國內(nèi)外對于超大型儲罐研究較多，主要表現(xiàn)在常規(guī)大型儲罐設(shè)計和有限元仿真計算。常用的設(shè)計方法可分為常規(guī)設(shè)計方法和分析設(shè)計方法。“分析設(shè)計方法”是根據(jù)壓力容器結(jié)構(gòu)的不同失效形式進行應(yīng)力分類，將分類后的應(yīng)力按相應(yīng)的應(yīng)力強度準(zhǔn)則加以限制，以設(shè)計出安全可靠、經(jīng)濟的壓力容器[3-4]。

應(yīng)力分析表明，超大型儲罐的大角焊縫區(qū)域是儲罐最危險的區(qū)域之一，國內(nèi)外的大型儲罐由于大角焊縫處發(fā)生脆裂的事故偶有發(fā)生。究其原因，主要是由于大角焊縫處應(yīng)力值高，且材料為低合金高強度鋼板，內(nèi)部缺陷易于擴展，造成脆性斷裂破壞或低周疲勞破壞。因此，詳細了解大角焊縫處的應(yīng)力分布，如何有效降低大角焊縫處的應(yīng)力水平就變得十分重要[5]。但是由于目前超大型儲罐的分析設(shè)計方法所采用的有限元軟件是通用軟件，不具備針對超大型儲罐的專業(yè)性分析功能，復(fù)雜的英文界面和繁瑣的分析步驟又給從事分析設(shè)計的技術(shù)人員造成了很大的障礙。另外，雖然有限元軟件具有較強大的前、后處理功能，但使用者必須具有一定的力學(xué)基礎(chǔ)和豐富的分析經(jīng)驗，在幾何建模和力學(xué)簡化等方面需要花費很多時間和精力。為此本文進行了基于有限元軟件的集成開發(fā)，使開發(fā)出的超大型儲罐罐體及大角焊縫應(yīng)力分析軟件充分體現(xiàn)專業(yè)化、用戶化、便捷化的特點，大大縮短了超大型儲罐罐體及大角焊縫進行分析設(shè)計的時間。

1 軟件開發(fā)方法

本文采用了ANSYS APDL語言，以超大型儲罐罐體及大角焊縫為對象，實現(xiàn)了參數(shù)化建模、施加參數(shù)化載荷與求解以及參數(shù)化后處理結(jié)果的顯示，從而實現(xiàn)參數(shù)化有限元分析的全過程。ANSYS APDL即ANSYS參數(shù)化設(shè)計語言（ANSYS Parametric Design Language），它是一種解釋性語言，可以利用參數(shù)創(chuàng)建模型，并自動實現(xiàn)分析任務(wù)。APDL允許復(fù)雜的數(shù)據(jù)輸入，使用戶對任何設(shè)計或分析屬性有控制權(quán)（例如：幾何尺寸、材料、邊界條件和網(wǎng)格密度等），擴展了傳統(tǒng)有限元分析范圍以外的能力，并擴充了更高級運算（包括參數(shù)化建模、設(shè)計優(yōu)化等），為用戶控制任何復(fù)雜計算的過程提供了極大的方便。利用APDL的程序語言與宏技術(shù)組織管理ANSYS的有限元分析命令，就可以實現(xiàn)參數(shù)化建模、參數(shù)化的網(wǎng)格劃分與控制、參數(shù)化的材料定義、參數(shù)化載荷和邊界條件定義、參數(shù)化的分析控制和求解以及參數(shù)化后處理結(jié)果的顯示，從而實現(xiàn)參數(shù)化有限元分析的全過程。在參數(shù)化的分析過程中可以修改其中的參數(shù)達到反復(fù)分析各種尺寸、不同載荷大小的多種設(shè)計方案，極大地提高了分析效率，減少了分析成本。

然后采用Mirosoft Excel界面輸入數(shù)據(jù)，并利用Mirosoft Excel VBA語言將APDL所需要的參數(shù)信息輸出，進行了超大型儲罐罐體及大角焊縫應(yīng)力分析軟件的開發(fā)。Visual Basic for Applications（簡稱VBA）是新一代標(biāo)準(zhǔn)宏語言，是基于Visual Basic for Windows 發(fā)展而來的，主要能用來擴展Windows的應(yīng)用程式功能，特別是Microsoft Office軟件。VBA 提供了面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計方法，提供了相當(dāng)完整的程序設(shè)計語言。

2 軟件開發(fā)的理論基礎(chǔ)

