刘梦琦1，张禹龙2，周亚云1
(1.中国石油大学(北京)，油气管道输送安全国家工程实验室，城市油气输配技术北京市重点实验室，北京 102249；2.北京中航油工程建设有限公司，北京 100621)
摘要：大型金属储罐易遭受风灾破坏，有必要对储罐的抗风稳定性进行深入研究。文中介绍了研究风压在储罐上分布的风洞试验方法和数值模拟方法，分析了二者的优缺点和研究现状。介绍了用来研究储罐在风荷载作用下稳定性的风致屈曲分析方法。比较了2种常用有限元软件(ABAQUS和ANSYS)的特点及适用条件，为储罐的抗风设计提供参考。
关键词：金属储罐；风洞试验；数值模拟；风致屈曲；有限元
金属储罐趋于大型化，罐半径与壁厚之比较大，造成储罐刚性减弱和抵抗风荷载的能力下降。大型浮顶储罐要发挥其长期储备石油的作用，必须具有稳定的结构和良好的安全性能[1]。否则，一旦失稳发生泄漏，将造成重大的经济损失，甚至引起严重的环境污染[2]。
目前，储罐的抗风设计主要参考API 650《钢制焊接油罐》[3]、BS 2654《石油工业立式钢制焊接油罐》[4]、JIS B8501《钢制石油贮槽的构造》[5]和BS EN 14015《在室温及高于室温下液体储存用平底立式圆柱形现场建造的地面上焊接钢储罐的设计和制造规范》[6]，GB 50341《立式圆筒形钢制焊接油罐设计规范》[7]。
总体上看，这些设计标准针对大型储罐风力稳定性的设计要求不够详细[8]，不能实现既安全又经济的设计目标。虽有学者引入有限元方法研究储罐的抗风性能，但主要集中在抗风结构的设计上[9]，缺乏对大型储罐的风荷载与风力稳定性的深入研究，尚不能应用于工程实践。
本文系统地介绍了储罐风压分布和风致屈曲的研究方法，分析了各种方法的特点及研究现状，为大型储罐的抗风研究提供参考。
确定风压在储罐上的分布主要有现场实测、风洞试验和数值模拟3种方法[4]。现场实测是最直接的研究方法，但由于它耗时费力、成本高，并且无法在储罐建设之前进行研究，多用来检验和修正风洞试验和数值模拟的结果。目前，国内主要采用以风洞试验为主、数值风洞模拟为辅的方法研究储罐上风压的分布规律。
1.1 风洞试验
20世纪60年代起，专家学者们开始通过风洞试验来研究储罐表面的风荷载及储罐的抗风稳定性能。1965年，中国科学院力学研究所以5万m3浮顶油罐为原型进行风洞试验，由于当时试验条件限制，风场按照层流进行模拟，没有考虑湍流的影响[10]。经过几十年的发展，风洞试验在技术上得到了很大突破。2005年，G. Portela和L. A. Godoy[10]等以加勒比海岸的典型油罐为原型进行了储罐的风洞试验，获得了结构表面的风压分布规律并拟合了储罐罐壁风压系数的近似公式[11]。2012年，安永隼平等研究了高径比为0.25～1.0的一系列浮顶罐的风压分布规律及其时空相关性，并对风荷载的瞬时特性进行了分析，提出了钢储罐风荷载的取值建议。但是，现有的研究很少涉及工程中广泛应用的10万m3及更大容量的低矮型储罐，随着储罐高径比的变化，其表面的风场绕流特性也随之发生显著变化，这对储罐的安全性能和抗风设计具有重要的影响，需要进一步研究。
目前，湍流特性、雷诺数的模拟和风洞的边界效应是风洞试验的难点，也是影响试验结果可靠性的重要因素。近几年，一种“自修正风洞技术”逐渐发展起来。这种风洞采用弹性材料壁面，在试验过程中，利用计算机模拟真实储罐壁面处的流线形状，调整试验段的壁面与之逼近，可以减小风洞试验的边界干扰影响。但由于风洞试验仍然存在着“雷诺数效应”或“缩尺效应”问题，还需要深入研究如何将试验结果用于实际的工程设计。
1.2 数值模拟
20世纪80年代，数值模拟方法开始进入风工程领域，最初只能模拟均匀场中简单的圆柱绕流问题。随着湍流模型的建立与发展，数值模拟方法被用来解决紊流场中复杂的钝体绕流问题并应用于储罐的抗风研究。2011年，O. A. Falcinelli等[12]对油罐的风荷载进行数值模拟，并考虑了地形对储罐风荷载的影响，结果表明，与低海拔储罐相比，位于较高海拔的储罐的风荷载压力系数显著增大，并且风荷载沿周向的分布规律也有很大改变。2014年，林寅[13]使用Fluent软件对10万m3钢储罐进行数值风洞仿真模拟，研究了大型浮顶罐的风场绕流特点和风荷载分布规律。虽然数值模拟发展的时间并不长，但是伴随着计算机技术的发展，将逐渐成为储罐抗风研究的重要方法。
