一种带填充圆柱消能结构的储液箱及其数值计算方法技术

一种带填充圆柱消能结构的储液箱及其数值计算方法，属于储液装置技术领域。在储液箱内部中心位置设置填充圆柱消能结构，消能结构中的多孔泡沫填充材料填满钢筋网所围成区域，并由钢筋网夹持固定。钢筋网和液箱壁二者在任意横截面同心。带填充圆柱消能结构的储液箱通过多孔泡沫填充材料的阻尼特性消耗储液箱内部的部分晃荡能量，达到减晃的目的。本发明专利技术将比例边界有限单元法应用于带填充圆柱消能结构的储液箱的数值模拟中，求解储液箱所受晃荡波浪力。本发明专利技术提供的储液箱结构减晃效果明显；多孔泡沫填充材料便于加工，且对材料属性要求低，经济；多孔泡沫填充材料质量轻，对储液箱地基承载能力影响小。

A Liquid Storage Tank with Filled Cylindrical Energy Dissipation Structure and Its Numerical Calculation Method

【技术实现步骤摘要】
一种带填充圆柱消能结构的储液箱及其数值计算方法
本专利技术属于储液装置
，涉及一种带填充圆柱消能结构的储液箱，具体涉及一种能够利用填充圆柱消能结构的缓冲作用消耗储液箱内部的部分晃荡能量来达到抑制液体晃荡效应的储液箱。
技术介绍
对于陆上和海上的大型储液罐、储油罐等储液箱体结构，在遇到外加震动载荷(如地震等)时，箱体内部的液体会产生晃动现象，当外部激励接近箱体固有频率时，极易发生共振现象，液体急剧大幅晃动，产生的动水压力会对箱体结构造成巨大的冲击，一旦冲击压力大于结构的承载能力将会造成箱体破裂甚至整体倾覆，如果发生在化工厂，可能造成有毒原料泄露，严重污染环境，甚至引起火灾，爆炸等事故，造成不可估量的人身财产安全；如果发生在海洋平台上的大型储液箱体，可能会造成源油泄露，对不可再生资源的严重浪费，破坏海洋生态环境，另外，如果在这种情况下发生火灾或者爆炸事故，其造成的人身财产损失将是难以想象的。只有认识储液箱液体晃荡现象的机理，并将其运用到储液箱的实际设计和生产中，才能有效避免上述事故的发生。然而现有的减晃技术仍然以阻尼挡板为主，这种装置由于其形式简单在实际生产中也多有应用，但是这种技术对挡板的安装位置依赖性较强，适用性差，并且挡板的阻尼性差，对共振区频率的影响有限，因此仍然容易发生共振现象。另外，近年来，开孔结构由于具有良好的折射和反射波浪能量的作用，也逐渐引起人们的注意，但是这类结构仅仅依靠结构对波浪的折射和反射作用，阻尼性差，缓冲作用有限，不能有效的吸收液体晃荡能量。针对上述问题，本专利技术提供一种带填充圆柱消能结构的储液箱，通过数值计算发现，这种圆柱形消能结构内部的多孔泡沫材料填充层不但具有现有技术中挡板和开孔结构反射和折射波浪能量的特性，而且因为厚度的存在，能够使其在厚度范围内更加充分的缓冲和吸收能量，有效的避免共振现象的发生。另外，本专利技术采用一种新兴的数值计算方法，即比例边界有限单元法(SBFEM)，这种方法与传统的边界元法(BEM)相比无需基本解，与有限元法(FEM)相比又具有半解析的优势。本专利技术首次将比例边界有限单元法应用于带填充圆柱消能结构的储液箱的数值模拟中，数值计算结果表明这种方法应用于此领域是适用和有效的。
技术实现思路
