Контактный телефон:
+7 (499) 706-88-10
Электронная почта:
Адрес офиса в Москве:
125124, Москва, ул. 3-я Ямского Поля, д.18, офис 810
Наш канал YouTube
Новости
Выполненные работы от "А"бхазии до "Я"кутии
Краснодарский край, Новороссийск, резервуары ОАО "Транснефть"
Руководитель работы докт. техн. наук, проф. А.М. Белостоцкий
Расположение объекта: Новороссийск
Дата выполнения: 2014

  «Разработка, верификация и апробация численных методик расчета резервуаров    водой и нефтью, с понтонами и без) при сейсмическом воздействии».

 

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ 
I. Разработка альтернативных методик численного моделирования системы «конструкция резервуара — жидкость» при статических и динамических (сейсмических) воздействиях 
На основе анализа передового мирового опыта и собственных разработок-исследований предложены для дальнейших исследований альтернативные численные методики динамического расчета системы «конструкция резервуара — жидкость»:
1) неявная схема интегрирования уравнений движения по времени с использованием КЭ FLUID80 для моделирования жидкости (включая волнообразование в линейном приближении) и оболочечных КЭ – конструкций резервуара (реализовано в ПК ANSYS Mechanical);
2) неявная схема интегрирования трехмерных нелинейных уравнений движения жидкости и газа Навье-Стокса с учетом мультифазности потока (применяется подход моделирования «свободной поверхности» – Multiphase Free Surface Flow) с осуществлением обмена данных между модулями ANSYS Mechanical и ANSYS CFX (Bidirectional Fluid Structural Interaction (FSI)): при расчете конструкции в модуль ANSYS Mechanical передаются нагрузки (гидродинамическое давление), а в модуль ANSYS CFX – значения перемещений оболочки. 
3) явная центрально-разностная схема интегрирования по времени, адаптивная КЭ-сетка (ALE) с нелинейным моделированием жидкости объёмными КЭ C3D8R с комбинированным вязкостно-жесткостным контролем деформаций формы с нулевой энергией (hourglass control) и описанием свойств вязкой жидкости с помощью уравнения состояния Ми-Грюнайзена в форме Us – Up и введения ньютоновской вязкости), ПК ABAQUS/Explicit.
II. Верификация разработанных методик численного моделирования на «тестовых» задачах 
По разработанным численным методикам в программных комплексах ANSYS Mechanical, ANSYS CFX и ABAQUS/Explicit решена представительная серия верификационных задач, имеющих достоверное расчетное и экспериментальное подтверждение. 
В частности, показано хорошее соответствие (расхождение не более 4%) динамики волнообразования в резервуарах при различных динамических воздействиях (дорезонансных, резонансных и послерезонансных).
III. Верификация разработанных методик численного моделирования на физических моделях МГСУ 
Разработаны и исследованы подробные КЭ-модели физических моделей объектов, испытанных в НОЦ ИИМСК МГСУ:
1) резервуара РВСПА-50000 на подвижной раме при разных уровнях заполнения водой при статических нагрузках и импульсных воздействиях различной продолжительности; 
2) резервуара РВС-5000 на подвижной раме при разных уровнях заполнения водой при статических нагрузках и импульсных воздействиях различной продолжительности;
3) фильтра ФГУ-1200 на подвижной раме (варианты установки – вдоль и поперек движения) при статических нагрузках и импульсных воздействиях различной продолжительности.
Сравнение результатов численного моделирования с экспериментальными данными показало:
– ожидаемо хорошее соответствие (расхождение не более 5%) частотных и амплитудных характеристик низкочастотных общесистемных колебаний системы «подпружиненная рама – объект исследования»;
– близкое соответствие (расхождение не более 10%) сложных картин волнообразования в резервуарах (этот неочевидный результат следует признать важнейшим в смысле верификации разработанных численных методик);
– объяснимое, но в заявленных пределах, расхождение высокочастотных деформаций, обусловленное влиянием значимых начальных несовершенств физических моделей (вмятины, сварные швы и др.); при снижении частоты импульса (вариант с резиновой прокладкой) согласование этих результатов улучшается.
Тем самым, экспериментами подтверждена достоверность и эффективность выбранных численных методик и разработанных КЭ-моделей.
IV. Результаты численного моделирования реальных систем, рекомендации по сейсмическому мониторингу
Резервуар с нефтью РВСПА-50000 понтоном)
1) Расчетные исследования выполнены по альтернативным методикам и конечноэлементным моделям системы «тонкостенные днище, стенка переменного сечения, ребристая крышка, понтон – вязкая жидкость (тяжелая нефть)» в универсальных программных комплексах (ANSYS Mechanical и ABAQUS/Explicit) при действии статических нагрузок (собственный вес, снеговая нагрузка и гидростатическое давление) и горизонтального сейсмического воздействия (заданного акселерограммой уровня 8 баллов).
2) Получены практически близкие значения основных критериальных параметров состояния (собственные частоты и формы колебаний, высота и форма волны, перемещения, уровень максимальных компонент, главных и эквивалентных деформаций и напряжений) по двум упомянутым альтернативным численным методикам/моделям, реализованным в программных комплексах ANSYS Mechanical и ABAQUS/Explicit. 
3) Максимальная выявленная расчетная высота волны не превосходит допускаемых значений:
a. без учета понтона
28 см (ANSYS Mechanical)
31 см (ABAQUS/Explicit).
b. с учетом понтона
34 см (ANSYS Mechanical, понтон с жесткими связями)
36 см (ANSYS Mechanical, понтон с «пружинками»)
34 см (ABAQUS/Explicit, понтон без связей со стенкой – только односторонний контакт).
