圆柱形储水罐晃动模拟：Abaqus建模框架

液体储罐在供水系统和工业环境中有着广泛的应用。然而，地震对这些储罐造成的损害是一个重大挑战。地震期间储罐常见的损害之一是液体晃动导致的罐顶破裂。晃动是指地震事件中液体表面移动的现象。本项目使用ABAQUS软件对地面支撑的圆柱形储罐进行了晃动模拟。储罐经历了埃尔森特罗地震的加速度。ABAQUS晃动模拟包括计算瑞利阻尼系数和固有频率，采用ALE网格划分技术，并在ABAQUS中引入沙漏控制。我们提出了两种储罐晃动模拟方法：一种方法是假设水的粘度很低，另一种方法是假设水为无粘性流体并应用瑞利阻尼系数。为了验证模拟结果，我们建立了一个水箱模型，并将结果与以下论文中的结果进行了比较： “圆柱形地面储罐动态行为的参数化研究” *额外赠送：用于晃动模拟的参数化 Python 脚本* 购买此产品，即可获赠参数化 Python 脚本，并附有详细的 PDF 指南（如图库所示）。脚本启动时，您可以轻松定义尺寸、单元大小、地震记录位置、材料属性等参数。配置完成后，只需保存文件并在 Abaqus 中运行脚本即可。模型将自动生成，节省您的时间和精力，分析将立即开始。这样，您就可以专注于查看结果。.

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圆柱形储水罐晃动模拟：Abaqus建模框架

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1. 引言 | Abaqus 晃动模拟

地震地面加速度会使液体储罐的罐壁和罐底发生震动。由于流固耦合作用，这会影响罐内液体的运动。晃动是指地震期间液体在其自由液面上的运动。液体晃动的幅度可能很大，足以冲击罐顶并造成损坏。因此，我们必须仔细设计罐体自由高度，为液体晃动提供足够的空间，避免冲击罐顶。需要注意的是，自由高度是指罐壁高于液体自由液面的高度。数值模拟为储罐晃动模拟提供了一种经济高效且精确的方法，本项目对此进行了探讨。本项目重点研究了地面支撑圆柱形储罐的晃动模拟，并使用Abaqus软件进行了模拟。我们选取了埃尔森特罗地震中的水箱，并通过参考解验证了晃动高度。.

2. 储罐晃动模拟（PDF 文件）

在这个项目中，我们将向您展示如何分析受地震激励的地面支撑式混凝土圆柱形储罐的行为。在整个储罐晃动模拟过程中，参与者将熟悉许多重要方面，例如使用Us-Up模型、ALE自适应网格划分、质量缩放、定义地震加速度数据以及在Abaqus中使用沙漏控制进行水罐晃动模拟。.

我们在Abaqus中采用瑞利方程来定义系统的阻尼。瑞利阻尼系数是储罐固有频率的函数。因此，我们结合ACI标准中的公式来计算主要固有频率。由此可见，该项目不仅包括Abaqus中的储罐晃动模拟过程，还涵盖了材料属性计算的理论方面和基本公式。.

为了验证结果，我们将液体晃动高度随时间的变化与使用 ANSYS APDL 软件获得的参考解进行了比较，如论文中所述：“地面支撑圆柱形储罐动态行为的参数化研究”.

2.1 问题描述

为了验证水箱晃动模拟结果，我们选择了一个混凝土圆柱形水箱。图1展示了水箱的尺寸。.

图1：水箱的几何形状

为了与 ACI 标准和参考文献进行验证，本示例假设墙体为刚性结构，其弹性模量是普通混凝土的十倍。基于这些假设并根据参考文献，我们在 Abaqus 中定义了材料属性。.

如图2所示，储罐底部完全约束。我们对储罐及其底部施加了沿x轴方向的El-Centro地震加速度。为了验证储罐晃动模拟的有效性，模型中未包含地震加速度的垂直分量。.

图 2：储罐晃动模拟中应用于储罐和罐底的位移边界条件

2.2. 理论和基础关系

为了简化描述地震期间液体储罐的行为，人们开发了多种分析模型。这些模型可以计算诸如固有频率之类的参数。其中最著名的模型是Housner模型，该模型已被美国混凝土学会（ACI）标准采用。该模型将储罐的响应分为两个部分：对流分量和脉冲分量。对流分量代表液体的上部，而脉冲分量则代表储罐底部液体的响应。图3展示了Housner模型。.

图 3：豪斯纳模型

标准中提供了计算脉冲模态和对流模态固有频率的公式。我们在项目中详细讨论了这些公式。然后，我们计算了瑞利阻尼系数。和由以下等式得出。.

这里，, 和分别是脉冲部分和对流部分的阻尼比。. 和表示第一阶振动模态的频率。我们在Abaqus中考虑了材料属性的瑞利阻尼因子。.

