一种基于代理模型的覆土储罐性能评定方法

本发明属于覆土储罐的性能评定，涉及一种基于代理模型的覆土储罐性能评定方法。

背景技术：

1、随着时代的发展，化工行业发展迅速，储罐作为一种可以存储易燃易爆的气体或液体的设备，为后续工作提供了能源供给保障，故承担着重要的作用，但地上储罐在受到高温、高压等极端恶劣环境，会发生泄露、爆炸，爆炸的冲击波及爆炸后的碎片甚至会影响到周边的储罐，引发一系列的连环爆炸。

2、为了避免以上缺陷，覆土储罐应运而生，由于覆土储罐放置于土壤之中，有效抑制了冲击波及碎片扩散带来的负面影响，同时还能够提高土地利用率，解决目前城市土地紧缺的问题。但覆土储罐作为压力容器，需要防止塑性垮塌失效，所以覆土模式下的性能评定十分重要。对此，杨国强等人(压力容器,2018,35(06):36-45)基于有限元分析的基础上，对lpg覆土储罐的工况进行了确定，对所设计工况罐体结构进行了防止塑性垮塌评定。但是，现有研究根据eemua190标准中的等效法计算确定罐体上部载荷以及等效土弹簧的形式确定罐体下部载荷，对于体积较大的覆土储罐来说，由于土壤的分布不均匀，没有考虑罐体和土壤的接触关系，该方法会造成一定的误差；其次，覆土储罐在实际使用中，内部充装介质的量和温度是一个动态变化的过程，需要对所有工况的性能进行评定来保证使用过程中的安全性，现有研究对特定工况的评定不能满足该需求。

3、本发明在这个基础上提出了一种基于代理模型的覆土储罐性能的评定方法，结合有限元分析、传感装置、代理模型技术，通过对覆土储罐节点信息的处理，保证了载荷施加的准确性，实现了覆土储罐在所有工况中的快速性能评定。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的问题，本发明提供一种基于代理模型的覆土储罐性能评定方法。首先通过采样方法确定传感装置的布局，基于传感装置数据确定有限元分析的边界条件，对覆土储罐进行有限元分析；其次，在有限元分析的基础上，选择合适的工况，构建工况节点应力计算代理模型，获取覆土储罐的节点坐标及节点应力；最后，根据节点编号提取出其中的表面节点坐标，基于代理模型重构覆土储罐表面，同时根据节点编号提取其中的表面相应节点坐标的节点应力，搜索得到应力最大的节点，由节点编号确定节点重构表面的位置，进而可得到表面上该点处的法线方向，搜索该路径上覆土储罐节点坐标及应力信息，通过公式求得薄膜应力及弯曲应力，由此实现覆土储罐的快速性能评定。

2、为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

3、一种基于代理模型的覆土储罐性能评定方法，包括以下步骤：

4、步骤1，确定土载荷的采样方案，具体的：

5、1.1)建立覆土储罐的土载荷计算模型，所述土载荷计算模型可以用有限元方法基于市面上成熟的有限元仿真软件得到；采样的方法采用拉丁超立方采样方法；初始采样方案设计变量为三个，分别笛卡尔坐标系下的距离x、距离y和距离z，其采样点的个数由所能承担的成本决定；

6、1.3)对土载荷计算代理模型进行误差评估：

7、若误差不合格，则用序列采样方法更新所述初始采样方案得到新的采样方案，再重复上述步骤，所述序列采样方法采用最大改善概率方法；

8、若合格，则确定采样方案为最终采样方案，并对数据进行保存。

9、所述的误差评估合格的条件为：采用决定系数r2来检验是否合格，r2通常在[0，1]范围内变化，值越接近1，说明精度越高，值越接近0，则说明精度越低。

10、步骤2，确定传感装置的布置，具体的：

11、传感装置的布置包括土载荷传感装置、温度传感装置、压力传感装置、数据采集器和工控机。将土载荷传感装置按第一步的采样方案的采样点位置安装在覆土储罐上；温度传感装置安装在覆土储罐内部及外部各一个，分别监测土壤温度及储罐内部温度；压力传感装置安装覆土储罐内部一个，监测充装介质的压力。将传感装置分别通过数据线与数据采集器连接，通过数据线将数据采集装置与工控机连接，数据采集器将传感装置监测得到的数据传至工控机，并按时间顺序保存。