4) Максимальный расчетный уровень эквивалентных статических напряжений в стенке резервуара приурочен к области стыка первого и второго поясов, в точности равен окружным напряжениям растяжения от гидростатического давления (100%-й взлив) и составляет 169 МПа. Влиянием собственного веса конструкций и снеговой нагрузки с практической точностью можно пренебречь. 
5) Максимальные суммарные упругие напряжения при действии статических и 8-балльных сейсмических воздействий выявлены для 100%-го взлива, приурочены к 4-5 поясам стенки (незначимая вариация обусловлена альтернативными моделями/методами), составляют 381 МПа (эквивалентные по Мизесу) и 387 МПа (окружные), определяются окружными деформациями/напряжениями растяжения, превосходящими предел текучести для стали С345 (при толщине от 10 до 20 мм – 315 МПа). При этом вклад сейсмических окружных напряжений составляет 218 МПа.
6) Максимальные суммарные окружные деформации, определяющие упомянутый уровень напряжений, приурочены к 4-5 поясам стенки (вариация обусловлена альтернативными моделями/методами) и достигают по абсолютной величине 0,184%, максимальные суммарные вертикальные – 0,13% (1 пояс). Тем самым можно признать разумным предложенное расположение датчиков деформаций уровне 4 пояса).
7) Выявленный расчетами уровень максимальных углов сейсмических поворотов составляет 1.0 град нижней зоне первого пояса), а в уровне предлагаемой установки инклинометра – не более 0,15 град зоне, близкой к ветровому кольцу). Это указывает на возможную неэффективность установки инклинометров для идентификации сейсмической реакции системы (малые значения измеряемых параметров), особенно в предлагаемой верхней зоне стенки.
8) Не установлено сколько-нибудь значимого влияния понтона (для рассмотренной конструкции понтона и принятых упрощенных моделей взаимодействия понтона со стенкой) на распределение деформаций и напряжений в стенке резервуара и на максимальные значения контролируемых параметров. Вопросы прочности, целостности и остойчивости самой конструкции понтона нуждаются в дальнейшем изучении.
9) С учетом выявленного расчетами распределения основных параметров НДС резервуара РВСПА-50000 рекомендуется:
– установить датчики деформаций в уровне 4-5 пояса стенки равномерно по окружности с шагом 30 град. (всего – 12 штук) для измерения, прежде всего, окружных (кольцевых) деформаций;
– определить уровень допустимых значимых суммарных (гидростатика+сейсмика) окружных деформаций стенки, соответствующих достижению расчетного предела текучести для стали С345, равным 0,15%, а уровень «чистых» сейсмических деформаций – 0,07%;
– установить инклинометры для фиксации общего крена конструкции резервуара, не связанного с сейсмическими воздействиями, в соответствии с нормативными ограничениями.
Резервуар с водой РВС-5000 
1) Расчетные исследования выполнены по разработанной методике и конечноэлементной модели системы «тонкостенные днище, стенка, ребристая крышка – жидкость (вода)» в универсальном программном комплексе ANSYS Mechanical при действии статических нагрузок (собственный вес, снеговая нагрузка и гидростатическое давление) и горизонтального сейсмического воздействия (заданного акселерограммой уровня 8 баллов).
2) Максимальная выявленная расчетная высота волны – 26 см – не превосходит допускаемых значений.
3) Максимальный расчетный уровень эквивалентных статических напряжений в стенке резервуара приурочен к первому (нижнему) поясу, определяется окружными напряжениями растяжения от гидростатического давления (100%-й взлив) и составляет 139 МПа. Влиянием собственного веса конструкций и снеговой нагрузки с практической точностью можно пренебречь. 
4) Максимальные суммарные напряжения при действии статических и 8-балльных сейсмических воздействий выявлены для 100%-го взлива, приурочены к 1-му поясу стенки, составляют:
– 301 МПа, определяются окружными мембранными деформациями/напряжениями растяжения, не превосходящими предел текучести для стали С345 (при толщине от 10 до 20 мм – 315 МПа). При этом вклад сейсмических окружных напряжений составляет 162 МПа.
– 369 МПа, определяются вертикальными изгибными деформациями/напряжениями, превосходящими предел текучести для стали С345. Вклад сейсмических окружных напряжений составляет 314 МПа. Отметим локальный и изгибный характер значимых вертикальных сейсмических напряжений, не охватывающих все сечение стенки по толщине.
5) Выявленный расчетами уровень максимальных углов сейсмических поворотов составляет до 5 град в нижнем поясе. Это указывает на возможную эффективность установки инклинометров в этой зоне для идентификации сейсмической реакции системы.
6) С учетом выявленного расчетами распределения основных параметров НДС резервуара РВС-5000 рекомендуется установить инклинометры для фиксации общего крена и сейсмических углов в конструкции резервуара. 
Фильтр-грязеуловитель ФГУ-1200 
1) Расчетные исследования выполнены по численной методике на конечноэлементной модели системы «фильтр – опоры — трубопроводы» в программном комплексе ANSYS Mechanical при действии статических нагрузок (собственный вес, вес жидкости, внутреннее давление 6,3 МПа) и горизонтального сейсмического воздействия (заданного акселерограммой уровня 8 баллов).
2) Установлено, что доминирующий вклад в напряженное состояние весьма динамически «жесткой» системы вносит внутреннее давление 6,3 МПа. Так, упругие напряжения в обечайке фильтра составляет до 120 МПа (окружные компоненты), а в локальной зоне патрубков – до 450 МПа. В то же время, сейсмические напряжения не превосходят 3 МПа.
3) Из результатов расчетных исследований следует, что оснащения фильтров-грязеуловителей системой сейсмического мониторинга не целесообразно.