所開發(fā)的分析軟件對超大型儲罐的強度及穩(wěn)定性進行分析，分析主要涉及以下內(nèi)容：（1）建立軸對稱模型，進行大角焊縫應(yīng)力分析。（2）建立罐體整體模型，進行罐體強度及穩(wěn)定性分析。

分析計算中，符合JB4732-2005《鋼制壓力容器-分析設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》和GB50341-2003《立式圓筒形鋼制焊接油罐設(shè)計規(guī)范》等國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的規(guī)定[6-7]。

2.1 基于軸對稱模型的大角焊縫應(yīng)力分析

大角焊縫強度分析中，罐壁、抗風(fēng)圈、加強圈、罐底、地基均采用PLANE183單元劃分。接觸面采用TARGE169單元和CONTA172單元劃分。

為節(jié)省計算時間及計算成本，根據(jù)罐體結(jié)構(gòu)及載荷的特點，對罐體結(jié)構(gòu)進行了簡化。大角焊縫應(yīng)力分析中設(shè)備結(jié)構(gòu)采用軸對稱形式；載荷有重力、液壓，均為軸對稱形式。因此強度分析各工況采用軸對稱平面模型。夯土層與混凝土環(huán)梁彈性模量較小，而且厚度較大，忽略土壤層對儲罐的變形量及應(yīng)力水平影響較小。故模型中將土壤層忽略，夯土層與混凝土環(huán)梁全部建出。同時夯土層與混凝土環(huán)梁處于受壓狀態(tài)，兩者緊密連接，不會分離，因此模型中將兩者視為一體。模型如圖1所示。

在大角焊縫強度分析中，地震載荷和風(fēng)載荷不是軸對稱的，因此無法施加，只可考慮罐內(nèi)壁和底板的液壓載荷和罐體自重載荷。對于工作條件下的強度分析，液壓采用儲液壓力；而對于水壓試驗條件下的強度分析，液壓采用水壓試驗壓力。液壓分布如圖2所示。

強度分析中，假定夯土下表面位移為零。設(shè)備放置于地面，與地面之間無任何固定措施。兩者之間的摩擦力不會使兩者產(chǎn)生相對運動。因此在有限元建模過程中在地基底端添加全約束，并在罐底與地基之間添加接觸。另外在大角焊縫處，罐壁通過焊縫與罐底連接，焊縫未完全焊透。因此有限元建模過程中認為罐壁與罐底連接處（兩焊縫中間部位）添加接觸。

軸對稱模型強度分析中約束條件如圖3所示。

2.2 整體模型的罐體強度及穩(wěn)定性分析

對于罐體強度及穩(wěn)定性分析，罐壁、加強圈、抗風(fēng)圈均采用SHELL181單元劃分。有限元網(wǎng)格模型如圖4所示。

對于罐體強度及穩(wěn)定性分析，強度分析考慮風(fēng)載荷和地震載荷，同時為保證失穩(wěn)時波形的完整性，采用360°全模型。由于載荷只會引起罐壁失穩(wěn)，罐底對罐壁有加強作用，因此建模時忽略罐底以及地基，認為罐底處罐壁位移為零。因設(shè)備罐壁、罐底、抗風(fēng)圈、加強圈等結(jié)構(gòu)均具有薄殼幾何特征，因此采用殼單元建模。

對于罐體強度及穩(wěn)定性分析，并考慮到罐底對罐壁加強作用，因此在罐壁底端添加全約束。并忽略地基與罐底。

均布外壓載荷及約束形式如圖5所示。

罐體采用殼單元建立模型，因此無法進行應(yīng)力線性化，因此可采用殼單元的中面應(yīng)力數(shù)值代替薄膜應(yīng)力，采用殼單元的頂面或底面應(yīng)力數(shù)值代替薄膜加彎曲應(yīng)力。

2.3 強度校核方法

按照JB4732-2005《鋼制壓力容器-分析設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》（2005年確認）的規(guī)定，強度校核采用最大剪應(yīng)力理論，應(yīng)力強度規(guī)定為最大剪應(yīng)力的二倍，即

為提取各處薄膜應(yīng)力以及薄膜加彎曲應(yīng)力，需對計算結(jié)果進行應(yīng)力線性化處理，在結(jié)果提取處設(shè)置路徑，以便結(jié)果提取。由于大角焊縫處應(yīng)力最大，軟件自動在大角焊縫處設(shè)置4條路徑，如圖6所示。

