本发明涉及安全评价
技术领域：
，具体涉及一种地基沉降后非锚固储罐强度评价方法及装置。
背景技术：
：我国储备的石油主要以进口为主，由于海运条件及消费市场等原因，储备基地多分布在东部沿海地区。这些地区地基土质松软，含水量高，压缩性大，承载力低，而大型储油罐载荷强度高，分布面积广，对基础的影响深度大。此外，大型储罐属于柔性的薄壳结构，其强度对地基的沉降较为敏感。因此，地基沉降后储罐强度的评估是工程实践中急需解决的问题。有限元方法是一种常用的高效能数值计算方法。由于储罐结构复杂，涉及非锚固地基、罐体-地基之间相互作用等问题，因此，多数研究都对结构模型进行了一定的简化。例如，以往研究忽略开孔接管、抗风圈及支撑、加强圈及肋板等因素影响，采用轴对称建模方式进行有限元分析。事实上，由于抗风圈支撑、加强圈肋板数量的不同，大型储罐并非轴对称结构，且抗风圈及支撑等因素对储罐强度的影响不容忽视。有些文献中，将加强圈、抗风圈进行等效刚度处理的做法也并不合理。因为模型中抗风圈及支撑、加强圈及肋板若以实际几何结构进行创建，在壁板相应位置会存在二次应力，这将产生与以往研究不同的结论。大型储罐多是非锚固储罐，底板自由搁置在带钢筋混凝土环梁的地基上，依靠摩擦力保持储罐的平衡。由于环墙式基础中两部分地基材料的压缩变形模量不同，在液体载荷和罐体自重的作用下，钢筋混凝土环墙和砂土地基的交界处会发生不均匀沉降，导致大型储油罐底板边缘区域将发生一定长度的翘曲，如何处理这个移动边界问题是储罐建模的难点。有些模型中，通过约束底板边缘板最外侧点的轴向位移，并在内边缘板与地基作用的部分区域施加接触单元来建立储罐地基的支撑作用，此种模型虽节约计算时间，但显然与实际情况存在差别。特别是地基发生沉降时，底板会脱离地基，这时固定底板边缘的力学模型显然无法适用。此外，地基沉降引起储罐发生沉降，由于非锚固结构，罐底板并不完全随地基的沉降而沉降，有些情况下底板会脱离地基，因此将沉降量直接加载到储罐底板或壁板低端并不科学。可见，大型油罐的有限元分析中，难点在于地基沉降的模拟，储罐基础与底板相互作用的模拟，以及如何使储罐几何结构更贴近实际情况等。此外，在强度评价中，多数文献采用材料的屈服强度作为衡量标准过于保守，而实际上，二次应力的允许值要远大于屈服强度。技术实现要素：针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种地基沉降后非锚固储罐强度评价方法及装置，解决了现有的简化模型与实际不符的问题，提高了强度评价结果的准确度。第一方面，本发明提供了一种地基沉降后非锚固储罐强度评价方法，包括：获取地基沉降数据，并将所述地基沉降数据通过fourier级数拟合为若干阶谐波组合的形式，获得以fourier级数表示的组合谐波的地基沉降量；接收输入的地基结构参数和储罐结构参数，根据所述地基结构参数和所述储罐结构参数生成呈网格节点划分形态的非锚固储罐有限元模型并显示，所述储罐结构参数包括储罐的底板、壁板、抗风圈、加强圈、肋板、包边角钢、抗风圈支撑的结构参数；接收输入的所述有限元模型的边界条件和载荷参数；采用预设算法根据所述边界条件和所述载荷参数对所述有限元模型进行求解获得求解结果，根据所述求解结果生成变化后的非锚固储罐有限元模型并显示；根据所述求解结果进行应力分析获得分析结果并显示。可选地，所述根据所述地基结构参数和储罐结构参数生成呈网格节点划分形态的非锚固储罐有限元模型并显示，包括：根据所述地基结构参数和所述储罐结构参数采用接触单元模拟生成地基与底板的接触区域模型；采用壳单元模拟生成壁板、底板、抗风圈、加强圈和肋板的结构模型；采用梁单元模拟生成包边角钢、抗风圈支撑的结构模型；采用实体单元模拟生成地基的结构模型；对各个模型进行网格节点划分。可选地，所述边界条件包括：地基下表面节点的环向与径向位移为零；地基下表面外边缘节点轴向位移为以fourier级数表示的组合谐波的地基沉降量；地基下表面中心节点轴向位移为外边缘节点轴向位移的平均值；地基下表面其余节点的轴向位移值沿半径方向线性变化。