摘 要

球罐的主要功能是储存气体，液化气体等物质，它普遍应用于石油，化工等行业。和其他压力容器相比，球罐具有许多较为突出的优点。比如与同等容量，相同工作压力的圆筒形储罐相比，球罐具有较小的表面积，所需要钢板的厚度也较薄，因此耗钢量少，重量轻。除此之外，球罐还有易于制造，占地面积小、易于大型化和便于检修等好处。正是因为这些优点，再加上球罐结构简单、受到风载荷小、外形美观等因素，使得球罐在很多方面的使用获得了非常大的发展。

本文回顾了球罐的主要特点；介绍了球罐抗震分析在国内外的现状以及球罐设计的发展趋势；本文首先利用10000m³球罐的基本参数，通过ANSYS软件的建模功能建立球罐基本模型，然后利用ANSYS有限元分析软件对此球罐在操作工况和不同地震载状态下进行有限元分析，比较不同工况下球罐受到的影响，评定在比较恶劣的自然环境下10000m³球罐运行的安全性。最后通过ANSYS有限元分析软件从减少支柱尺寸、减少支柱数量和减小壁厚这三个角度对球罐结构进行优化分析，以得到最节约材料，又能保障球罐安全运行的最合理的参数。

关键词:球罐;ANSYS;抗震分析;优化分析

ABSTRACT

The spherical tank is mainly used for storage of gas, liquefied gas and other substances, widely used in petroleum, chemical industry, etc.. Compared with other pressure vessels, there are many outstanding advantages. Such as with the same capacity, the same working pressure of cylindrical tank, spherical tank with smaller surface area required, therefore the thickness of the steel plate is thinner, less steel consumption, light weight. In addition, there are spherical tank, easy manufacture, small footprint, easy maintenance and easy to large scale benefits. Because of these advantages, coupled with the spherical tank has the advantages of simple structure, subjected to wind load is small, beautiful appearance, etc. factors, makes spherical tank is applied to obtain a great development.

This paper reviews the main characteristics of spherical tank; the tank seismic analysis at home and abroad the status quo and development trend of the design of spherical tank; in this paper, the basic parameters of 10000m³ spherical tank, through the modeling function of ANSYS software to establish the basic model of spherical tank, then this spherical tank in operation condition and different seismic load by finite element analysis using ANSYS finite element analysis software, by comparing the different conditions of spherical tank, evaluation the safety of 10000m³ spherical tank operation under bad natural environment. Finally through the ANSYS finite element analysis software from reducing the pillar size, reduce the number of columns and decrease the wall thickness of the three angles of the spherical structure optimization analysis, to obtain the most economical materials and guarantee the safe operation of the spherical tank of the most reasonable parameters.

Key Words：Spherical tank; ANSYS; Seismic analysis; Optimization analysis

目 录

摘要 Ⅰ

ABSTRACT Ⅱ

第1章 绪论 1

1.1 球罐简介 1

1.1.1 球罐特点 1

1.1.2 球罐分类 1

1.2 球罐地震分析 2

1.3 选题目的与意义 2

1.4 本文研究内容 3

1.5 本章小结 3

第2章 地震响应分析方法 4

2.1 球罐地震响应分析 4

2.1.1 频谱分析法 4

2.1.1.1 频谱分析法 4

2.1.1.2 地震反应谱 4

2.1.1.3 设计地震反应谱 4

2.1.1.4 频谱分析法基本理论 5

2.1.1.5 地震分析研究现状 5

2.1.2 时程分析法 5

2.2 ANSYS软件介绍 6

2.2.1 分析类型 6

2.2.2 ANSYS的开发应用 7

2.2.3 ANSYS在压力容器行业的应用 8

2.3 本章小结 9

第3章 受内压球罐结构应力有限元分析 10

3.1 10000m³球罐结构参数介绍 10

3.1.1 基本参数 10

3.1.2 球壳设计 10

3.1.2.1 材料选用 10

3.1.2.2 球壳 10

3.1.3 球罐支柱与拉杆 10

3.2 有限元模型建立 11

3.3 网格划分 13

3.4 有限元分析结果 15

3.5 本章小结 16

第4章 球罐结构的地震分析 18

4.1 ANSYS的谱分析 18

4.1.1 ANSYS的谱分析类型 18

4.1.2 模态提取方法 18

4.1.3 振型组合方法 19

4.2 地震反应谱 19

4.3 10000m³球罐的地震载荷分析 20

4.3.1 边界条件及载荷描述 20

4.3.2 地震载有限元分析结果 20

4.4 地震载荷大小对比分析 23

4.5 本章小结 25

第5章 球罐结构优化设计 26

5.1 减少支柱数量 26

5.2 改变支柱尺寸 29

5.3 减小球罐壁厚 31

5.4 本章小结 31

第6章 总结 33

参考文献 34

致 谢 35

第1章 绪论

1.1 球罐简介

球罐的主要功能是储存气体，液化气体等物质，它普遍应用于石油，化工等行业。和其他压力容器相比，球罐具有许多较为突出的优点。比如与同等容量，相同工作压力的圆筒形储罐相比，球罐具有较小的表面积，所需要钢板的厚度也较薄，因此耗钢量少，重量轻。除此之外，球罐还有易于制造，占地面积小、易于大型化和便于检修等好处。正是因为这些优点，再加上球罐结构简单、受到风载荷小、外形美观等因素，使得球罐在很多方面的使用获得了非常大的发展。现在各个国家的科学技术水平越来越高，其生产球罐的水平也在不断进步。近些年来，大型球罐在石油化工等领域中有非常普遍的使用。例如：在石油化工等行业中，球罐的作用大多是储存液化石油气、液化天然气、城市煤气、压缩空气等物质。总而言之，现在工业发展的越来越快，球罐的也会在更多领域内得到应用。

1.1.1 球罐特点