验证球形储罐抗震设计的实验装置及实验方法
【专利摘要】本发明提供一种验证球形储罐抗震设计的实验装置及实验方法。本发明实验装置包括：振动台，所述振动台与测试控制监测系统相连，所述测试控制监测系统运行地震仿真模型，球形储罐模型安装在所述振动台上，所述球形储罐模型与数据采集系统相连，从而使得振动台能在测试控制监测系统上运行的地震仿真模型带动下运动，进而使得安装在振动台上的球形储罐模型在测试控制监测系统上运行的地震仿真模型带动下运动，数据采集系统采集并分析球形储罐模型在地震仿真模型下的响应特性，从而明确球形储罐模型在动态的模拟地震力作用下响应特性，为球形储罐的抗震设计提供理论参考，使其的设计参数满足实际地震环境，降低球形储罐的建造成本。
【专利说明】验证球形储罐抗震设计的实验装置及实验方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及石油化工领域的模型实验装置及实验方法，尤其涉及一种验证球形储罐抗震设计的实验装置及实验方法。
【背景技术】
[0002]球形储罐是石油化工行业最常用的设备之一，主要用来存储液化石油气、液氨、液氧、液烃、液化天然气等易燃、易爆或有毒介质。遭遇到地震时一旦发生破坏，就可能引起爆炸、火灾和环境污染等严重次生灾害，给人类的生存和生态环境造成严重的影响。
[0003]目前，主要依靠国家标准对球形储罐的抗震设计进行理论指导。在国家标准中对地震的考虑仍然采用拟静力的处理方式，即将不同地震等级下的地震力简化为与地震等级对应的不同的静力，由此静力代替地震力来指导球形储罐的抗震设计。
[0004]但是，由于地震过程具有复杂性和随机性，是随机振动的问题，将地震力简化为拟静力的方式指导球形储罐的抗震设计并不能保证球形储罐有很好的抗震性能，从而无法为球形储罐设计提供理论参考，增大了球形储罐的建造成本。
【发明内容】
[0005]本发明实施例提供一种验证球形储罐抗震设计的实验装置及实验方法，以克服现有技术中存在的问题。
[0006]本发明实施例提供一种验证球形储罐抗震设计的实验装置，包括:
[0007]振动台、所述振动台与测试控制监测系统相连，所述测试控制监测系统运行地震仿真模型，球形储罐模型安装在所述振动台上，所述球形储罐模型与数据采集系统相连。
[0008]进一步地，上述实验装置中的测试控制监测系统可以包括:工控机、数模转换器、信号处理装置和电液伺服作动器，所述工控机、所述数模转换器、所述信号处理装置、所述电液伺服作动器和所述振动台依次相连。
[0009]进一步地，上述实验装置中的数据采集装置可以包括:测量装置和数据处理装置，所述球形储罐模型与所述测量装置连接，所述数据处理装置与所述测量装置相连，所述数据处理装置用于处理所述测量装置获取的测量数据。
[0010]进一步地，上述实验装置中的测量装置可以包括:压力传感器、加速度传感器、三维力传感器、高清摄像机和/或硬盘录像机。
[0011]进一步地，上述实验装置中的数据处理装置可以包括:动态信号采集仪和显示器，所述测量装置、所述动态信号采集仪及所述显示器依次相连。
[0012]进一步地，上述实验装置中的振动台可以包括:台面、直线滑轨、导轨滑块、支撑框架和底部支座，所述支撑框架固定在所述底部支座上，所述直线滑轨安装在所述支撑框架上，与所述直线滑轨配合的所述导轨滑块与所述台面固定在一起，所述台面一侧的连接板与所述电液伺服作动器的作动头相连。
[0013]本发明实施例提供一种验证球形储罐抗震设计的实验方法，包括:
[0014]启动工控机，测试控制监测系统运行地震仿真模型；
[0015]所述工控机模拟球形储罐模型在地震状态下运动的地震激励；
[0016]数据采集系统采集所述球形储罐模型在所述地震激励下的响应特性；
[0017]数据处理装置分析所述响应特性。