可选地，所述载荷参数包括：对储罐的底板和壁板施加液体静压力载荷，所述液体静压力载荷为p＝rg(h-z)，其中，p为静水压力，pa；r为储液密度，kg/m3；g为重力加速度，n/kg；h为储罐内液体的高度，m；z为距离底板的轴向距离，m；以及储罐的自重载荷。可选地，所述根据所述求解结果进行应力分析获得分析结果并显示，包括：根据所述求解结果获取储罐的预设位置处的应力信息；根据所述应力信息与预设的应力许用值进行比较，获得比较结果；根据所述比较结果获得对应预设位置处的分析结果并显示。第二方面，本发明提供一种地基沉降后非锚固储罐强度评价装置，包括：获取模块，用于获取地基沉降数据，并将所述地基沉降数据通过fourier级数拟合为若干阶谐波组合的形式，获得以fourier级数表示的组合谐波的地基沉降量；第一生成模块，用于接收输入的地基结构参数和储罐结构参数，根据所述地基结构参数和所述储罐结构参数生成呈网格节点划分形态的非锚固储罐有限元模型并显示，所述储罐结构参数包括储罐的底板、壁板、抗风圈、加强圈、肋板、包边角钢、抗风圈支撑的结构参数；接收模块，用于接收输入的所述有限元模型的边界条件和载荷参数；第二生成模块，用于采用预设算法根据所述边界条件和所述载荷参数对所述有限元模型进行求解获得求解结果，根据所述求解结果生成变化后的非锚固储罐有限元模型并显示；分析模块，用于根据所述求解结果进行应力分析获得分析结果并显示。可选地，所述第一生成模块具体用于：根据所述地基结构参数和所述储罐结构参数采用接触单元模拟生成地基与底板的接触区域模型；采用壳单元模拟生成壁板、底板、抗风圈、加强圈和肋板的结构模型；采用梁单元模拟生成包边角钢、抗风圈支撑的结构模型；采用实体单元模拟生成地基的结构模型；对各个模型进行网格节点划分。可选地，所述边界条件包括：地基下表面节点的环向与径向位移为零；地基下表面外边缘节点轴向位移为以fourier级数表示的组合谐波的地基沉降量；地基下表面中心节点轴向位移为外边缘节点轴向位移的平均值；地基下表面其余节点的轴向位移值沿半径方向线性变化。可选地，所述载荷参数包括：对储罐的底板和壁板施加液体静压力载荷，所述液体静压力载荷为p＝rg(h-z)，其中，p为静水压力，pa；r为储液密度，kg/m3；g为重力加速度，n/kg；h为储罐内液体的高度，m；z为距离底板的轴向距离，m；以及储罐的自重载荷。可选地，所述分析模块具体用于：根据所述求解结果获取储罐的预设位置处的应力信息；根据所述应力信息与预设的应力许用值进行比较，获得比较结果；根据所述比较结果获得对应预设位置处的分析结果并显示。由上述技术方案可知，本发明实施例一种地基沉降后非锚固储罐强度评价方法及装置，通过获取以fourier级数表示的组合谐波的地基沉降量，接收输入的地基结构参数和储罐结构参数并根据参数生成呈网格节点划分形态的非锚固储罐有限元模型，接收输入的所述有限元模型的边界条件和载荷参数，采用预设算法根据接收到的边界条件和载荷参数对有限元模型进行求解获得求解结果，根据求解结果生成变化后的非锚固储罐有限元模型并显示，同时根据求解结果进行应力分析获得分析结果并显示，解决了现有简化模型与实际不符的问题，提高了模拟的准确性和评价结果的科学性。附图说明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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1是本发明一实施例提供的地基沉降后非锚固储罐强度评价方法的流程图；图2是本发明一实施例提供的建立有限元模型的流程示意图；图3a是包边角钢、抗风圈及支撑的模拟结构示意图；图3b是加强圈及肋板的模拟结构示意图；图3c是储罐的有限元模型；图4是环墙式地基的结构示意图；图5是本发明一实施例提供的应力分析流程示意图；图6是本发明一实施例提供的地基沉降后非锚固储罐强度评价装置的结构示意图；图7是本发明一实施例提供的地基沉降后非锚固储罐强度评价方法流程框图。