针对现有技术提供的问题，本专利技术提供一种带填充圆柱消能结构的储液箱及其受力计算方法，具体的说就是一种能够利用填充圆柱消能结构的缓冲作用消耗储液箱内部的部分晃荡能量来达到抑制液体晃荡效应的储液箱。本专利技术首次提出一种带填充圆柱消能结构的储液箱。多孔泡沫填充材料为圆柱形，便于加工，且对材料属性要求低，经济，且材料质量轻，对储液箱地基承载能力影响小，并且采用比例边界有限元法证明了这种填充圆柱消能结构具有显著的消能减晃效果。为了达到上述目的，本专利技术的技术方案为：一种带填充圆柱消能结构的储液箱，包括填充圆柱消能结构、液箱顶3、圆筒形的液箱壁4、注液口5、液箱基座6。所述的填充圆柱消能结构包括多孔泡沫填充材料1、圆筒形的钢筋网2，位于液箱壁4内部，多孔泡沫填充材料1填满钢筋网2所围成的圆柱形区域，并由钢筋网2夹持固定，钢筋网2上下两端分别与液箱顶3和液箱基座6通过焊接相连。所述的钢筋网2和液箱壁4二者在任意横截面同心，所述消能层的填充参数是均匀的。所述的注液口5设置于液箱壁4下部，用于向储液箱内注入液体7，液体7为冷却液、燃油、水等液态物质。上述带填充圆柱消能结构的储液箱通过多孔泡沫填充材料的阻尼特性消耗储液箱内部的部分晃荡能量，达到减晃的目的，所述储液箱所受晃荡波浪力的计算方法包括以下步骤：设储液箱的液箱壁4半径为b，钢筋网2半径为a，多孔泡沫填充材料孔隙影响系数为ε，线性阻尼系数为f，储液箱内液体深度为H。液箱基座6与地基固定连接，假设系统在x轴方向承受x＝Ae-iωt的外部晃荡位移激励，其中，A为晃荡位移幅值，ω为晃荡频率，i为虚数单位，t为时间。计算过程中，还将用到以下参数：液体密度ρ，重力加速度g，惯性系数λ。第一步，将整个水体划分为钢筋网面所包围的圆柱形区域ΩΙ，钢筋网界面与液箱壁之间所构成的圆环柱形区域ΩΙΙ。第二步，假设液体为无旋、无粘的理想流体，根据线性势流理论，并利用分离变量法，流域总速度势Φ表示为：Φ(x,y,z,t)＝φ(x,y,z)e-iωt其中，φ(x,y,z)只与空间坐标相关，且满足三维拉普拉斯方程引入自由液面(z＝0)边界条件和储液箱底部(z＝-H)边界条件φ(x,y,z)表述为：其中，右端项中第一项代表传播模态对总速度势的贡献；第二项代表非传播模态对总速度势的贡献。其中，φ0(x,y)和φm(x,y)分别满足亥姆霍兹方程和修正的亥姆霍兹方程k0和km(m＝1,2,…,∞)分别是色散方程ω2＝gk0tanhk0H，ω2＝-gkmtankmH，(m＝1,2,…,∞)的正实根，且分别表示传播模态和非传播模态所对应的波数，其中m表示非传播模态的阶数。x,y,z表示三维笛卡尔坐标。第三步，应用比例边界有限元方法，得到关于φ0(x,y)和φm(x,y)的比例边界有限元控制方程，如下式所示：上式中φm(ζ)，(m＝0,1,2，…,∞)为第二步中φ0(x,y)和φm(x,y)，(m＝1,2,…,∞)在比例边界有限元坐标系中的统一表示；ds为比例边界有限元系数矩阵，N为Lagrange插值形函数，ζ＝k0bξ，s、ξ分别为比例边界有限元坐标中的环向和径向坐标，φm(ζ),ζζ、φm(ζ),ζ分别为φm(ζ)对ζ的二阶、一阶导数；第四步，将ΩΙ，ΩΙΙ中的速度势分别表示为φΙ，φΙΙ，则各计算子域之间满足耦合边界条件：在液箱壁满足φΙΙ,n＝iωAcosθ，θ为液箱壁外法线方向与x轴正方向的夹角；在钢筋网面处满足φΙΙ,n＝-εφΙ,n，φIΙ＝(λ+if)φΙ，其中，i为虚数单位，φΙ,n和φΙΙ,n为速度势的法向导数；根据上述耦合边界条件求解比例边界有限元控制方程得到各个子域的速度势φΙ，φΙΙ，进而根据叠加原理求得总场速度势函数Φ；第五步，得到总场速度势后，波面高度η和动态压力p分别由以下表达式确定：η＝iωφ/g，其中，φ表示子域速度势φΙ，φΙΙ，p＝-ρΦ,t，Φ't为总场速度势函数Φ对时间t的一阶导数；储液箱所受总力按下式计算：其中第一、二项分别为钢筋网界面、液箱壁处单位长度上受到的x轴向晃荡力，r表示计算界面距离中心轴的距离。