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浮頂油罐是目前國(guó)內(nèi)外大型和中型油罐中最常用的一種形式。在這類(lèi)油罐中，浮頂結(jié)構(gòu)分為單盤(pán)式和雙盤(pán)式兩種，其中單盤(pán)式浮頂結(jié)構(gòu)廣泛用于大型油罐中。實(shí)際運(yùn)營(yíng)中的浮頂結(jié)構(gòu)，單盤(pán)上經(jīng)常會(huì)沉積雨水而使得浮頂結(jié)構(gòu)發(fā)生較大變形。在浮頂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的有關(guān)規(guī)范中，要求浮頂結(jié)構(gòu)在一定的降雨量情況下不能出現(xiàn)強(qiáng)度問(wèn)題、穩(wěn)定問(wèn)題以及沉船事故等。因此對(duì)浮頂結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力強(qiáng)度分析以及變形分析具有重要的意義。
由于實(shí)際運(yùn)營(yíng)中的浮頂結(jié)構(gòu)受力狀況較為復(fù)雜，且其受力與變形相互耦合相互影響，因此國(guó)內(nèi)外很多研究者提出了多種分析求解方案。英國(guó)的Mitchell在1973年首次對(duì)單盤(pán)式浮頂?shù)膹?qiáng)度和穩(wěn)定問(wèn)題進(jìn)行了系統(tǒng)分析，其中把單盤(pán)簡(jiǎn)化成薄膜來(lái)考慮，后來(lái)以Epstein為代表的一些美國(guó)研究者進(jìn)一步分析了單盤(pán)式浮頂中的應(yīng)力問(wèn)題，日本的梅木哲二等在1985年對(duì)Epstein的計(jì)算方法進(jìn)行了改進(jìn)，分析了單盤(pán)式浮頂在雨水載荷作用下變形和強(qiáng)度問(wèn)題，此外，吉田圣一還利用軸對(duì)稱(chēng)有限元分析方法對(duì)浮頂結(jié)構(gòu)單盤(pán)的應(yīng)力和強(qiáng)度進(jìn)行了數(shù)值分析。國(guó)內(nèi)對(duì)浮頂結(jié)構(gòu)的力學(xué)分析首先由中科院力學(xué)所完成，中科院力學(xué)所在20世紀(jì)60年代曾對(duì)單盤(pán)式浮頂結(jié)構(gòu)進(jìn)行過(guò)經(jīng)典力學(xué)分析，并給出了單盤(pán)撓度的近似計(jì)算公式。清華大學(xué)的袁駟等在1998年根據(jù)薄板大撓度彎曲理論提出了ODE(常微分方程)求解器方法分析浮頂結(jié)構(gòu)單盤(pán)的變形問(wèn)題，其中的單盤(pán)包括了帶有中心浮艙和不帶中心浮艙的兩種形式。
以上研究基本以解析方法和近似計(jì)算方法為主，這些方法都是基于軸對(duì)稱(chēng)模型建立求解方案，無(wú)法用于復(fù)雜形式的浮頂結(jié)構(gòu)的分析(如帶有立筋、連續(xù)梁等結(jié)構(gòu)的浮頂)。由于有限元方法(FEM)目前廣泛用于求解多種工程問(wèn)題，因此有必要進(jìn)一步發(fā)展浮頂結(jié)構(gòu)的有限元計(jì)算分析模型，尤其是用于一些大型復(fù)雜的浮頂結(jié)構(gòu)分析模型和有關(guān)計(jì)算方法。
本研究通過(guò)對(duì)單盤(pán)式浮頂結(jié)構(gòu)的力學(xué)分析，建立了浮頂結(jié)構(gòu)受力與變形之間的關(guān)系，即給出了載荷與撓度的關(guān)系式，并在此基礎(chǔ)上提出了浮頂結(jié)構(gòu)有限元分析的載荷修正法。這一方法的基本思想是：首先利用有限元方法對(duì)浮頂結(jié)構(gòu)進(jìn)行幾何大變形非線性分析，然后根據(jù)計(jì)算結(jié)果通過(guò)迭代修正計(jì)算來(lái)調(diào)整載荷大小，使得計(jì)算得到的載荷與撓度滿(mǎn)足給定關(guān)系式，從而最終獲得浮頂結(jié)構(gòu)的變形與受力情況。最后，通過(guò)具體算例分析，本研究方法的計(jì)算結(jié)果與傳統(tǒng)近似方法的計(jì)算結(jié)果以及試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，驗(yàn)證了本方法的有效性和可靠性。
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