具体实施方式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、完整的描述，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做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。图1和图7示出了本发明一实施例提供的一种地基沉降后非锚固储罐强度评价方法，包括：s11、获取地基沉降数据，并将所述地基沉降数据通过fourier级数拟合为若干阶谐波组合的形式，获得以fourier级数表示的组合谐波的地基沉降量。在本步骤中，按照相关标准，可现场测量储罐地基沉降数据。将储罐地基沉降的实测离散数据通过fourier级数展开为若干阶谐波组合的形式，获得沉降的拟合公式。此方法不仅有利于分析不均匀沉降的组成与特点，还能获得平滑连续的沉降曲线，以便于有限元分析。fourier级数表达式如下：式中：n代表谐波数；u0代表储罐的整体均匀沉降；n＝1代表储罐的整体倾斜；un为第n阶谐波沉降的幅值；为第n阶谐波在叠加时的初始相位角，在本发明实施例中，对于谐波数n可根据具体情况具体分析设定。在评测储罐地基沉降时，由于6次以内的组合谐波可以很好的反应地基实际沉降的真实性和规律性，故适用于储罐地基沉降时的谐波总数可为6。同时，由于整体均匀沉降(n＝0)和平面倾斜(n＝1)对罐壁变形影响较小，可忽略不计，因此取2≤n≤6。以具体实例进行说明，下面以10×104m3的大型外浮顶立式圆筒形原油储罐为例来介绍本发明提供的油罐强度评价方法。该原油储罐的公称直径为80m，罐壁高度为21.8m，设计液位高度为19.8m。为获得储罐沉降的实际测试数据，按照相关标准，遵循罐周等分布点原则，罐壁周边的基础设置水准观测点24个，采用精密水准仪，对某油库在役4年的10×104m3大型非锚固浮顶油罐进行基础沉降测量。储罐在满载情况下沉降量最大，为安全起见，尽量选取最高液位下的基础沉降观测值。测量结果见表1。fourier拟合结果见表2。表1储罐地基的累计沉降观测数据(mm)测点123456789101112沉降量242236238250259287306336362392418425测点131415161718192021222324沉降量430429431434410388347297268249249237表2储罐沉降数据的fourier分解s12、接收输入的地基结构参数和储罐结构参数，根据所述地基结构参数和所述储罐结构参数生成呈网格节点划分形态的非锚固储罐有限元模型并显示，所述储罐结构参数包括储罐的底板、壁板、抗风圈、加强圈、肋板、包边角钢、抗风圈支撑的结构参数。在本发明实施例中，需要说明的是，在建立非锚固储罐有限元模型时，需要考虑地基以及储罐的底板、壁板、抗风圈、加强圈、肋板、包边角钢、抗风圈支撑等各附件的影响。而每一个附件均按照实际的几何结构进行建模，因此，需要获取地基结构的参数以及储罐各附件的结构参数。当参数输入到系统后，系统会根据所述地基结构参数和所述储罐结构参数生成呈网格节点划分形态的非锚固储罐有限元模型并将有限元模型在显示界面进行显示。为此，如图2所示，有限元模型的建立具体可包括以下步骤：s121、根据所述地基结构参数和所述储罐结构参数采用接触单元模拟生成地基与底板的接触区域模型；s122、采用壳单元模拟生成壁板、底板、抗风圈、加强圈和肋板的结构模型；s123、采用梁单元模拟生成包边角钢、抗风圈支撑的结构模型；s124、采用实体单元模拟生成地基的结构模型；s125、对各个模型进行网格节点划分。对于上述通过各个单元进行结构模拟是一个较成熟的技术，在此不对该技术进行详细说明。在本实施例本步骤中，具体以上述实例进行解释说明，储罐的主要结构、材料参数参见表3。包边角钢、抗风圈及支撑的结构模型如图3a，加强圈及肋板的结构模型如图3b，有限元模型可见图3c。大型油罐地基的型式为环墙式基础，主要由钢筋混凝土环墙和砂土地基两部分组成，罐底板非锚固，自由搁置于储罐地基上。