[0018]本发明提供的验证球形储罐抗震设计的实验装置和实验方法，通过设置振动台，振动台与测试控制监测系统相连，测试控制监测系统运行地震仿真模型，球形储罐模型安装在振动台上，球形储罐模型与数据采集系统相连，从而使得振动台能在测试控制监测系统上运行的地震仿真模型带动下运动，进而使得安装在振动台上的球形储罐模型在测试控制监测系统上运行的地震仿真模型带动下运动，数据采集系统采集并分析球形储罐模型在地震仿真模型下的响应特性，从而明确球形储罐模型在动态的模拟地震力作用下响应特性，为球形储罐的抗震设计提供理论参考，使其的设计参数满足实际地震环境，降低球形储罐的建造成本。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0020]图1为本发明提供的验证球形储罐抗震设计的实验装置实施例一的结构示意图；
[0021]图2为本发明提供的验证球形储罐抗震设计的实验装置实施例二的结构示意图；
[0022]图3为本发明提供的验证球形储罐抗震设计的实验装置实施例二中实物连接的结构示意图；
[0023]图4为本发明提供的验证球形储罐抗震设计的实验装置实施例二中振动台的主视图；
[0024]图5为本发明提供的验证球形储罐抗震设计的实验装置实施例二中振动台的俯视图；
[0025]图6为本发明提供的验证球形储罐抗震设计的实验装置实施例二中球形储罐模型的结构示意图；
[0026]图7为本发明提供的验证球形储罐抗震设计的实验方法实施例的流程图。
【具体实施方式】
[0027]为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0028]图1为本发明提供的验证球形储罐抗震设计的实验装置实施例一的结构示意图。
[0029]如图1所示，本实施例中的实验装置包括:振动台12，振动台12与测试控制监测系统11相连，测试控制监测系统11运行地震仿真模型，球形储罐模型13安装在振动台12上，球形储罐模型13与数据采集系统14相连。
[0030]在本实施例中，振动台12的结构能平稳、安全地承载球形储罐模型13即可，对其具体的结构特征不作限定。
[0031]振动台12与测试控制监测系统11相连，测试控制监测系统11运行地震仿真模型，振动台12与测试控制监测系统11的连接方式只要保证振动台12在测试控制监测系统11上运行的地震仿真模型的控制下运动即可。其中，地震仿真模型是模拟地震载荷的数学模型，可表示为时间的函数。
[0032]球形储罐模型13安装在振动台12上，安装方式可以是焊接。本领域技术人员可以理解，还可以有其他的安装方式，只要保证球形储罐模型13能固定在振动台12上即可，球形储罐模型13能随着振动台12的运动而运动。其中，球形储罐模型13可以是按照实际球形储罐缩比建造的模型。
[0033]球形储罐模型13与数据采集系统14相连。数据采集系统14用于对球形储罐模型13在振动台12带动下的响应特性进行采集与分析，从而可以分析球形储罐模型13在地震仿真模型下的响应特性。数据采集系统14采集的数据可以是球形储罐模型13在振动台12带动下的球形储罐模型13中液位的变化、球形储罐模型13中液体对球形储罐模型13的拍击力的大小等数据，根据实际研宄的需求进行确定。
[0034]需要说明的是，影响球形储罐模型13抗震性能的参数主要是支撑结构的参数，例如支柱的直径、壁厚，拉杆的直径、拉杆的形式等。在测试控制监测系统11上对地震仿真模型进行配置来模拟不同等级下的地震力。本领域技术人员可以理解的是，在地震环境下，主要是水平地震力影响球形储罐的抗震性能，本实施例中忽略垂直地震力对球形储罐的影响。
[0035]在本实施例中，球形储罐模型13设计不同的支撑结构的参数，将其分别安装在本实施例提供的实验装置的振动台12上，在不同的模拟地震力的作用下，数据采集系统14测量球形储罐模型13的响应特性，并分析该支撑结构的参数能否满足该地震等级下的抗震要求。