1. 引言 | Abaqus 晃动模拟

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2. 储罐晃动模拟（PDF 文件）

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3. 工作坊（视频文件）：液体晃动模拟分步指南

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2.3 项目流程

储罐晃动模拟在 Abaqus CAE 中进行，无需 Python 脚本或 Fortran 子程序。为此，我们创建了一个标准/显式模型数据库。然后，我们逐步执行了储罐晃动模拟。.

综上所述，储罐晃动模拟程序如下：

设置软件环境并选择Abaqus单位
制造零件
定义材料和截面属性
在装配模块中创建模型实例
创建步骤、选择输出并应用 ALE 自适应网格划分设置
定义交互作用
应用边界条件和载荷
生成元素并分配元素类型
提交工作

您需要执行的是一般的储罐晃动模拟程序。然而，液体晃动是一个复杂的问题，在建模过程中需要考虑一些重要方面，我们将在下文中讨论这些方面。.

水行为模拟：主要挑战之一在于如何以简化的方式模拟水的行为。为了解决这个问题，我们在Abaqus CAE中使用了Us-Up模型，其中为了简化起见，假设水是不可压缩的。正如许多已发表的论文所述，这一假设对水箱晃动模拟的结果影响甚微。许多论文都假设水是不可压缩的，而另一些论文则赋予水极低的粘度值。本项目探讨了在Abaqus中考虑水的无粘性和低粘度两种情况。.
ALE自适应网格划分技术：地震期间，储罐内的液体可能会发生显著变形。这会给数值模拟储罐晃动带来挑战，因为网格质量可能会在求解过程中下降。由于圆柱形储罐的单元形状不规则，这个问题对于圆柱形储罐比矩形储罐更为严重。网格质量差会影响计算结果，甚至导致计算停止。解决此问题的一种方法是在Abaqus中使用任意拉格朗日-欧拉（ALE）自适应网格划分技术。该方法可在求解过程中自动提高网格质量。本项目将指导您如何在Abaqus中使用ALE技术进行储罐晃动模拟。.
利用沙漏控制：水是一种低粘度甚至无粘性液体。在 Abaqus 中定义低粘度材料时，沙漏力不足以抑制沙漏模式的出现。因此，在定义单元时必须使用沙漏控制。这样可以增加刚度，从而抑制沙漏模式的出现。本项目将逐步指导您如何在 Abaqus 中使用沙漏控制来模拟水箱中的液体晃动。.
总体流程：我们已经讨论了一些您在水箱晃动模拟过程中会遇到的挑战。然而，您可能还会遇到其他复杂情况，例如流固耦合、载荷和边界条件定义方面的困难。因此，我们在本软件包中包含一个研讨会，旨在提供使用 Abaqus 对地面支撑水箱进行晃动模拟的分步指南。该水箱是在 El-Centro 地震的水平加速度作用下进行分析的。我们希望这对您有所帮助。.

3. 工作坊（视频文件）：液体晃动模拟分步指南

在研讨会上，我们选择了一个圆柱形地面支撑水箱，模拟埃尔森特罗地震的水平加速度。研讨会通过视频提供了完整的逐步指导，以简化液体晃动的模拟过程。.

在视频中，我们使用了动态显式步骤，并定义了液体晃动所需的所有输出。然后，我们采用自适应网格划分技术来提高网格质量。接下来，我们以一种相对简单的方式定义了流体与结构之间的相互作用。之后，我们施加了边界条件和载荷，例如地震加速度、重力加速度和静水压力。此外，该研讨会将指导您完成网格划分过程，并考虑沙漏控制的应用。.

我们验证了Abaqus晃动模拟，以确保建模过程的准确性。为了进行验证，我们分析了一个水箱的行为，并提取了液体晃动高度随时间的变化。与参考文献一样，水箱晃动模拟仅考虑了El-Centro地震的水平分量。我们将所得结果与题为“圆柱形地面储罐动态行为的参数化研究”这篇论文是著名的圆柱形水箱晃动模拟研究项目之一。.

看看会很有帮助 Abaqus 文档 要理解为什么在没有任何辅助工具的情况下启动 Abaqus 仿真会如此困难 Abaqus教程.

需要注意的是，在使用 Abaqus 进行仿真时，务必注意输入数值的单位。没错！Abaqus 本身没有单位，但您输入的数值必须使用一致的单位。您可以了解更多相关信息。 Abaqus中的单位制。.

圆柱形储水罐晃动模拟：Abaqus建模框架有 1 个评价

评分 5 / 5

安东 – 2024 年 5 月 21 日

这个软件包非常有价值且实用。借助它，我能够全面学习如何模拟圆柱形水箱中的晃动，并就此主题进行精彩的演示。我对软件包的内容和质量都非常满意。.

此外，我对使用Python脚本进行这项模拟也很感兴趣。您有什么建议吗？
- CAE 助理组专家 – 2024年5月27日
  
  是的，这是可以的。不过，你首先需要完全掌握Python脚本编写。请问你的Python脚本编写水平如何？我们也有一些相关的软件包。.

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