环墙式地基结构见图4。表310×104m3储罐结构参数s13、接收输入的所述有限元模型的边界条件和载荷参数。在本步骤中，需要说明的是，在本发明实施例中，要对地基沉降后的非锚固储罐强度进行评价，需要模拟出地基沉降后储罐的模拟变化图以及模拟结果数据。因此，系统需要对最初建立的有限元模型施加一系列模拟地基沉降储罐的数据。故需要输入所述有限元模型的边界条件和载荷参数。所述边界条件包括：地基下表面节点的环向与径向位移为零；地基下表面外边缘节点轴向位移为以fourier级数表示的组合谐波的地基沉降量；地基下表面中心节点轴向位移为外边缘节点轴向位移的平均值；地基下表面其余节点的轴向位移值沿半径方向线性变化。所述载荷参数包括：对储罐的底板和壁板施加液体静压力载荷，所述液体静压力载荷为p＝rg(h-z)，其中，p为静水压力，pa；r为储液密度，kg/m3；g为重力加速度，n/kg；h为储罐内液体的高度，m；z为距离底板的轴向距离，m；以及储罐的自重载荷。s14、采用预设算法根据所述边界条件和所述载荷参数对所述有限元模型进行求解获得求解结果，根据所述求解结果生成变化后的非锚固储罐有限元模型并显示。在本步骤中，需要说明的是，在本实施例中，可采用牛顿拉普森算法、弧长算法、非线性稳定算法等根据所述边界条件和所述载荷参数对所述有限元模型进行求解获得求解结果。在这里，需要说明的是，采用上述算法对有限元模型的求解是一个较成熟的求解过程，故在此不对求解过程进行详细说明。在本实施例中，求解结果是通过求解过程得出的相应的数据参数，系统会根据得出的数据参数重新生成非锚固有限元模型，并在显示界面上进行显示。s15、根据所述求解结果进行应力分析获得分析结果并显示。在本步骤中，需要说明的是，以往研究忽略了储罐开孔接管、抗风圈及支撑、加强圈及肋板等因素影响，均采用轴对称建模方式进行有限元分析，然而，由于抗风圈支撑、加强圈肋板数量的不同，大型储罐并非轴对称结构，且抗风圈及其支撑等因素对储罐强度的影响不容忽视。有些文献中，将加强圈、抗风圈进行等效刚度处理的做法也并不合理。在本发明实施例中，模型中抗风圈及其支撑、加强圈及肋板均以实际几何结构进行创建，因此，在壁板相应位置将存在二次应力，这将产生与以往研究不同的结论。对于求解结果来说，不仅仅包括模型结构的变形参数，还包括模型各个位置上的应力数据。在本实施例的强度评定过程中，为了准确分析储罐不同位置的结构特性，故将应力划分为一次应力和二次应力。可以理解的是，地基谐波沉降后，储罐底板应力均以弯曲应力为主，薄膜应力很小。此处的径向弯曲应力属于二次应力，环向应力由两部分组成，一部分是由径向应力引起，属于二次应力；另一部分是由谐波沉降引起的环向弯曲应力，属于一次应力。罐壁板与抗风圈连接处的应力是二次应力，壁板其余部分是一次应力。综上所述，故地基沉降发生后，储罐的强度评定主要考虑壁板抗风圈处的二次应力、壁板一次应力及底板的二次应力。故在本实施例中，如图5所示，对应力分析具体可包括：s151、根据所述求解结果获取储罐的预设位置处的应力信息；s152、根据所述应力信息与预设的应力许用值进行比较，获得比较结果；s153、根据所述比较结果获得对应预设位置处的分析结果并显示。针对上述步骤s151-步骤s153，求解结果中存在每个位置处对应的等效应力，以及第一、第二、第三主应力值。第一、第二、第三主应力是材料力学的专业术语。等效应力是系统自动由这三个应力通过公式计算获得。有限元求解后，提取预设位置的最大等效应力，并根据不同位置处的应力分类(一次应力或二次应力)，判断最大等效应力是否超过其相应的许用值。采用弹性失效准则以及von-mises材料屈服条件判断储罐壁板以及底板的等效应力是否超过相应的许用应力。其中，mises等效应力取为弹性名义应力，即无论载荷多大假定结构材料始终为线弹性时所求得的计算应力。由于壁板抗风圈处的二次应力、壁板一次应力及底板的二次应力均指应力分析结果中的mises等效应力，故根据上述弹性失效准则以及von-mises材料屈服条件判断储罐壁板以及底板的等效应力是否超过相应的许用应力，进而判断沉降储罐的强度评价结果是否超标，若未超标，则表示当前属于安全运行，可以继续使用。