基于映射技术的LNG 储罐动力响应及损伤研究——远场爆炸及爆炸地振动的耦合作用

论文概要

该研究聚焦于超大型LNG储罐在远场大当量爆炸与爆炸地振动耦合作用下的动力响应与损伤机理。作者提出了一种基于二维至三维映射技术的爆炸荷载仿真方法，在保证精度的同时大幅提升计算效率。通过精细化有限元模型（LS-DYNA）模拟了160 000 m³储罐在500 t TNT当量爆炸下的响应，并系统分析了爆炸地振动、爆距、隔震系统及起爆高度的影响。

知识结构

研究背景与问题

• 现有标准（如NFPA 59A-2019）仅通过安全距离（30~50 m）规避风险，缺乏对结构抗爆性能的评估方法。
• 近场爆炸研究较多，但远场爆炸（Z≥1.7 m/kg¹/³）及其引发的地振动耦合效应研究不足。
• 传统ALE算法因空气域巨大导致计算效率极低，难以应用于原型储罐的远场爆炸分析。

方法与模型

• 建立包含预应力混凝土外罐、钢内罐、复合夹层及隔震支座的精细化FE模型（约389万个单元）。
• 采用映射技术：先由二维爆炸模型（网格500 mm）计算至0.8 s，再映射至三维模型（网格1000 mm）继续模拟。
• 通过与Sadovsky、Henrych经验公式对比，验证映射法误差≤8%，且计算时间较ALE法节省至少50%。

关键发现

1. 爆炸波传播过程：分为起爆、传播（形成马赫杆）、耦合（绕射）三阶段。波阵面首先抵达穹顶与外罐连接处（H3测点）。
2. 爆炸地振动先于爆炸波到达：峰值加速度可达20 g（H0测点），使储罐初始变形（0.62 s），后续爆炸波加剧变形（最大80 mm）。
3. 损伤模式：局部损伤集中在穹顶与外罐连接处，混凝土开裂；钢筋、钢衬里及内罐处于弹性状态。
4. 参数敏感性：

- 爆炸地振动：使位移响应增大43%，损伤面积比（da）从2%增至5%。 - 爆距：150 m（Z=1.8）时位移最大（约120 mm），500 m时显著减小（约40 mm）。 - 隔震系统：硬土地基+隔震时位移降低约27%，软土地基+隔震降低约26%。 - 起爆高度：地面起爆（0 m）产生最大爆炸地振动与损伤；40 m起爆因马赫杆升高导致穹顶附近大面积损伤。

结论与建议

• 提出的映射技术适用于远场爆炸的高效高精度仿真。
• 爆炸地振动对储罐动力响应影响显著，安全评估中不可忽略。
• 建议安全距离大于500 m，优先采用硬土地基并设置隔震支座，定期检查穹顶-外罐连接区域。

引用信息

论文标题：基于映射技术的LNG 储罐动力响应及损伤研究——远场爆炸及爆炸地振动的耦合作用 作者：彭琦，揭勇强，马亮亮 期刊：长沙理工大学学报(自然科学版) DOI：10.19951/j.cnki.1672-9331.20260426001 原文链接：https://doi.org/10.19951/j.cnki.1672-9331.20260426001

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