本专利技术与现有技术相比有以下优点：1)减晃效果明显；2)多孔泡沫填充材料为圆柱形，便于加工，且对材料属性要求低，经济；3)多孔泡沫填充材料质量轻，对储液箱地基承载能力影响小。附图说明图1是储液箱结构示意图；图2是模型简化图。图3是ε＝0.45，f＝2.0，惯性系数λ＝1.0时，不同填充半径下储液箱晃荡总力随无量纲波数kb的变化趋势图。图4是ε＝0.45，f＝2.0，惯性系数λ＝1.0时，液箱壁处液面高度随无量纲波数kb变化曲线图。图5是ε＝0.8，f＝0.2，惯性系数λ＝1.0，无量纲波数kb＝2.0时，储液箱不同结构面处晃荡力与钢筋网半径的关系曲线图。图中：1为多孔泡沫填充材料；2为钢筋网、3为液箱顶、4为液箱壁、5为注液口、6为液箱基座；7为液体。具体实施方式下面结合附图和模拟实例对本专利技术的应用原理作进一步描述。应当理解，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种带填充圆柱消能结构的储液箱，其特征在于，所述的储液箱包括填充圆柱消能结构、液箱顶(3)、圆筒形的液箱壁(4)、注液口(5)、液箱基座(6)，其中，填充圆柱消能结构包括多孔泡沫填充材料(1)、圆筒形的钢筋网(2)；所述的填充圆柱消能结构位于液箱壁(4)内部，多孔泡沫填充材料(1)填满钢筋网(2)所围成的圆柱形区域，并由钢筋网(2)夹持固定，钢筋网(2)上下两端分别与液箱顶(3)和液箱基座(6)固接；所述的钢筋网(2)和液箱壁(4)二者在任意横截面同心，多孔泡沫填充材料(1)的填充参数是均匀的；所述的注液口(5)设置于液箱壁(4)下部，用于向储液箱内注入液体(7)。

【技术特征摘要】
1.一种带填充圆柱消能结构的储液箱，其特征在于，所述的储液箱包括填充圆柱消能结构、液箱顶(3)、圆筒形的液箱壁(4)、注液口(5)、液箱基座(6)，其中，填充圆柱消能结构包括多孔泡沫填充材料(1)、圆筒形的钢筋网(2)；所述的填充圆柱消能结构位于液箱壁(4)内部，多孔泡沫填充材料(1)填满钢筋网(2)所围成的圆柱形区域，并由钢筋网(2)夹持固定，钢筋网(2)上下两端分别与液箱顶(3)和液箱基座(6)固接；所述的钢筋网(2)和液箱壁(4)二者在任意横截面同心，多孔泡沫填充材料(1)的填充参数是均匀的；所述的注液口(5)设置于液箱壁(4)下部，用于向储液箱内注入液体(7)。2.根据权利要求1所述的带填充圆柱消能结构的储液箱的受力计算方法，其特征在于以下步骤：设储液箱的液箱壁(4)半径为b，钢筋网(2)半径为a，多孔泡沫填充材料孔隙影响系数为ε，线性阻尼系数为f，储液箱内液体深度为H；液箱基座(6)与地基固定连接，假设系统在x轴方向承受x＝Ae-iωt的外部晃荡位移激励，其中，A为晃荡位移幅值，ω为晃荡频率，i为虚数单位，t为时间；计算过程中，还将用到以下参数：液体密度ρ，重力加速度g，惯性系数λ；第一步，将整个水体划分为钢筋网面所包围的圆柱形区域ΩΙ，钢筋网界面与液箱壁之间所构成的圆环柱形区域ΩΙΙ；第二步，假设液体为无旋、无粘的理想流体，根据线性势流理论，并利用分离变量法，流域总速度势Φ表示为：Φ(x,y,z,t)＝φ(x,y,z)e-iωt其中，φ(x,y,z)只与空间坐标相关，表述为：其中，右端项中第一项代表传播模态对总速度势的贡献；第二项代表非传播模态对总速度势的贡献；其中，φ0(x,y)和φm(x,y)分别满足亥姆霍兹方程和修正的...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘俊，臧全胜，林皋，叶文斌，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21