12、步骤3，确定覆土储罐有限元分析边界条件，具体的：

13、由于覆土储罐受到外表面土载荷、内部介质充装压力、自身重量及温度的作用，因此其受到的载荷包括：外表面土载荷，温度载荷t、自重载荷g、内部介质充装压力载荷p。

14、所述外表面土载荷包括法向土载荷n和切向土载荷t1、t2，以最终采样方案采样坐标点(x,y,z)为输入，以该点处的采样坐标处土载荷传感装置测得的覆土储罐土载荷为输出，建立土载荷预测代理模型，计算得到覆土储罐外表面的土载荷，其中土载荷计算代理模型采用径向基函数的方法；

15、所述温度载荷t通过温度传感装置测得，包括土壤与覆土储罐接触的表面温度，覆土储罐充装介质时内部的温度；

16、所述自重载荷g是由覆土储罐的自身结构引起的，重力加速度为9.8m/s2；

17、所述内部介质充装压力载荷p通过压力传感装置测得。

18、步骤4，对覆土储罐进行有限元分析，确定有限元分析的工况方案，构建工况节点应力计算代理模型，具体的：

19、对于覆土储罐所受到的温度和内部介质充压是变化的，故工况有无穷多种，如果对所有工况进行有限元分析，将耗费大量的时间和人力，故需要确定有限元分析工况，以较少工况有限分析实现所有工况的结果预测。

20、4.1)首先，建立覆土储罐节点应力计算模型，所述覆土储罐节点应力计算模型可以用有限元方法基于市面上成熟的有限元仿真软件得到；

21、4.2)其次，对工况的采样方法采用拉丁超立方抽样，初始工况方案设计变量为储罐外部温度载荷ta、储罐内部温度载荷tb、内部介质充装压力载荷p，以有限元分析后得到最大应力为输出，以覆土储罐节点应力计算模型得到节点最大应力为输出，构建最大应力计算代理模型，其中最大应力计算代理模型采用径向基函数的方法；

22、4.3)采用步骤4.1)得到的覆土储罐节点应力计算代理模型得到初始工况(ta,tb,p)下的节点最大应力，并对步骤4.2)构建的最大应力计算代理模型进行误差评估；

23、若误差不合格，则用序列采样方法更新初始工况方案得到新的工况方案，再重复上述步骤，所述序列采样方法采用最大改善概率方法；

24、若误差合格，则确定当下工况方案为最终工况方案。

25、所述的误差评估合格的条件为：采用决定系数r2来检验是否合格，r2通常在[0，1]范围内变化，值越接近1，说明精度越高，值越接近0，则说明精度越低。

26、4.4)以步骤4.3)确定的最终工况方案工况(ta,tb,p)为输入，以覆土储罐节点应力计算模型计算得到所有节点的节点应力为输出，建立工况节点应力计算代理模型，计算得到不同工况下覆土储罐的节点应力；其中，工况节点应力计算代理模型采用径向基函数的方法，并对其工况下节点应力数据进行保存。

27、步骤5，根据节点坐标及节点应力得到节点法向路径，具体的：

28、采用步骤4.4)工况节点应力计算代理模型可得到所有工况下的所有节点应力；通过步骤4.1)的节点应力计算模型可以确定表面节点的相应坐标，根据相应坐标可以得到工况下表面相应节点的节点应力；根据表面节点坐标，以坐标x、坐标y为输入，坐标z为输出，构建表面拟合计算代理模型，最终由表面拟合计算代理模型可以得到任意节点处的法线路径。该步骤中，在对覆土储罐表面拟合时，在保证精度的同时，表面拟合计算代理模型的形式越简单越好，代理模型中的多项式响应面法可以很好地满足这一要求。

29、步骤6，对覆土储罐的性能评估，具体的：

30、对步骤5得到的工况下表面相应节点应力排序得到表面节点最大应力，同时确定该节点坐标，根据表面拟合计算代理得到该节点处的法线方向，由步骤4.4)工况节点应力计算代理模型可以得到该路径上的节点应力，对储罐法线方向路径应力线性化处理，求得应力路径上的薄膜应力及弯曲应力可以对储罐性能评定。

31、本发明相对于现有技术取得了以下有益效果：

32、本发明基于有限元分析的基础上对传感装置布置应用代理模型得到土载荷，保证了传感装置布局的合理性，同时相较于理论土载荷加载保证了加载的准确性；实现了在任意工况下的性能评定，避免了有限元分析的操作复杂性，能够满足在使用过程中性能评定的需求，实现实时的监测。