Основные выводы 

I. Разработка альтернативных методик численного моделирования системы «конструкция резервуара — жидкость» при статических и динамических (сейсмических) воздействиях На основе анализа передового мирового опыта и собственных разработок-исследований предложены для дальнейших исследований альтернативные численные методики динамического расчета системы «конструкция резервуара — жидкость»:

1) неявная схема интегрирования уравнений движения по времени с использованием КЭ FLUID80 для моделирования жидкости (включая волнообразование в линейном приближении) и оболочечных КЭ – конструкций резервуара (реализовано в ПК ANSYS Mechanical);

2) неявная схема интегрирования трехмерных нелинейных уравнений движения жидкости и газа Навье-Стокса с учетом мультифазности потока (применяется подход моделирования «свободной поверхности» – Multiphase Free Surface Flow) с осуществлением обмена данных между модулями ANSYS Mechanical и ANSYS CFX (Bidirectional Fluid Structural Interaction (FSI)): при расчете конструкции в модуль ANSYS Mechanical передаются нагрузки (гидродинамическое давление), а в модуль ANSYS CFX – значения перемещений оболочки. 

3) явная центрально-разностная схема интегрирования по времени, адаптивная КЭ-сетка (ALE) с нелинейным моделированием жидкости объёмными КЭ C3D8R с комбинированным вязкостно-жесткостным контролем деформаций формы с нулевой энергией (hourglass control) и описанием свойств вязкой жидкости с помощью уравнения состояния Ми-Грюнайзена в форме Us – Up и введения ньютоновской вязкости), ПК ABAQUS/Explicit.


II. Верификация разработанных методик численного моделирования на «тестовых» задачах По разработанным численным методикам в программных комплексах ANSYS Mechanical, ANSYS CFX и ABAQUS/Explicit решена представительная серия верификационных задач, имеющих достоверное расчетное и экспериментальное подтверждение. В частности, показано хорошее соответствие (расхождение не более 4%) динамики волнообразования в резервуарах при различных динамических воздействиях (дорезонансных, резонансных и послерезонансных).


