从泰坦号内爆看压力容器的屈曲稳定性分析
责任编辑:Destern     时间:2024-05-30     来源:转载于:https://tech.simwe.com/2023/Simdroid_0816/5573.html
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分类: 学术交流
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  2023年6月18日,“泰坦号”潜艇失踪,令世人震惊。调查结果表明该潜艇已在深海发生“内爆”,五名乘客全部遇难。虽已过去两个月,有关该事件伦理道德及潜水器内爆原因的讨论仍在继续。

  “泰坦号”观光潜艇由一家名为“海洋之门”的公司开发和运营。该公司每年夏天推出为期一周乘坐“泰坦号”潜艇到达“泰坦尼克号”残骸的观光探险之旅,旅费为每人25万美元(约合人民币180万元)。对于“泰坦号”的内爆,人们在感到惊骇与悲痛的同时,多位专家也对“泰坦号”的安全性提出质疑,指出该潜艇未经过任何监管机构的批准或认证,其在设计与制造上存在很多缺陷和安全隐患。

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  所谓内爆,是指外部压力过大,物体或容器本身无法承受而向内发生的爆炸。从结构力学的角度看,内爆的机理是“非线性屈曲”,是有缺陷的容器在内外压差下产生非线性失稳而发生的。

线性屈曲&非线性屈曲

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  通常在做“非线性屈曲”分析之前,我们会先做“线性屈曲”分析。“线性屈曲”分析也叫“特征值屈曲”分析,通常是在结构设计前期用到的一种分析,目的在于找出结构发生失稳时的载荷临界值,从而得出结构的安全载荷或对结构的材料、设计进行相应优化以提高其载荷。当超过临界载荷时,结构就会发生屈曲(如上图所示)。

  需要注意的是,线性屈曲只能提供屈曲发生前的结果,无法提供屈曲发生后的结果,因为屈曲发生后结构的位移变形属于非线性分析的范围。线性屈曲计算的假设是建立在小变形基础上的,采用一次求解,在计算的过程中结构的刚度保持不变,而实际情况是结构在发生屈曲时结构的刚度是一直变化的,所以采用一次求解并不能得到一个准确的结果。在实际结构的设计和评估时,为了得到更精确的结果,就需要进行非线性屈曲分析。

  在做“非线性屈曲”分析时,需要给结构设置一个初始缺陷,可以是线性屈曲分析得到的模态,或者根据现实情况设置缺陷,核心是根据结构最可能发生的情况来设置。针对“非线性屈曲”在求解的过程中很难收敛的的问题,云道智造Simdroid“非线性屈曲”分析采用修正的 Riks 方法求解非线性方程,该方法一般也被称为“柱面弧长法”。

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  “柱面弧长法”是牛顿迭代法的一种扩展,当结构临近失稳极限时,其刚度矩阵一般是奇异或者接近奇异的状态,此时无法采用牛顿迭代法求解,采用弧长法引入了荷载乘子作为求解自变量,可以避免刚度矩阵奇异的情况。采用弧长法时要求荷载必须是正比例加载,荷载乘子也被称为荷载正比例系数(LPF),求解出的荷载乘子有可能随着位移的增加增大或者减小。

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背景介绍

  大型LNG储罐设计与建造工艺复杂、造价高,是能源领域中的尖端技术之一,长期由国外企业垄断。中海油气电研发中心与云道智造合作,采用“平台+应用”的模式,基于云道智造自主可控通用多物理场仿真平台Simdroid,面向大型LNG储罐数值分析的需求进行功能增强和行业知识集成,形成高度专业化、自动化的大型LNG储罐有限元分析软件。其内罐系统结构分析,便使用了Simdroid的屈曲分析模块。

  大型LNG储罐内罐系统结构分析

1 混合单元建模——内罐和加强筋

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2 仿真分析

2.1 液压+外压工况设置

罐内承受液压:静水压力,液面高度为43.480m
内罐外壁受外压:1000Pa
内罐底面约束竖向位移,在底面外缘水平约束四个节点

2.2 线性屈曲分析

2.2.1 工况设置(屈曲分析之前先进行了静力分析,此处省略)

内罐外壁受外压:1000Pa
内罐底面约束竖向位移,在底面外缘水平约束四个节点

2.2.2 计算结果

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LNG内罐结构线性屈曲分析前10阶载荷因子以及部分屈曲模态,将载荷因子与外加载荷相乘,便得到各模态下的临界载荷

2.3 非线性屈曲分析

2.3.1 非线性屈曲工况设置

内罐外壁受外压:0.1MPa
内罐底面约束竖向位移,在底面外缘水平约束四个节点
初始缺陷设置为线性屈曲1阶模态。在不考虑其他因素的情况下,1阶屈曲模态往往最容易发生,所以通常选用1阶模态作为初始缺陷。

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2.3.2 计算结果

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通过非线性屈曲分析,最终得到LNG内罐的位移-载荷因子曲线(如上图),位移峰值处的载荷因子为0.04437,那么LNG内罐的极限承载力=总载荷*0.04437。

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