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        爆炸作用下組塊結構的強度有限元分析

        發布于:2021-10-09 19:15
        有限元分析

               近年來海洋平臺上部結構的爆炸和火災工程研究表明,由爆炸引起的爆炸荷載在以前被低估了,在許多情況下,這些荷載在實際設計過程中并未被考慮。因此,爆炸風險可能比預先想象的要嚴重得多。在海洋平臺結構上發生的爆炸主要是氣體爆炸,氣體爆炸是由于預先混合的燃料和氣體燃燒引起的壓力急劇增加的過程。爆炸的強度(爆炸荷載)可以通過其最大壓力來歸類。如最大壓力小于20 kPa,可認為是“輕微爆炸”;當最大壓力超過200 kPa時,則認為是“劇烈爆炸”。在有些組塊中,由于其所處環境的特殊性,如離壓縮機較近,附近有大型儲油、儲氣罐等,這些設施有很大的意外爆炸風險,若在結構設計過程中未考慮爆炸這一偶然荷載的作用,后果不堪設想。因此,對組塊結構進行整體和局部的防爆分析是非常必要的。組塊結構中的防爆墻墻體和圍護、支撐結構在以往的項目中都有較為成熟的設計經驗,但對整個組塊的防爆分析卻較為少見,或者沒有進行過整體校核,本文在基本理論推導的基礎上,對組塊結構動力響應進行有限元分析計算,并與準靜力法計算結果進行對比,得到了較為一致的結果,對今后的設計工作具有一定的參考作用。
               爆炸作用下海洋平臺結構的強度分析,應首先確定爆炸過程中施加在結構上的荷載,繪制出壓力-時間曲線。爆炸產生的荷載取決于多種因素,如釋放的碳氫化合物的種類和體積、通風條件、緩解措施等。爆炸可能引起兩種荷載,余壓和拖曳荷載,在進行平臺上部設施的抗爆設計時,這兩種狀態都應予以考慮。余壓往往決定著諸如防爆墻和地板/屋頂系統的結構設計。拖曳荷載是由爆炸產生的氣浪引起的,對平臺結構的整體影響較小。除爆炸荷載外,還應將實際固定荷載、活荷載和儲存荷載的最合適的估計值作用于結構,爆炸分析時可忽略環境荷載的作用。
               由于在一個荷載歷時內DLFmax通常與反應的第一個峰值相對應,而且計入阻尼后也不會顯著降低這個值,所以只在一個荷載歷時后,即t>td時考慮阻尼的影響。圖3~6是爆炸荷載持續時間為0.1s,結構自振周期(Tn)分別為0.005s、0.02s、0.1s和0.5s時的位移響應,對比圖中結果后可發現:
               (1)在相同的荷載持續時間內,結構的最大位移響應與其自振周期有關,隨著Tn的增大,DLF逐漸增大,在結構自振周期與荷載持續時間相等時達到最大為1.508,而后DLF又有減小的趨勢。
               (2)當結構自振周期非常小時,其位移響應曲線與荷載-時間曲線變化一致或大致相近,如圖3、4,因此,對可簡化為單自由度的結構如防爆墻墻體及其斜撐,由于自振周期非常小,可直接進行準靜力分析,計算動力荷載系數DLF(此時yst即最大爆炸壓力作為靜力產生的撓度),得到最大動力應力。結構固有周期遠小于荷載持續時間時,考慮動力荷載系數便可得到最大動力應力與靜力應力的比值(此時的靜力為最大爆炸壓力);當整體結構為多自由度體系,且結構固有周期接近或大于荷載持續時間時,此時準靜力法已不再適用,應進行線性或非線性的動力分析。組塊結構由于結構形式復雜,瞬態動力分析計算量大,其動力響應一般由有限元軟件來完成。


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