若超标，则说明需要更换或进行相应处理。各类应力强度评价标准见表4。表4各类应力的强度限制标准s—材料的许用应力，取sy/1.5和st/2.4中的较小值；sy—规定的最小屈服强度；st—规定的最小抗拉强度；spl—当材料的屈强比大于0.7或s与时间有关时，spl等于1.5s，否则取sy与1.5s中的较大值。sps—当材料的屈强比大于0.7或s与时间有关时，sps等于3s，否则取sy与3s中的较大值。储罐结构中不同材料的力学性能及结构的许用应力强度值如表5所示。表5储罐的材料力学性能及许用应力强度有限元求解后，预设位置处的最大应力值如表6。表6储罐不同材料和位置的最大等效应力按照表5的许用值可知，壁板抗风圈及加强圈最大二次应力127小于470，123小于690，壁板最大薄膜应力233小于254，底板大角焊缝处的二次应力448小于762，因而可知沉降储罐的强度评价结果并未超标，属于安全运行，可以继续使用。本发明实施例一种地基沉降后非锚固储罐强度评价方法，通过获取以fourier级数表示的组合谐波的地基沉降量，接收输入的地基结构参数和储罐结构参数并根据参数生成呈网格节点划分形态的非锚固储罐有限元模型，接收输入的所述有限元模型的边界条件和载荷参数，采用预设算法根据接收到的边界条件和载荷参数对有限元模型进行求解获得求解结果，根据求解结果生成变化后的非锚固储罐有限元模型并显示，同时根据求解结果进行应力分析获得分析结果并显示，解决了现有简化模型与实际不符的问题，提高了模拟的准确性和评价结果的科学性。图6示出了本发明一实施例提供的一种地基沉降后非锚固储罐强度评价装置，包括获取模块21、第一生成模块22、接收模块23、第二生成模块24和分析模块25，其中：获取模块21，用于获取地基沉降数据，并将所述地基沉降数据通过fourier级数拟合为若干阶谐波组合的形式，获得以fourier级数表示的组合谐波的地基沉降量；第一生成模块22，用于接收输入的地基结构参数和储罐结构参数，根据所述地基结构参数和所述储罐结构参数生成呈网格节点划分形态的非锚固储罐有限元模型并显示，所述储罐结构参数包括储罐的底板、壁板、抗风圈、加强圈、肋板、包边角钢、抗风圈支撑的结构参数；接收模块23，用于接收输入的所述有限元模型的边界条件和载荷参数；第二生成模块24，用于采用预设算法根据所述边界条件和所述载荷参数对所述有限元模型进行求解获得求解结果，根据所述求解结果生成变化后的非锚固储罐有限元模型并显示；分析模块25，用于根据所述求解结果进行应力分析获得分析结果并显示。由于本发明实施例所述装置与上述实施例所述方法的原理相同，对于更加详细的解释内容在此不再赘述。需要说明的是，本发明实施例可以通过硬件处理器(hardwareprocessor)来实现相关功能模块。本发明实施例一种地基沉降后非锚固储罐强度评价装置，通过获取以fourier级数表示的组合谐波的地基沉降量，接收输入的地基结构参数和储罐结构参数并根据参数生成呈网格节点划分形态的非锚固储罐有限元模型，接收输入的所述有限元模型的边界条件和载荷参数，采用预设算法根据接收到的边界条件和载荷参数对有限元模型进行求解获得求解结果，根据求解结果生成变化后的非锚固储罐有限元模型并显示，同时根据求解结果进行应力分析获得分析结果并显示，解决了现有简化模型与实际不符的问题，提高了模拟的准确性和评价结果的科学性。在本发明的描述中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述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：依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，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精神和范围。当前第1页12