[0036]本实施例提供的验证球形储罐抗震设计的实验装置通过设置振动台，振动台与测试控制监测系统相连，测试控制监测系统运行地震仿真模型，球形储罐模型安装在振动台上，球形储罐模型与数据采集系统相连，从而使得振动台能在测试控制监测系统上运行的地震仿真模型带动下运动，进而使得安装在振动台上的球形储罐模型在测试控制监测系统上运行的地震仿真模型带动下运动，数据采集系统采集并分析球形储罐模型在地震仿真模型下的响应特性，从而明确球形储罐模型在动态的模拟地震力作用下响应特性，为球形储罐的抗震设计提供理论参考，使其的设计参数满足实际地震环境，降低球形储罐的建造成本。
[0037]图2为本发明提供的验证球形储罐抗震设计的实验装置实施例二的结构示意图。
[0038]如图2所示，本实施例在上述实施例的基础上，具体的，测试控制监测系统包括:工控机21，数模转换器22，信号处理装置23和电液伺服作动器24。工控机21、数模转换器
22、信号处理装置23和电液伺服作动器24和振动台12依次相连。
[0039]具体的，工控机21上运行地震仿真模型，输出数字信号，经过数模转换器22将该数字信号转换为模拟信号，信号处理装置23对该模拟信号进行放大，电液伺服作动器24在该模拟信号的驱动下动作，振动台12与电液伺服作动器24相连，则振动台12在电液伺服作动器24的带动下运动，模拟实际地震环境。
[0040]优选的，工控机21是以一台DS1104 PPC控制器板的PIV/2GHz的工业控制机作为硬件平台，DSl 104集成了 PowerPC处理器部分和数据采集卡部分，PowerPC处理器部分可用来进行浮点运算，数据采集卡部分拥有八路模数和八路数模及其他一些I/O接口，软件开发平台米用 Matlab/Simulink。
[0041]如图2所示，本实施例在上述实施例的基础上，具体的，数据采集装置包括:测量装置25和数据处理装置26。球形储罐模型13与测量装置25连接，数据处理装置26与测量装置25相连，数据处理装置26用于处理测量装置25获取的测量数据。
[0042]具体的，测量装置25包括:压力传感器、加速度传感器、三维力传感器、高清摄像机和/或硬盘录像机。数据处理装置26包括:动态信号采集仪和显示器，测量装置25、动态信号采集仪和显示器依次相连。
[0043]图3为本发明提供的验证球形储罐抗震设计的实验装置实施例二中实物连接的结构示意图。图4为本发明提供的验证球形储罐抗震设计的实验装置实施例二中振动台的主视图。图5为本发明提供的验证球形储罐抗震设计的实验装置实施例二中振动台的俯视图。
[0044]请同时参照图3、图4和图5，振动台12包括:台面41，直线滑轨53，导轨滑块42，支撑框架52和底部支座51，支撑框架52固定在底部支座51上，直线滑轨53安装在支撑框架52上，与直线滑轨53配合的导轨滑块42与台面41固定在一起，台面一侧的连接板31与电液伺服作动器24的作动头32相连。
[0045]可选的，电液伺服作动器24安装在剪力墙33上，以提高电液伺服作动器24的稳固性。
[0046]图6为本发明提供的验证球形储罐抗震设计的实验装置实施例二中球形储罐模型的结构示意图。如图6所示，球形储罐模型包括:球壳61，支柱62和拉杆63。球形储罐模型根据真实球形储罐的设计图纸进行缩比建造，缩比尺寸需保证球形储罐模型的主要结构相似。支柱62和拉杆63构成球形储罐的支撑结构，因为影响球形储罐模型抗震性能的参数主要是支撑结构的参数，例如支柱的直径、壁厚，拉杆的直径、拉杆的形式等，因此，为了降低成本，对于球形储罐上的附管、扶梯、人孔等附件可以适当简化或者不予设置。
[0047]优选的，为了能测量球形储罐模型13在地震仿真模型下罐内液体液位的变化，球形储罐模型13的材质为有机玻璃。
[0048]具体的，请同时参照图2-6，本实施例提供的验证球形储罐抗震设计的实验装置可以按照如下方式连接:
[0049]工控机21连接数模转换器22，数模转换器22连接信号处理装置23，信号处理装置23连接电液伺服作动器24。电液伺服作动器24的作动头32连接振动台12 —侧的连接板31，电液伺服作动器24可安装在剪力墙33上。球形储罐模型13安装在振动台12的台面41上，具体的，可以通过将球形储罐模型13的支柱62焊接在台面41的方式进行安装，或者，通过将球形储罐模型13的支柱63用螺栓连接在台面41上，本实施例对此不做限制。
[0050]可选的，将测量装置中的压力传感器设置在球壳61上，用于测量地震环境下球形储罐模型13内的液体对球形储罐模型13的拍击力，设置的方式可采用将压力传感器嵌入球壳61内表面且与球壳61内表面平齐，根据球形储罐模型13内的载液率设计具体的安装位置和数量。加速度传感器设置在振动台12的台面41上、球形储罐模型13的支柱62及球壳61上，三维力传感器设置在支柱62与台面41的连接处。加速度传感器及三维力传感器用于测量地震环境下球形储罐模型13受到的地震力。本实施例对其设置方式不做限定，只要能将其固定即可。高清摄像机和/或硬盘录像机设置在振动台12—侧的固定支架上，该支架可以是三脚架，用于测量地震环境下球形储罐模型13内液位的变化。
[0051]压力传感器、加速度传感器、三维力传感器、高清摄像机和/或硬盘录像机的输出连接数据处理装置26中的动态信号采集仪，动态信号采集仪包括所需的信号调理器、直流电压放大器、抗混滤波器、A/D转换器、缓冲存储器以及采样控制等硬件，并具有控制软件及分析软件。动态信号采集仪连接显示器，将测得的数据实时显示。
[0052]本实施例提供的验证球形储罐抗震设计的实验装置在运行时，工控机12运行地震仿真模型，输出信号，经过数模转换器22及信号处理装置23对信号经过相应的处理，驱动电液伺服作动器24动作，电液伺服作动器24的作动头32连接在振动台12 —侧的连接板31上，连接板31与台面41固定，电液伺服作动器24带动振动台12的台面41运动，与台面41固定在一起的导轨滑块42会在直线滑轨53上运动，进而带动固定安装在台面41上的球形储罐模型13运动，模拟其在真实地震环境中的运动。压力传感器、加速度传感器、三维力传感器、高清摄像机和/或硬盘录像机采集球形储罐模型13在地震仿真模型下的响应数据。动态信号采集仪和显示器对采集到的响应数据进行分析和显示。
[0053]在本实施例中，球形储罐模型13设计不同的支撑结构的参数，将其分别安装在本实施例提供的实验装置的振动台12上，在工控机21上对地震仿真模型进行配置来模拟不同等级下的地震力，测量装置25测量球形储罐模型13的响应特性，该响应特性可以是球形储罐模型13所受到的水平综合力和球形储罐模型13内液体的液位变化，该水平综合力包括球形储罐模型13在动态地震力作用下的水平力和球形储罐模型内液体对球形储罐模型13的拍击力，数据处理装置26根据测量装置25测量的响应特性分析该支撑结构的参数能否满足该地震等级下的抗震要求。
[0054]本实施例提供的验证球形储罐抗震设计的实验装置，通过设置工控机、数模转换器、信号处理装置、电液伺服作动器和振动台依次相连，电液伺服作动器的作动头连接振动台台面一侧的连接板，测量装置与球形储罐模型连接，数据处理装置与测量装置相连，用于处理测量装置获取的测量数据，从而使得振动台能在电液伺服作动器带动下运动，进而使得振动台能在工控机上运行的地震仿真模型带动下运动，测量装置采集球形储罐模型在地震仿真模型下的响应特性，数据处理装置分析该响应特性，从而明确球形储罐模型在动态的模拟地震力作用下的响应特性，该响应特性可以是球形储罐模型所受到的水平综合力和球形储罐模型内液体的液位变化，该水平综合力包括球形储罐模型在动态地震力作用下的水平力和球形储罐模型内液体对球形储罐模型的拍击力，为球形储罐的抗震设计提供理论残开，使其的设计参数满足实际地震环境，降低球形储罐的建造成本。