程序會自動提取各處薄膜應(yīng)力以及薄膜加彎曲應(yīng)力，4條路徑結(jié)果自動保存于ANSYS工作路徑下，設(shè)計人員只需讀取數(shù)值進行校核即可。

3 軟件界面與軟件使用方法

超大型儲罐應(yīng)力分析軟件的主界面為Excel文件界面，如圖7所示，其中包括罐體分析、大角焊縫分析。

在軟件界面中輸入相應(yīng)的設(shè)計參數(shù)，綠色單元格為數(shù)據(jù)輸入位置。當(dāng)設(shè)計參數(shù)輸入完畢后，點擊“確定輸入完成”按鈕，軟件彈出輸出成果消息框，自動把設(shè)計參數(shù)寫入命令文件夾。然后將文件夾中所有txt文件復(fù)制到ANSYS工作目錄下，在ANSYS軟件中的選擇所生成的文本文件，即可完成大角焊縫分析和罐體分析。

4 結(jié)論

本文采用ANSYS APDL語言，并結(jié)合Mirosoft Excel VBA語言，進行了超大型儲罐罐體及大角焊縫應(yīng)力分析軟件的開發(fā)。所開發(fā)出的軟件具有專業(yè)化、便捷化的特點，簡化了分析流程，大大縮短了分析設(shè)計的周期時間。

（1）通過建立的軸對稱模型和罐體整體模型，只要輸入相應(yīng)的幾何設(shè)計參數(shù)、材料參數(shù)、載荷參數(shù)等輸入?yún)?shù)，可以對15萬至20萬立方米的超大型儲罐罐體及大角焊縫進行參數(shù)化分析。

（2）軟件內(nèi)置了GB50341-2003《立式圓筒形鋼制焊接油罐設(shè)計規(guī)范》中所規(guī)定的罐體自重、液體靜壓力、風(fēng)載荷以及地震載荷等載荷作用，通過有限元軟件計算后，程序可以自動提取關(guān)鍵位置的應(yīng)力，并基于JB4732-2005《鋼制壓力容器-分析設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》進行校核。

參考文獻

[1]潘家華.中國的能源問題和國家石油儲備[J].油氣儲運，2004，23（12）：1-3.

[2]惠虎，宋虎堂，吳云龍，李培寧.大型原油儲罐的有限元強度分析[J].油氣儲運，2004，23（12）：21-25.

[3]潘家華.超大型浮頂儲罐多體力學(xué)分析與結(jié)構(gòu)強度研究[D].大慶：東北石油大學(xué)，2010.

[4]湛盧炳.大型儲罐設(shè)計[M].上海科學(xué)技術(shù)出版社，1989.

[5]傅強，陳志平，鄭津洋.彈性基礎(chǔ)上大型石油儲罐的應(yīng)力分析[J].化工機械，2002，29（4）：210-213.

[6]GB50341-2003.立式圓筒形鋼制焊接油罐設(shè)計規(guī)范[S].2004.

[7]JB4732-2005.鋼制壓力容器-分析設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：全國壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會，2005.

作者簡介：白海永（1978-），男，工程師（容器所所長），從事壓力容器的設(shè)計開發(fā)工作。

在大角焊縫強度分析中，地震載荷和風(fēng)載荷不是軸對稱的，因此無法施加，只可考慮罐內(nèi)壁和底板的液壓載荷和罐體自重載荷。對于工作條件下的強度分析，液壓采用儲液壓力；而對于水壓試驗條件下的強度分析，液壓采用水壓試驗壓力。液壓分布如圖2所示。

強度分析中，假定夯土下表面位移為零。設(shè)備放置于地面，與地面之間無任何固定措施。兩者之間的摩擦力不會使兩者產(chǎn)生相對運動。因此在有限元建模過程中在地基底端添加全約束，并在罐底與地基之間添加接觸。另外在大角焊縫處，罐壁通過焊縫與罐底連接，焊縫未完全焊透。因此有限元建模過程中認為罐壁與罐底連接處（兩焊縫中間部位）添加接觸。