III. Верификация разработанных методик численного моделирования на физических моделях МГСУ Разработаны и исследованы подробные КЭ-модели физических моделей объектов, испытанных в НОЦ ИИМСК МГСУ:

1) резервуара РВСПА-50000 на подвижной раме при разных уровнях заполнения водой при статических нагрузках и импульсных воздействиях различной продолжительности; 

2) резервуара РВС-5000 на подвижной раме при разных уровнях заполнения водой при статических нагрузках и импульсных воздействиях различной продолжительности;3) фильтра ФГУ-1200 на подвижной раме (варианты установки – вдоль и поперек движения) при статических нагрузках и импульсных воздействиях различной продолжительности.Сравнение результатов численного моделирования с экспериментальными данными показало:

– ожидаемо хорошее соответствие (расхождение не более 5%) частотных и амплитудных характеристик низкочастотных общесистемных колебаний системы «подпружиненная рама – объект исследования»;

– близкое соответствие (расхождение не более 10%) сложных картин волнообразования в резервуарах (этот неочевидный результат следует признать важнейшим в смысле верификации разработанных численных методик);

– объяснимое, но в заявленных пределах, расхождение высокочастотных деформаций, обусловленное влиянием значимых начальных несовершенств физических моделей (вмятины, сварные швы и др.); при снижении частоты импульса (вариант с резиновой прокладкой) согласование этих результатов улучшается.Тем самым, экспериментами подтверждена достоверность и эффективность выбранных численных методик и разработанных КЭ-моделей.


IV. Результаты численного моделирования реальных систем, рекомендации по сейсмическому мониторингуРезервуар с нефтью РВСПА-50000 понтоном)

1) Расчетные исследования выполнены по альтернативным методикам и конечноэлементным моделям системы «тонкостенные днище, стенка переменного сечения, ребристая крышка, понтон – вязкая жидкость (тяжелая нефть)» в универсальных программных комплексах (ANSYS Mechanical и ABAQUS/Explicit) при действии статических нагрузок (собственный вес, снеговая нагрузка и гидростатическое давление) и горизонтального сейсмического воздействия (заданного акселерограммой уровня 8 баллов).

2) Получены практически близкие значения основных критериальных параметров состояния (собственные частоты и формы колебаний, высота и форма волны, перемещения, уровень максимальных компонент, главных и эквивалентных деформаций и напряжений) по двум упомянутым альтернативным численным методикам/моделям, реализованным в программных комплексах ANSYS Mechanical и ABAQUS/Explicit. 

3) Максимальная выявленная расчетная высота волны не превосходит допускаемых значений:

a. без учета понтона

28 см (ANSYS Mechanical)

31 см (ABAQUS/Explicit).

b. с учетом понтона

34 см (ANSYS Mechanical, понтон с жесткими связями)

36 см (ANSYS Mechanical, понтон с «пружинками»)

34 см (ABAQUS/Explicit, понтон без связей со стенкой – только односторонний контакт).

4) Максимальный расчетный уровень эквивалентных статических напряжений в стенке резервуара приурочен к области стыка первого и второго поясов, в точности равен окружным напряжениям растяжения от гидростатического давления (100%-й взлив) и составляет 169 МПа. Влиянием собственного веса конструкций и снеговой нагрузки с практической точностью можно пренебречь. 

5) Максимальные суммарные упругие напряжения при действии статических и 8-балльных сейсмических воздействий выявлены для 100%-го взлива, приурочены к 4-5 поясам стенки (незначимая вариация обусловлена альтернативными моделями/методами), составляют 381 МПа (эквивалентные по Мизесу) и 387 МПа (окружные), определяются окружными деформациями/напряжениями растяжения, превосходящими предел текучести для стали С345 (при толщине от 10 до 20 мм – 315 МПа). При этом вклад сейсмических окружных напряжений составляет 218 МПа.

6) Максимальные суммарные окружные деформации, определяющие упомянутый уровень напряжений, приурочены к 4-5 поясам стенки (вариация обусловлена альтернативными моделями/методами) и достигают по абсолютной величине 0,184%, максимальные суммарные вертикальные – 0,13% (1 пояс). Тем самым можно признать разумным предложенное расположение датчиков деформаций уровне 4 пояса).

7) Выявленный расчетами уровень максимальных углов сейсмических поворотов составляет 1.0 град нижней зоне первого пояса), а в уровне предлагаемой установки инклинометра – не более 0,15 град зоне, близкой к ветровому кольцу). Это указывает на возможную неэффективность установки инклинометров для идентификации сейсмической реакции системы (малые значения измеряемых параметров), особенно в предлагаемой верхней зоне стенки.

