貯液結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)數(shù)值分析及應(yīng)用方法研究.pdf

1、貯液結(jié)構(gòu)是一種極為重要的結(jié)構(gòu)，與人民群眾日常生產(chǎn)和生活息息相關(guān)。隨著貯液不同，貯液結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于生命線工程和能源與化工領(lǐng)域，如水塔、水箱、儲(chǔ)油罐、儲(chǔ)酸罐、消化池、降溫池、冷凝器等，其結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)動(dòng)力反應(yīng)極為復(fù)雜，尤其是強(qiáng)地震動(dòng)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(jié)構(gòu)受到破壞，如浮放支座移位、支承結(jié)構(gòu)移位、基底開裂、結(jié)構(gòu)壁斷

2、裂等等，這些地震災(zāi)害直接導(dǎo)致貯液結(jié)構(gòu)損壞，其原有功能喪失，生產(chǎn)和生活被迫中斷，造成極大的經(jīng)濟(jì)損失。
　　 此外，貯液結(jié)構(gòu)內(nèi)部的貯液有時(shí)也是極大危險(xiǎn)源，貯液結(jié)構(gòu)受到破壞后，容易引起貯液泄露，進(jìn)而引發(fā)火災(zāi)、爆炸、環(huán)境污染等次生災(zāi)害。2011年3月11日日本東海岸發(fā)生9.0級(jí)地震，地震和隨后的海嘯造成福島核電站中的貯液結(jié)構(gòu)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(jì)三十年代開始，大批學(xué)者針對(duì)貯液結(jié)構(gòu)地

3、震反應(yīng)進(jìn)行了相關(guān)研究，其中包括建立理論分析模型、液固耦合作用效應(yīng)、簡化方法工程應(yīng)用、地震反應(yīng)規(guī)律分析、抗震設(shè)計(jì)方法和數(shù)值分析技術(shù)等等。但是從工程應(yīng)用角度，貯液結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)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(yīng)規(guī)律分析、工程抗震分析應(yīng)用方法、優(yōu)化設(shè)計(jì)等等。
　　 本文基于此背景，針對(duì)貯液結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)及相關(guān)數(shù)值分析方法進(jìn)行了研究，主要工作和取得的成果如下：
　　 1.總結(jié)了貯液結(jié)構(gòu)解析解難點(diǎn)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(jì)算均是建立在脈沖壓力和對(duì)流壓力理論假設(shè)基礎(chǔ)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(chǔ)上的，本文對(duì)四種方法進(jìn)行了對(duì)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(jìn)行了貯液結(jié)構(gòu)非線性數(shù)值迭代計(jì)算方法的研究。利用經(jīng)典的N-R數(shù)值迭代理論，提出改進(jìn)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(jìn)N-R算法，提出超N-R算法，建立數(shù)值迭代和材料本構(gòu)之間的關(guān)聯(lián)性，進(jìn)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(duì)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(duì)貯液結(jié)構(gòu)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(shù)相結(jié)合的方法進(jìn)行數(shù)值模擬，通過舉例，驗(yàn)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(jié)構(gòu)非線性數(shù)值反應(yīng)分析的計(jì)算效率。<

6、br>　　 3.基于APDL語言，進(jìn)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(shí)現(xiàn)了在ANSYS平臺(tái)上進(jìn)行用戶自定義子程序編制和調(diào)用；基于該方法，有效地簡化了利用ANSYS進(jìn)行復(fù)雜貯液結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)建模、計(jì)算、數(shù)據(jù)處理等工作，便于工程技術(shù)人員應(yīng)用。本文的有限元二次開發(fā)工作包括：提出針對(duì)大型復(fù)雜的有限元模型，進(jìn)行三維梯度網(wǎng)格優(yōu)化劃分方法，以提高網(wǎng)格劃分質(zhì)量：提出編制針對(duì)有限元結(jié)構(gòu)信息存儲(chǔ)、讀取、批處理等程序，利

7、用波前法技術(shù)，實(shí)現(xiàn)通過剛度矩陣修改等多種方法進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量和計(jì)算量的壓縮，以提高有限元分析的高效性和實(shí)用性。
　　 4.基于模態(tài)影響線控制網(wǎng)格劃分技術(shù)、ATOS轉(zhuǎn)換程序的開發(fā)、圣維南原理子模型技術(shù)等多方面說明了貯液結(jié)構(gòu)有限元分析模型的有效性；基于此，對(duì)貯液結(jié)構(gòu)基本地震反應(yīng)規(guī)律進(jìn)行了研究，獲取了貯液結(jié)構(gòu)液固耦合體系特性，以及地震動(dòng)輸入、壁厚、貯液量、徑高比等因素對(duì)貯液結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的影響；并研究了貯液結(jié)構(gòu)彈性變形對(duì)液動(dòng)壓力、結(jié)構(gòu)有效

8、應(yīng)力、基底彎矩、基底剪力等的影響，為貯液結(jié)構(gòu)抗震分析和設(shè)計(jì)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(duì)常規(guī)立式貯液結(jié)構(gòu)“象足”效應(yīng)問題進(jìn)行了研究，通過編制了樣條插值分析和擬合程序，提出對(duì)“象足”效應(yīng)易發(fā)位置進(jìn)行快速確定的函數(shù)形式，并通過大量計(jì)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(shí)現(xiàn)了快速確定“象足”效應(yīng)位置，據(jù)此，可以一定程度上針對(duì)“象足”效應(yīng)進(jìn)行高效的抗震設(shè)計(jì)應(yīng)用。
　　 6.基于ESO形

9、狀拓?fù)淅碚摚M(jìn)行了貯液結(jié)構(gòu)輪廓形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的研究，介紹了基于Mises應(yīng)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(jié)構(gòu)輪廓拓?fù)溆?jì)算過程中，為提高效率而增加刪除率BDR,時(shí)引起的結(jié)構(gòu)剛度矩陣奇異、拓?fù)溥^程不連續(xù)問題，提高了貯液結(jié)構(gòu)拓?fù)浞治龅姆€(wěn)定性。
　　 7.基于智能優(yōu)化算法，進(jìn)行了貯液結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的研究，對(duì)窮舉法、ACO算法、PSO算法和DE算法進(jìn)行了介

10、紹和分析；提出將ACO方法和子結(jié)構(gòu)方法進(jìn)行互相嵌入使用，通過該方法可以有效減小貯液結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化計(jì)算的計(jì)算量；提出了PSO-DE聯(lián)合優(yōu)化方法對(duì)，利用飛行、變異、交叉理論，擴(kuò)大了全局搜索范圍，避免了優(yōu)化計(jì)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(jié)構(gòu)地震反應(yīng)研究提供了有效的數(shù)值分析方法，為貯液結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)研究結(jié)果在工程中的應(yīng)用提供了極大地便利性，為貯液結(jié)構(gòu)工程抗震設(shè)計(jì)提供了重要的應(yīng)用方法