经过多年的发展，数值模拟己经从基础研究逐渐步入到实际应用的阶段。但研究工作主要针对储罐周围的稳态流场，风荷载数值模拟计算结果的可靠性还有待探究。在国内以往的数值风洞模拟研究中，通常简单地将风洞试验的数据或者现场实测数据直接用来定义来流边界条件，导致模拟结果误差较大。近年来，一些学者提出了满足平衡边界层的边界条件和湍流模型选择，使得结果的误差得到了有效控制[14]。但由于钝体绕流问题相当复杂，其数值解的收敛性难以得到保证，现有的湍流模型尚存在一些不足，亟待开发更稳定、高效的算法并进一步完善湍流模型。
储罐风致屈曲方面的研究起源于20世纪60年代，随着有限元理论和计算机技术的进步而迅速发展。2000年，C. M. D. Julio[15]以Puerto Rico岛上的钢储罐为原型，模拟了不同风荷载条件下储罐的结构响应、破坏模态和屈曲机理。2007年，马昌恒[13]对大型钢储罐结构进行风致静力屈曲分析，并且考虑了重力、初始缺陷等对临界风压的影响。2013年，赵阳等[16]对大型浮顶罐进行了风致屈曲研究，分别采用线性屈曲、几何非线性屈曲、材料非线性屈曲等方法，研究了储罐在空罐和满液状态下的抗风稳定性。除了采用静力稳定分析方法以外，R. J. Holroyd发现浮顶罐在风荷载作用下的结构静力响应和其随机振动响应的差异很大，提出储罐在脉动风作用下可能发生动力失稳破坏，需结合动力稳定方法进行分析[17-18]。由于规范中针对大型钢储罐风力稳定性的设计要求并不详细，设计参数偏于保守，不能确保建造的经济性，因此对储罐的风致屈曲行为还需进行系统深入的研究。
2.1 储罐风致静力屈曲
尽管储罐实际承受的风荷载是随时间变化的，但在一般的简化计算中，可以首先进行静风作用下储罐的稳定性分析，计算储罐在平均风荷载下能承受的临界屈曲荷载。静风作用下储罐的稳定性能是脉动风作用下储罐稳定行为研究的基础，对储罐的风致动力屈曲分析也能得出其等效静风荷载，以方便应用。
2.2 储罐风致动力屈曲
在研究储罐的抗风稳定性时，风荷载的动力扰动因素不容忽视，需要对储罐进行风致动力屈曲分析。储罐的风致动力屈曲分析相对复杂，需要解决风压随时间的变化形式、动力稳定性准则及储罐的阻尼问题[19]。现行的储罐抗风设计规范采用静风荷载进行设计，没有考虑风荷载和脉动效应，虽然减少了计算量，但是缺少必要的试验验证或实测报道。因此，大型储罐的风致动力屈曲还有待深入研究。
2.3 风致屈曲研究软件
ABAQUS和ANSYS是风致屈曲分析使用的2款有限元软件。2012年，魏化中和张占武[20]利用ANSYS对10万m3无液储罐进行了模拟，选用SHELL181单元离散模型，对4种径高比的浮顶罐进行了特征值屈曲分析，采用求解非线性静态屈曲问题的弧长法，对有圆度缺陷的储罐进行了非线性屈曲分析，并从荷载-位移曲线上得到了屈曲临界压力[19]。2013年，王喆[1]利用ABAQUS对10万m3的变壁厚储罐进行了模拟，建模时使用平面对整体切割操作后定义厚度，选用S4R单元离散模型，研究了不同高径比和径厚比下储罐的风致屈曲特性，并模拟了不同液位高度下储罐风致屈曲的变化特性。2014年，林寅[13]利用ABAQUS对10万m3储罐进行了静风屈曲和风振屈曲分析，选用S8R5单元离散模型，考虑了储罐的群组效应，结果表明群体效应会显著影响浮顶罐内表面风压分布，降低储罐的承载力。
从上述研究来看，在ANSYS和ABAQUS应用中，都使用了弧长法求解非线性屈曲问题，计算失稳点或极限载荷点，追踪储罐的前屈曲路径和后屈曲路径，由于该方法可以避免载荷控制的快速通过和位移控制的快速折回，是分析高度非线性屈曲失稳问题的重要方法[19]。
ABAQUS能自动选择相应载荷增量和收敛限度，并且连续调节参数以保证在分析过程中有效地得到精确解，可以更好地解决非线性屈曲问题，在大型储罐的风致屈曲模拟过程中，ABAQUS计算速度更快，结果更容易收敛。ANSYS运行时间相对较长，但是它的前处理功能可以很好地解决大型储罐模型在ABAQUS中建模困难的问题，也得到了广泛的应用。