8) Не установлено сколько-нибудь значимого влияния понтона (для рассмотренной конструкции понтона и принятых упрощенных моделей взаимодействия понтона со стенкой) на распределение деформаций и напряжений в стенке резервуара и на максимальные значения контролируемых параметров. Вопросы прочности, целостности и остойчивости самой конструкции понтона нуждаются в дальнейшем изучении.

9) С учетом выявленного расчетами распределения основных параметров НДС резервуара РВСПА-50000 рекомендуется:

– установить датчики деформаций в уровне 4-5 пояса стенки равномерно по окружности с шагом 30 град. (всего – 12 штук) для измерения, прежде всего, окружных (кольцевых) деформаций;

– определить уровень допустимых значимых суммарных (гидростатика+сейсмика) окружных деформаций стенки, соответствующих достижению расчетного предела текучести для стали С345, равным 0,15%, а уровень «чистых» сейсмических деформаций – 0,07%;

– установить инклинометры для фиксации общего крена конструкции резервуара, не связанного с сейсмическими воздействиями, в соответствии с нормативными ограничениями.

Резервуар с водой РВС-5000 

1) Расчетные исследования выполнены по разработанной методике и конечноэлементной модели системы «тонкостенные днище, стенка, ребристая крышка – жидкость (вода)» в универсальном программном комплексе ANSYS Mechanical при действии статических нагрузок (собственный вес, снеговая нагрузка и гидростатическое давление) и горизонтального сейсмического воздействия (заданного акселерограммой уровня 8 баллов).

2) Максимальная выявленная расчетная высота волны – 26 см – не превосходит допускаемых значений.

3) Максимальный расчетный уровень эквивалентных статических напряжений в стенке резервуара приурочен к первому (нижнему) поясу, определяется окружными напряжениями растяжения от гидростатического давления (100%-й взлив) и составляет 139 МПа. Влиянием собственного веса конструкций и снеговой нагрузки с практической точностью можно пренебречь. 

4) Максимальные суммарные напряжения при действии статических и 8-балльных сейсмических воздействий выявлены для 100%-го взлива, приурочены к 1-му поясу стенки, составляют:

– 301 МПа, определяются окружными мембранными деформациями/напряжениями растяжения, не превосходящими предел текучести для стали С345 (при толщине от 10 до 20 мм – 315 МПа). При этом вклад сейсмических окружных напряжений составляет 162 МПа.

– 369 МПа, определяются вертикальными изгибными деформациями/напряжениями, превосходящими предел текучести для стали С345. Вклад сейсмических окружных напряжений составляет 314 МПа. Отметим локальный и изгибный характер значимых вертикальных сейсмических напряжений, не охватывающих все сечение стенки по толщине.

5) Выявленный расчетами уровень максимальных углов сейсмических поворотов составляет до 5 град в нижнем поясе. Это указывает на возможную эффективность установки инклинометров в этой зоне для идентификации сейсмической реакции системы.

6) С учетом выявленного расчетами распределения основных параметров НДС резервуара РВС-5000 рекомендуется установить инклинометры для фиксации общего крена и сейсмических углов в конструкции резервуара. 


Фильтр-грязеуловитель ФГУ-1200 

1) Расчетные исследования выполнены по численной методике на конечноэлементной модели системы «фильтр – опоры — трубопроводы» в программном комплексе ANSYS Mechanical при действии статических нагрузок (собственный вес, вес жидкости, внутреннее давление 6,3 МПа) и горизонтального сейсмического воздействия (заданного акселерограммой уровня 8 баллов).

2) Установлено, что доминирующий вклад в напряженное состояние весьма динамически «жесткой» системы вносит внутреннее давление 6,3 МПа. Так, упругие напряжения в обечайке фильтра составляет до 120 МПа (окружные компоненты), а в локальной зоне патрубков – до 450 МПа. В то же время, сейсмические напряжения не превосходят 3 МПа.

3) Из результатов расчетных исследований следует, что оснащения фильтров-грязеуловителей системой сейсмического мониторинга не целесообразно.

 

О компании
Программные комплексы
Расчетные исследования
Наука и образование
Загрузки
"Из жизни насекомых"
Контакты
© 1991-2018 НИЦ СТАДИО. Копирование материалов допускается с разрешения правообладателей сайта. Наш интернет-ресурс, носит исключительно информационный характер и не является публичной офертой, определяемой положениями Статьи 437 (2) ГК РФ. Для получения точной информации о программных продуктов обращайтесь к консультантам и менеджерам нашей компании. HostCMS.
Яндекс.Метрика