[0055]进一步地，上述任一实施例提供的实验装置也可用于对增加了振动装置的球形储罐模型的振动控制的效果进行验证。振动装置可以是位于支柱和拉杆上的阻尼器。具体的，可以在本实施例中的球形储罐模型上设置阻尼器，然后再将其安装在上述任一实施例提供的实验装置上验证其振动控制效果。
[0056]图7为本发明提供的验证球形储罐抗震设计的实验方法实施例的流程图。如图7所示，本实施例的方法可以包括:
[0057]步骤701:启动工控机，测试控制监测系统运行地震仿真模型。地震仿真模型是模拟地震载荷的数学模型，可表示为时间的函数关系。
[0058]步骤702:工控机模拟球形储罐模型在地震状态下运动的地震激励。
[0059]具体的，工控机中的地震仿真模型输出信号，带动电液伺服作动器运动，电液伺服作动器带动振动台运动，安装在振动台上的球形储罐模型随着振动台的运动而运动。
[0060]步骤703:数据采集系统采集球形储罐模型在地震激励下的响应特性。具体的，此处的响应特性指的是球形储罐模型在地震状态下受到的动态地震力及球形储罐模型内的液体对球形储罐模型的拍击力。
[0061]步骤704:数据处理装置分析响应特性。具体的，数据处理装置根据数据采集系统采集到的响应特性，分析球形储罐模型的支撑结构能否满足输入地震力。
[0062]本实施例提供的验证球形储罐抗震设计的实验方法具体可以用于实现本发明任一实施例提供的验证球形储罐抗震设计的实验装置，与本发明上述任一实施例具有相同的技术效果，在此不再赘述。
[0063]进一步地，本实施例提供的实验方法也可用于对增加了振动装置的球形储罐模型的振动控制的效果进行验证。振动装置可以是位于支柱和拉杆上的阻尼器。具体的，可以在本实施例中的球形储罐模型上设置阻尼器，然后再按照上述实验方法进行振动控制效果的验证。
[0064]最后应说明的是:以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
【权利要求】
1.一种验证球形储罐抗震设计的实验装置，其特征在于，包括: 振动台、所述振动台与测试控制监测系统相连，所述测试控制监测系统运行地震仿真模型，球形储罐模型安装在所述振动台上，所述球形储罐模型与数据采集系统相连。
2.根据权利1所述的实验装置，其特征在于，所述测试控制监测系统包括:工控机、数模转换器、信号处理装置和电液伺服作动器，所述工控机、所述数模转换器、所述信号处理装置、所述电液伺服作动器和所述振动台依次相连。
3.根据权利要求2所述的实验装置，其特征在于，所述数据采集装置包括:测量装置和数据处理装置，所述球形储罐模型与所述测量装置连接，所述数据处理装置与所述测量装置相连，所述数据处理装置用于处理所述测量装置获取的测量数据。
4.根据权利要求3所述的实验装置，其特征在于，所述测量装置包括:压力传感器、加速度传感器、三维力传感器、高清摄像机和/或硬盘录像机。
5.根据权利要求4所述的实验装置，其特征在于，所述数据处理装置包括:动态信号采集仪和显示器，所述测量装置、所述动态信号采集仪及所述显示器依次相连。
6.根据权利要求2-5任一项所述的实验装置，其特征在于，所述振动台包括:台面、直线滑轨、导轨滑块、支撑框架和底部支座，所述支撑框架固定在所述底部支座上，所述直线滑轨安装在所述支撑框架上，与所述直线滑轨配合的所述导轨滑块与所述台面固定在一起，所述台面一侧的连接板与所述电液伺服作动器的作动头相连。
7.—种验证球形储罐抗震设计的实验方法，其特征在于，包括: 启动工控机，测试控制监测系统运行地震仿真模型； 所述工控机模拟球形储罐模型在地震状态下运动的地震激励； 数据采 集系统采集所述球形储罐模型在所述地震激励下的响应特性； 数据处理装置分析所述响应特性。
【文档编号】G01M7/06GK104502047SQ201410787669
【公开日】2015年4月8日 申请日期:2014年12月17日 优先权日:2014年12月17日
【发明者】杨智荣, 张大勇, 郭龙玮, 岳前进, 寿比南, 孙亮 申请人:中国特种设备检测研究院