基于伏图的LNG储罐模块开发与应用
一、背景介绍
LNG储罐是整个LNG产业链中的核心装备，其设计建造工艺复杂、造价高昂，是能源领域中的尖端技术之一，长期由国外几家大型LNG工程公司所垄断。
作为国内LNG行业的领军企业，中海油始终致力于提升我国LNG全产业链的设计、建造、管理和运营能力，带动国内LNG行业优化升级。在LNG储罐技术体系中，数值模拟分析方法是一项核心支撑技术。为了建立大型LNG储罐技术体系，避免“卡脖子”的被动局面，中海油气电研发中心亟需能够满足LNG储罐设计研发的仿真工具。
图 1 大型LNG全容储罐构成二、LNG储罐模块开发
中海油气电研发中心与云道智造合作，采用“平台+应用”的模式，基于云道智造研发的通用多物理场仿真PaaS平台伏图，面向大型LNG储罐数值分析的需求进行功能增强和行业知识集成，形成高度专业化、自动化的大型LNG储罐有限元分析模块。
在基础功能增强方面，云道智造技术团队开展了全面的功能对比测试，从单元、典型案例、小规模工程模型、大规模工程模型等不同层次开展对标分析，根据分析结果和LNG储罐仿真场景需求，对基础功能进行了全面加强和优化，包括增加用于模拟混凝土加筋的钢筋单元、模拟混凝土浇筑过程的单元生死算法、针对大模型加载效率的调优等。
图 2 通用功能增强和优化在行业知识集成方面，基于伏图提供的SDK开发环境和Python脚本接口，集成大型LNG储罐的参数化模型、工况条件以及校核规范算法，形成了常规外罐分析校核系统、内罐分析校核系统、穹顶分析校核系统和吊顶分析校核系统四个主要子系统，实现对LNG储罐的高度自动化仿真建模与分析。
图 3 软件主界面同时为了提升软件的易用性和专业性，集成了LNG储罐建模所需的仿真材料库、型材截面库等工程数据库，方便工程人员使用。
图4 定制化界面在实际工程案例中，其线性计算结果与对标值的偏差均在5%以内，非线性计算结果偏差均在10%以内，精度与效率表现非常优秀。
图 5 计算结果三、应用实例分析
为了验证软件平台的计算精度和可靠性，建立1: 35的27万方LNG储罐有限元模型，结合LNG储罐设计中的载荷工况进行有限元仿真分析，通过对比试验数据，对仿真结果的精度进行验证。
1.有限元建模
LNG储罐的主要结构形式包含罐壁、罐顶、内罐和松软粉体四部分，仿真和实验模型的尺寸将按照27万方的LNG储罐原型由1:35的相似比确定，初步确定实验模型的主要参数如下：
1) 结构尺寸：外罐外径2.9m，内径2.5m，高度2m；内罐内径1.8m，高度1.5m；
2) 构件厚度：承台0.3m，墙体及穹顶0.2m，内罐钢板5mm，基础钢板厚度10mm；
3) 液体高度：0.75m。
本文模型与原型罐取相同材料，混凝土型号为C50，钢筋型号为HRB400。
图 6 试验储罐结构示意图根据近似的量纲分析法，模型和原型的相似关系见表1。
根据大型LNG储罐的几何参数，在软件平台上建立LNG储罐的有限元模型。内罐、松软粉体、外罐（包括承台与穹顶）和桩基均采用3D实体建模，并用三维20节点六面体单元Hex20（温度载荷工况采用THHex20单元）划分网格。
图 7 大型LNG储罐有限元模型
有限元建模过程中，输入的材料性能与试验所用材料一致，见表2。
对测量位置进行标识，提取各工况下仿真计算结果与试验测量数据进行对比。
图 8 测量点位置标识2.穹顶集中力试验仿真
模拟穹顶集中力试验时，建立外罐和桩基模型，外罐底面与桩基采用点面绑定的方式连接，桩基底部面固定，在穹顶中心半径为0.2m的区域内施加压力载荷，压力值根据集中力及加载区域面积等效计算。其中，集中力分别取100kN和500kN。分别提取YB-1、YB-2测量点处Mises应力和WY-1处z向位移仿真与试验结果进行对比，见表3。
对比结果表明，在不同集中力工况下，绝大多数测点处应力的仿真结果与试验数据误差均能够控制在10%以内，计算精度满足工程要求。z方向位移最大误差控制在5%左右，计算精度较高。图10显示了储罐在500kN集中力下的Mises应力和z向位移分布情况。
图 9 500kN集中力作用下储罐的Mises应力及z方向位移分布
3.时程地震试验仿真
时程地震试验仿真在外罐+桩基+内罐模型上进行。选取单向激励的El Centro地震波加载，地震波时间和加速度幅值根据相似理论确定。在桩基底面施加x方向的加速度激励，见表4，并在JSD-1~JSD-4四点测量加速度响应。
图10对比了储罐在El Centro波单向激励下的仿真与试验结果曲线。
图 10 储罐El Centro波单向激励下仿真结果与试验加速度时程对比
对比仿真结果和试验结果，可以看到各工况下加速度时程曲线趋势一致，吻合较好，表明仿真结果的精度可以满足要求。
四、关于伏图
伏图（Simdroid）具备固体力学、流体力学、电动力学、热力学等通用求解器，支持多物理场耦合仿真。在统一友好的环境中为仿真工作者提供前处理、求解分析和后处理工具。同时，作为仿真PaaS平台，其内置的APP开发器支持用户以无代码化的方式便捷封装参数化仿真模型及仿真流程，将仿真知识、专家经验转化为可复用的仿真APP。
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