基于向量式有限元的爆炸作用下大型钢储罐结构破坏分析

Large steel tanks are widely used for the storage of petroleum, LNG and other flammable explosive substances. The detonation of these explosives will generate high intensity shock waves within a short time, leading to serious damage of tanks and catastrophic consequences. Traditional finite element method is usually difficult to achieve satisfactory results for the failure analysis of steel tanks under blast loading which involves structural behavior prediction and whole-process simulation, while vector form intrinsic finite element (VFIFE) is a new method especially suitable for the analysis of strongly nonlinear and discontinuous mechanical behaviors such as large deformation, large displacement, collision, fracture, fragmentation, collapse and so on. Based on the VFIFE method, this project will first establish the basic theory for the nonlinear dynamic analysis of thin shell structures, including the theoretical formulas and effective algorithms of the thin-shell VFIFE element, the material constitutive model and the element rupture and fragmentation behavior. A set of computer program for the nonlinear dynamic analysis of thin shell structures will then be developed, which can realize the dynamic response analysis and whole-process failure analysis of thin metal shells under blast loading. Through systematic numerical simulation and necessary model experiments, the inherent law of dynamic response and the evolution mechanism of failure behavior will be explored for large steel tanks under blast loading, which provides scientific basis for explosion resistant design of steel tanks. This project will promote the theory development and practical application of VFIFE, and provide a new effective method for the dynamic whole-process failure analysis of thin metal shell structures.

大型钢储罐广泛应用于石油、液化天然气等易燃易爆物的储存，一旦起火爆炸，短时间内产生的巨大冲击波将造成储罐的严重破坏并带来灾难性后果。传统有限元法对于涉及结构行为预测和全过程模拟的储罐结构爆炸破坏分析往往难以得到理想结果，而向量式有限元正是为解决结构大变形、大变位、碰撞、断裂、破碎、倒塌等强非线性和不连续力学行为应运而生的。本项目以向量式有限元为基本工具，建立一套薄壳结构非线性动力分析基本理论，包括薄壳单元、材料本构、破裂破碎的理论公式与有效算法；开发一套薄壳结构非线性动力分析程序，实现金属薄壳结构在爆炸冲击荷载作用下的动力响应分析和破坏全过程分析；通过系统的数值模拟和必要的模型实验，揭示大型钢储罐结构爆炸响应的内在规律以及爆炸破坏的演变机理，为储罐结构的抗爆设计提供科学依据。本研究将推动向量式有限元的理论发展与工程应用，并为金属薄壳结构的动力破坏全过程分析提供一种新的有效方法。

本项目首先建立了基于向量式有限元的薄壳结构非线性动力分析基本理论。分别推导了三角形膜单元、离散Kirchhoff理论三角形薄板单元、三角形薄壳单元及实体单元的向量式有限元基本公式；引入了可同时考虑应变硬化和应变率效应的Cowper-Symonds黏塑性材料本构模型；推导了处理薄膜结构及薄壳结构的屈曲、碰撞、断裂和穿透等复杂不连续行为的理论公式与有效算法；编制了薄膜结构及薄壳结构静动力分析、屈曲分析及碰撞、断裂和穿透行为分析的向量式有限元程序，可实现金属薄壳结构在爆炸冲击荷载作用下的动力响应分析和破坏全过程分析。本项目研究推动了向量式有限元的理论发展与工程应用，为薄膜结构和金属薄壳结构的复杂行为分析提供了一种新的有效方法。.通过数值模拟和模型试验揭示了大型钢储罐结构爆炸响应的内在规律以及爆炸冲击破坏的演变机理。利用计算流体动力学软件FLUENT建立了模拟密闭容器内部可燃气体爆炸过程的数值模型；基于数值仿真平台ANSYS Workbench实现了内部可燃气体爆炸作用下储罐结构动力响应的双向流固耦合分析；通过霍普金森杆冲击试验和落锤冲击试验研究了薄壁圆柱壳在冲击荷载下的动力响应和破坏模式；利用自编向量式有限元程序及显式动力分析软件LS_DYNA，系统分析了爆炸及冲击荷载作用下大型钢储罐的受力性能及破坏机理。本项目研究为钢储罐结构的抗爆分析与设计提供了有效方法与科学依据。.此外，本项目还首次对实际储罐中常见的高径比仅0.275的低矮型圆柱壳分别进行单罐及考虑群体干扰效应的风洞试验和数值模拟，揭示风荷载分布规律；通过非线性有限元分析系统考察大型钢储罐在风荷载作用下的静动力屈曲性能，揭示其风致屈曲机理。项目成果为大型储罐的抗风分析与设计提供了重要依据。.