軸對稱模型強度分析中約束條件如圖3所示。

2.2 整體模型的罐體強度及穩(wěn)定性分析

對于罐體強度及穩(wěn)定性分析，罐壁、加強圈、抗風(fēng)圈均采用SHELL181單元劃分。有限元網(wǎng)格模型如圖4所示。

對于罐體強度及穩(wěn)定性分析，強度分析考慮風(fēng)載荷和地震載荷，同時為保證失穩(wěn)時波形的完整性，采用360°全模型。由于載荷只會引起罐壁失穩(wěn)，罐底對罐壁有加強作用，因此建模時忽略罐底以及地基，認為罐底處罐壁位移為零。因設(shè)備罐壁、罐底、抗風(fēng)圈、加強圈等結(jié)構(gòu)均具有薄殼幾何特征，因此采用殼單元建模。

對于罐體強度及穩(wěn)定性分析，并考慮到罐底對罐壁加強作用，因此在罐壁底端添加全約束。并忽略地基與罐底。

均布外壓載荷及約束形式如圖5所示。

罐體采用殼單元建立模型，因此無法進行應(yīng)力線性化，因此可采用殼單元的中面應(yīng)力數(shù)值代替薄膜應(yīng)力，采用殼單元的頂面或底面應(yīng)力數(shù)值代替薄膜加彎曲應(yīng)力。

2.3 強度校核方法

按照JB4732-2005《鋼制壓力容器-分析設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》（2005年確認）的規(guī)定，強度校核采用最大剪應(yīng)力理論，應(yīng)力強度規(guī)定為最大剪應(yīng)力的二倍，即

為提取各處薄膜應(yīng)力以及薄膜加彎曲應(yīng)力，需對計算結(jié)果進行應(yīng)力線性化處理，在結(jié)果提取處設(shè)置路徑，以便結(jié)果提取。由于大角焊縫處應(yīng)力最大，軟件自動在大角焊縫處設(shè)置4條路徑，如圖6所示。

程序會自動提取各處薄膜應(yīng)力以及薄膜加彎曲應(yīng)力，4條路徑結(jié)果自動保存于ANSYS工作路徑下，設(shè)計人員只需讀取數(shù)值進行校核即可。

3 軟件界面與軟件使用方法

超大型儲罐應(yīng)力分析軟件的主界面為Excel文件界面，如圖7所示，其中包括罐體分析、大角焊縫分析。

在軟件界面中輸入相應(yīng)的設(shè)計參數(shù)，綠色單元格為數(shù)據(jù)輸入位置。當(dāng)設(shè)計參數(shù)輸入完畢后，點擊“確定輸入完成”按鈕，軟件彈出輸出成果消息框，自動把設(shè)計參數(shù)寫入命令文件夾。然后將文件夾中所有txt文件復(fù)制到ANSYS工作目錄下，在ANSYS軟件中的選擇所生成的文本文件，即可完成大角焊縫分析和罐體分析。

4 結(jié)論

本文采用ANSYS APDL語言，并結(jié)合Mirosoft Excel VBA語言，進行了超大型儲罐罐體及大角焊縫應(yīng)力分析軟件的開發(fā)。所開發(fā)出的軟件具有專業(yè)化、便捷化的特點，簡化了分析流程，大大縮短了分析設(shè)計的周期時間。

（1）通過建立的軸對稱模型和罐體整體模型，只要輸入相應(yīng)的幾何設(shè)計參數(shù)、材料參數(shù)、載荷參數(shù)等輸入?yún)?shù)，可以對15萬至20萬立方米的超大型儲罐罐體及大角焊縫進行參數(shù)化分析。

（2）軟件內(nèi)置了GB50341-2003《立式圓筒形鋼制焊接油罐設(shè)計規(guī)范》中所規(guī)定的罐體自重、液體靜壓力、風(fēng)載荷以及地震載荷等載荷作用，通過有限元軟件計算后，程序可以自動提取關(guān)鍵位置的應(yīng)力，并基于JB4732-2005《鋼制壓力容器-分析設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》進行校核。

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作者簡介：白海永（1978-），男，工程師（容器所所長），從事壓力容器的設(shè)計開發(fā)工作。

在大角焊縫強度分析中，地震載荷和風(fēng)載荷不是軸對稱的，因此無法施加，只可考慮罐內(nèi)壁和底板的液壓載荷和罐體自重載荷。對于工作條件下的強度分析，液壓采用儲液壓力；而對于水壓試驗條件下的強度分析，液壓采用水壓試驗壓力。液壓分布如圖2所示。

強度分析中，假定夯土下表面位移為零。設(shè)備放置于地面，與地面之間無任何固定措施。兩者之間的摩擦力不會使兩者產(chǎn)生相對運動。因此在有限元建模過程中在地基底端添加全約束，并在罐底與地基之間添加接觸。另外在大角焊縫處，罐壁通過焊縫與罐底連接，焊縫未完全焊透。因此有限元建模過程中認為罐壁與罐底連接處（兩焊縫中間部位）添加接觸。

