摘 要：容量较大的储罐一般为立式圆筒形储罐，当其容积超过10万立方米时，习惯上称为超大型储罐。超大型储罐罐体应力水平及大角焊缝的应力水平是影响超大型储罐安全的重要因素之一。文章采用ANSYS APDL语言，以超大型储罐罐体及大角焊缝为对象，实现了参数化建模、施加参数化载荷与求解以及参数化后处理结果的显示，从而实现参数化有限元分析的全过程。然后采用Mirosoft Excel界面输入数据，并利用Mirosoft Excel VBA语言将APDL所需要的参数信息输出，进行了超大型储罐罐体及大角焊缝应力分析软件的二次开发，从而大大简化有限元分析处理的过程。在软件中只要输入相应的几何设计参数、材料参数、载荷参数等输入参数，就可以方便地进行罐体及大角焊缝的应力分析。软件可以对15万至20万立方米的超大型储罐罐体及大角焊缝进行参数化分析，可以计算 GB50341-2003《立式圆筒形钢制焊接油罐设计规范》中所规定的罐体自重、液体静压力、风载荷以及地震载荷等载荷作用下的应力和变形分布情况。
关键词：大型储罐；大角焊缝；罐体；应力分析；软件开发
大型石油储备设施成为有效快速降低石油储备成本的主要发展趋势。随着我国石油工业的发展以及国家原油战略储备库项目的实施，储罐的大型化将成为发展的必然趋势[1-2]。而容量较大的储罐一般为立式圆筒形储罐，当其容积超过10万立方米时，习惯上称为超大型储罐。近年来，随着国民经济的飞速发展和国家原油战略储备库项目的实施，大型储罐的数量逐年迅速增加，因此，尽快提高超大型储罐的设计和建造水平就成为当前最重要的。国内外对于超大型储罐研究较多，主要表现在常规大型储罐设计和有限元仿真计算。常用的设计方法可分为常规设计方法和分析设计方法。“分析设计方法”是根据压力容器结构的不同失效形式进行应力分类，将分类后的应力按相应的应力强度准则加以限制，以设计出安全可靠、经济的压力容器[3-4]。
应力分析表明，超大型储罐的大角焊缝区域是储罐最危险的区域之一，国内外的大型储罐由于大角焊缝处发生脆裂的事故偶有发生。究其原因，主要是由于大角焊缝处应力值高，且材料为低合金高强度钢板，内部缺陷易于扩展，造成脆性断裂破坏或低周疲劳破坏。因此，详细了解大角焊缝处的应力分布，如何有效降低大角焊缝处的应力水平就变得十分重要[5]。但是由于目前超大型储罐的分析设计方法所采用的有限元软件是通用软件，不具备针对超大型储罐的专业性分析功能，复杂的英文界面和繁琐的分析步骤又给从事分析设计的技术人员造成了很大的障碍。另外，虽然有限元软件具有较强大的前、后处理功能，但使用者必须具有一定的力学基础和丰富的分析经验，在几何建模和力学简化等方面需要花费很多时间和精力。为此本文进行了基于有限元软件的集成开发，使开发出的超大型储罐罐体及大角焊缝应力分析软件充分体现专业化、用户化、便捷化的特点，大大缩短了超大型储罐罐体及大角焊缝进行分析设计的时间。
1 软件开发方法
本文采用了ANSYS APDL语言，以超大型储罐罐体及大角焊缝为对象，实现了参数化建模、施加参数化载荷与求解以及参数化后处理结果的显示，从而实现参数化有限元分析的全过程。ANSYS APDL即ANSYS参数化设计语言（ANSYS Parametric Design Language），它是一种解释性语言，可以利用参数创建模型，并自动实现分析任务。APDL允许复杂的数据输入，使用户对任何设计或分析属性有控制权（例如：几何尺寸、材料、边界条件和网格密度等），扩展了传统有限元分析范围以外的能力，并扩充了更高级运算（包括参数化建模、设计优化等），为用户控制任何复杂计算的过程提供了极大的方便。利用APDL的程序语言与宏技术组织管理ANSYS的有限元分析命令，就可以实现参数化建模、参数化的网格划分与控制、参数化的材料定义、参数化载荷和边界条件定义、参数化的分析控制和求解以及参数化后处理结果的显示，从而实现参数化有限元分析的全过程。在参数化的分析过程中可以修改其中的参数达到反复分析各种尺寸、不同载荷大小的多种设计方案，极大地提高了分析效率，减少了分析成本。
然后采用Mirosoft Excel界面输入数据，并利用Mirosoft Excel VBA语言将APDL所需要的参数信息输出，进行了超大型储罐罐体及大角焊缝应力分析软件的开发。Visual Basic for Applications（简称VBA）是新一代标准宏语言，是基于Visual Basic for Windows 发展而来的，主要能用来扩展Windows的应用程式功能，特别是Microsoft Office软件。VBA 提供了面向对象的程序设计方法，提供了相当完整的程序设计语言。
2 软件开发的理论基础
所开发的分析软件对超大型储罐的强度及稳定性进行分析，分析主要涉及以下内容：（1）建立轴对称模型，进行大角焊缝应力分析。（2）建立罐体整体模型，进行罐体强度及稳定性分析。
分析计算中，符合JB4732-2005《钢制压力容器-分析设计标准》和GB50341-2003《立式圆筒形钢制焊接油罐设计规范》等国家相关标准规范的规定[6-7]。
2.1 基于轴对称模型的大角焊缝应力分析
大角焊缝强度分析中，罐壁、抗风圈、加强圈、罐底、地基均采用PLANE183单元划分。接触面采用TARGE169单元和CONTA172单元划分。
为节省计算时间及计算成本，根据罐体结构及载荷的特点，对罐体结构进行了简化。大角焊缝应力分析中设备结构采用轴对称形式；载荷有重力、液压，均为轴对称形式。因此强度分析各工况采用轴对称平面模型。夯土层与混凝土环梁弹性模量较小，而且厚度较大，忽略土壤层对储罐的变形量及应力水平影响较小。故模型中将土壤层忽略，夯土层与混凝土环梁全部建出。同时夯土层与混凝土环梁处于受压状态，两者紧密连接，不会分离，因此模型中将两者视为一体。模型如图1所示。
