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爆炸作用下组块结构的强度有限元分析

发布于:2021-10-09 19:15
有限元分析

       近年来海洋平台上部结构的爆炸和火灾工程研究表明,由爆炸引起的爆炸荷载在以前被低估了,在许多情况下,这些荷载在实际设计过程中并未被考虑。因此,爆炸风险可能比预先想象的要严重得多。在海洋平台结构上发生的爆炸主要是气体爆炸,气体爆炸是由于预先混合的燃料和气体燃烧引起的压力急剧增加的过程。爆炸的强度(爆炸荷载)可以通过其最大压力来归类。如最大压力小于20 kPa,可认为是“轻微爆炸”;当最大压力超过200 kPa时,则认为是“剧烈爆炸”。在有些组块中,由于其所处环境的特殊性,如离压缩机较近,附近有大型储油、储气罐等,这些设施有很大的意外爆炸风险,若在结构设计过程中未考虑爆炸这一偶然荷载的作用,后果不堪设想。因此,对组块结构进行整体和局部的防爆分析是非常必要的。组块结构中的防爆墙墙体和围护、支撑结构在以往的项目中都有较为成熟的设计经验,但对整个组块的防爆分析却较为少见,或者没有进行过整体校核,本文在基本理论推导的基础上,对组块结构动力响应进行有限元分析计算,并与准静力法计算结果进行对比,得到了较为一致的结果,对今后的设计工作具有一定的参考作用。
       爆炸作用下海洋平台结构的强度分析,应首先确定爆炸过程中施加在结构上的荷载,绘制出压力-时间曲线。爆炸产生的荷载取决于多种因素,如释放的碳氢化合物的种类和体积、通风条件、缓解措施等。爆炸可能引起两种荷载,余压和拖曳荷载,在进行平台上部设施的抗爆设计时,这两种状态都应予以考虑。余压往往决定着诸如防爆墙和地板/屋顶系统的结构设计。拖曳荷载是由爆炸产生的气浪引起的,对平台结构的整体影响较小。除爆炸荷载外,还应将实际固定荷载、活荷载和储存荷载的最合适的估计值作用于结构,爆炸分析时可忽略环境荷载的作用。
       由于在一个荷载历时内DLFmax通常与反应的第一个峰值相对应,而且计入阻尼后也不会显著降低这个值,所以只在一个荷载历时后,即t>td时考虑阻尼的影响。图3~6是爆炸荷载持续时间为0.1s,结构自振周期(Tn)分别为0.005s、0.02s、0.1s和0.5s时的位移响应,对比图中结果后可发现:
       (1)在相同的荷载持续时间内,结构的最大位移响应与其自振周期有关,随着Tn的增大,DLF逐渐增大,在结构自振周期与荷载持续时间相等时达到最大为1.508,而后DLF又有减小的趋势。
       (2)当结构自振周期非常小时,其位移响应曲线与荷载-时间曲线变化一致或大致相近,如图3、4,因此,对可简化为单自由度的结构如防爆墙墙体及其斜撑,由于自振周期非常小,可直接进行准静力分析,计算动力荷载系数DLF(此时yst即最大爆炸压力作为静力产生的挠度),得到最大动力应力。结构固有周期远小于荷载持续时间时,考虑动力荷载系数便可得到最大动力应力与静力应力的比值(此时的静力为最大爆炸压力);当整体结构为多自由度体系,且结构固有周期接近或大于荷载持续时间时,此时准静力法已不再适用,应进行线性或非线性的动力分析。组块结构由于结构形式复杂,瞬态动力分析计算量大,其动力响应一般由有限元App来完成。


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