軸對稱模型強度分析中約束條件如圖3所示。

2.2 整體模型的罐體強度及穩(wěn)定性分析

對于罐體強度及穩(wěn)定性分析，罐壁、加強圈、抗風(fēng)圈均采用SHELL181單元劃分。有限元網(wǎng)格模型如圖4所示。

對于罐體強度及穩(wěn)定性分析，強度分析考慮風(fēng)載荷和地震載荷，同時為保證失穩(wěn)時波形的完整性，采用360°全模型。由于載荷只會引起罐壁失穩(wěn)，罐底對罐壁有加強作用，因此建模時忽略罐底以及地基，認為罐底處罐壁位移為零。因設(shè)備罐壁、罐底、抗風(fēng)圈、加強圈等結(jié)構(gòu)均具有薄殼幾何特征，因此采用殼單元建模。

對于罐體強度及穩(wěn)定性分析，并考慮到罐底對罐壁加強作用，因此在罐壁底端添加全約束。并忽略地基與罐底。

均布外壓載荷及約束形式如圖5所示。

罐體采用殼單元建立模型，因此無法進行應(yīng)力線性化，因此可采用殼單元的中面應(yīng)力數(shù)值代替薄膜應(yīng)力，采用殼單元的頂面或底面應(yīng)力數(shù)值代替薄膜加彎曲應(yīng)力。

2.3 強度校核方法

按照JB4732-2005《鋼制壓力容器-分析設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》（2005年確認）的規(guī)定，強度校核采用最大剪應(yīng)力理論，應(yīng)力強度規(guī)定為最大剪應(yīng)力的二倍，即

為提取各處薄膜應(yīng)力以及薄膜加彎曲應(yīng)力，需對計算結(jié)果進行應(yīng)力線性化處理，在結(jié)果提取處設(shè)置路徑，以便結(jié)果提取。由于大角焊縫處應(yīng)力最大，軟件自動在大角焊縫處設(shè)置4條路徑，如圖6所示。

程序會自動提取各處薄膜應(yīng)力以及薄膜加彎曲應(yīng)力，4條路徑結(jié)果自動保存于ANSYS工作路徑下，設(shè)計人員只需讀取數(shù)值進行校核即可。

3 軟件界面與軟件使用方法

超大型儲罐應(yīng)力分析軟件的主界面為Excel文件界面，如圖7所示，其中包括罐體分析、大角焊縫分析。

在軟件界面中輸入相應(yīng)的設(shè)計參數(shù)，綠色單元格為數(shù)據(jù)輸入位置。當(dāng)設(shè)計參數(shù)輸入完畢后，點擊“確定輸入完成”按鈕，軟件彈出輸出成果消息框，自動把設(shè)計參數(shù)寫入命令文件夾。然后將文件夾中所有txt文件復(fù)制到ANSYS工作目錄下，在ANSYS軟件中的選擇所生成的文本文件，即可完成大角焊縫分析和罐體分析。

4 結(jié)論

本文采用ANSYS APDL語言，并結(jié)合Mirosoft Excel VBA語言，進行了超大型儲罐罐體及大角焊縫應(yīng)力分析軟件的開發(fā)。所開發(fā)出的軟件具有專業(yè)化、便捷化的特點，簡化了分析流程，大大縮短了分析設(shè)計的周期時間。

（1）通過建立的軸對稱模型和罐體整體模型，只要輸入相應(yīng)的幾何設(shè)計參數(shù)、材料參數(shù)、載荷參數(shù)等輸入?yún)?shù)，可以對15萬至20萬立方米的超大型儲罐罐體及大角焊縫進行參數(shù)化分析。

（2）軟件內(nèi)置了GB50341-2003《立式圓筒形鋼制焊接油罐設(shè)計規(guī)范》中所規(guī)定的罐體自重、液體靜壓力、風(fēng)載荷以及地震載荷等載荷作用，通過有限元軟件計算后，程序可以自動提取關(guān)鍵位置的應(yīng)力，并基于JB4732-2005《鋼制壓力容器-分析設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》進行校核。

參考文獻

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作者簡介：白海永（1978-），男，工程師（容器所所長），從事壓力容器的設(shè)計開發(fā)工作。