(1)对储罐风压分布研究，国内主要采用风洞试验和数值模拟方法，并结合现场实测数据和实际经验进行检验。
(2)风致屈曲分析用来研究储罐在风荷载作用下的稳定性，确定储罐失稳的临界风压，分析屈曲模态的变化。对于存在初始缺陷的储罐，应进行非线性屈曲分析。在掌握储罐在静风荷载作用下的抗风稳定性的基础上，还应该考虑风荷载的脉动作用。
(3)储罐内油品液位越高，其抵抗风荷载的能力越强，但是过高的液位会导致储罐底部发生屈曲，因此有必要研究与风压等级相对应的罐内液位高度来抵御风荷载。
(4)目前风洞试验的模拟对象均为季风等常态风，而大型储罐多建于沿海地区，经常遭到台风侵袭，试验结果对于台风、雷暴风等非常态风条件是否普遍适用还有待研究。
(5)现有的抗风研究多针对罐壁设计展开，而对外浮顶罐而言，浮盘极易在风雨共同作用下发生失稳甚至造成沉盘，需要加强浮盘抗风安全研究。
参考文献：
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Research Status and Analysis of Large Floating Roof Tank Wind Resistance
LIU Meng-qi1, ZHANG Yu-long2, ZHOU Ya-yun1
(1.China University of Petroleum (Beijing),National Engineering Laboratory for Pipeline Safety, Beijing Key Laboratory of Urban Oil and Gas Distribution Technology, Beijing 102249, China； 2. Beijing Aviation Oil Construction Limited Company, Beijing 100621, China)
Abstract：Large metal storage tanks is vulnerable to storm damage , it is necessary to conduct the thorough research to the wind resistance stability of the tank. Wind tunnel test and numerical simulation method to study the wind pressure distribution of tanks were introduced. The advantages and disadvantages and research status of the two methods were analyzed. The wind-induced buckling method used to study the stability of tank under wind load was illustrated. The characteristics and applicable conditions of the two common finite element softwares ABAQUS and ANSYS were compared to provide reference to wind resistance design of the tank.
Keywords：metal storage tanks; wind tunnel test; numerical simulation; wind-induced buckling; finite element
收稿日期：2016-01-25
中图分类号：TE8
文献标识码：A
文章编号：1004-9614(2016)06-0023-03
作者简介：刘梦琦(1991—)，硕士研究生，主要从事大型储罐安全技术研究。E-mail：lmq2014yjs@163.com
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