【基于应变监测的大型储罐变形识别技术分析6300字】

VII基于应变监测的大型储罐变形识别技术分析目录TOC\o"1-3"\h\u1422基于应变监测的大型储罐变形识别技术分析 1160421.1基于应变数据的储罐薄壳壁结构变形估计理论 11631.1.1基于应变信息的变形曲率计算 1283471.1.2基于曲率信息的变形曲线重构 4216521.2大型油气储罐薄壳壁结构变形有限元分析 5281871.2.1储罐薄壳壁结构有限元力学模型建立 6281671.2.2有限元仿真分析 7163031.3变形重构误差判断方法 13290891.4不同分布式光纤布设方式下的结构变形重构分析 14218881.4.1横向载荷加载试验 15126591.4.2纵向载荷试验 18应变、变形监测是储罐安全运行的基础，是不可或缺的部分。对结构的应变变形准确的监测，是进行储罐运行状态评价的前提。本章根据测点应变矩阵和弧长矩阵重建多条曲线实现变形监测的基本原理，某个离散点的曲率信息获取是通过将位于该测点处的分布式光纤传感器中心波长偏移量转化为该点对应的应变值，再由该点应变值转换为曲率值。在被测结构表面粘贴分布式光纤传感器，根据材料力学和分布式光纤传感原理，将传感整列中处于不同位置的分布式光纤传感器中心波长偏移量分别转换为对应的曲率值，并在此基础上构建曲率信息矩阵，实现对储罐薄壳壁结构进行变形重构研究。基于应变数据的储罐薄壳壁结构变形估计理论基于应变信息的变形曲率计算为获取大型储油罐薄壳壁结构的应变数据，采用分布式光纤传感器进行应变数据采集，由分布式光纤应变测量原理[12]，假设被测基体为薄壳壁截面弹性结构，被测基体发生机械纯弯曲变形。取长度为，厚度为的微元进行分析。当一对外加弯矩作用在微元的纵向对称平面上时，微元发生塑性弯曲变形。变形区域存在一个长度保持不变的应变中性层。微元弯曲内侧收缩，弯曲外侧伸长，长度变化量为。当被测表面发生变形时，对于粘贴在结构微元表面上的光纤微元来说，微元弯曲产生的应力通过粘贴层传递给传感光纤微元[13]。在微元弯曲内侧的传感光纤被压缩，产生轴向压应变；在微元弯曲外侧的传光纤被拉伸，产生轴向拉应变。同应变变化前相比，局部光纤片段的瑞利光谱将分别在正负方向上发生偏移。通过检测光谱偏移量的方向可以判断被测表面变形的方向，通过解调光谱偏移量的大小可以获得微元在x或y方向上应变。图4-1微元的纯弯曲结构模型根据图4-1所示，测量点位置处的变形和该位置处粘贴的局部传感光纤的瑞利光谱偏移量的关系可以表示为：（4-1）式中：为表面形变测量的比例系数。在光纤分布式传感中，光纤片段作为传感单元，通过测量该片段的瑞利光谱的偏移量对应变进行解调，所以传感单元输出的是该传感单元长度范围内的平均应变。从被测表面到传感单元的平均应变传递系数为：（4-2）式中：为传感单元长度，、分别表示光纤、基体的基本物理参量，表示轴向应变，代表位移。根据测点应变矩阵和弧长矩阵重建多条曲线实现变形监测的基本原理：某个离散点的曲率信息获取是通过将位于该测点处的光纤光栅传感器中心波长偏移量转化为该点对应的应变值，再由该点应变值转换为曲率值。在被测结构表面粘贴FBG传感阵列。根据材料力学和光纤光栅传感器原理，将传感阵列中处于不同位置的光纤光栅传感器中心波长偏移量分别转换为对应的曲率值，并在此基础上构建曲率信息矩阵。基于应变的曲率计算方法如图4-2所示：图4-2曲率与应变关系图假设变形弧段的长度为，高度为，假定其中性面保持不变，则可建立方程如下： （4-3）由上式可以得出 （4-4）其中，为弧长拉伸量，为圆弧半径，为圆心角，为应变。在忽略温度影响时，由FBG传感器的应变原理可得： （4-5）将上式带入（4-5）式得到曲率 （4-6）上式中，为光弹系数，一般取值0.22，对于确定的FBG，为反射波长为常数，为曲面厚度。由微分几何知识可知，变形曲面上点的位移的二阶导数是该点的曲率，所以在重构曲面时，只要保证曲率信息连续即可保证曲面的连续性，为曲面重建提供了几何前提。基于曲率信息的变形曲线重构将应变信息转换为曲率信息，通过监测点曲率信息与弧长信息拟合出曲率与弧长的线性方程如下 （4-7）其中，和为相关参数。由此方程可得到两个监测点之间的所有曲率信息，由此实现了离散曲率信息到连续曲率的转化，此方法为曲率的线性连续化，除了线性连续化以外还有非线性连续化，如三次曲线连续化，其特点在于计算精度高但是计算量大，对实现动态重构造成一定的阻碍，而线性连续化具有精度高计算量小的优点，在不影响重构精度的情况下，重建速度越快越好，所以在一般工程实际应用中，使用线性连续化曲率即可满足大多数应用。基于监测点的应变曲率信息分段重构变形曲线的方法，其基本思想是通过将变形曲线分成N段，设第一段的起始点坐标为(0,0)，根据微分几何的知识，递推出第一段曲线段的终点坐标相对于起始点坐标的增量，如此递推求出下一段曲线段终点相对于起点坐标的增量，直到最后一段曲线段，即可得到整段变形曲线的坐标，如图4-3所示。图4-3变形弧段坐标增量计算示意图以微元所在位置建立主坐标系，以微元起点A点切线为坐标建立副坐标系，B点在上的投影为与，B点在上的投影为与，表示AB微元的平均半径，表示A、B两点半径的夹角，为微元AB在A点的切线与水平轴的夹角，由微分几何的知识有曲线切线与水平方向的角度大小为： （4-8）在坐标系里有： （4-9）在坐标系里有： （4-10）AB段微元的半径可用A、B两点曲率倒数的平均值表示 （4-11）其中，为微元弧长大小，与分别表示A、B两点曲率，其数值大小可由曲率与弧长的线性方程求出。在坐标系里，由（4-10）与（4-11）式即可求出B点相对于A点的坐标增量与。这样，AB段微元的终点相对于起点的坐标增量可求出，在此基础之上，按照上述方法求出下一段微元的坐标增量，循环直至整条变形曲线的微元弧段全部计算完成，将每个微元弧段的坐标增量加上上一段微元弧段的坐标增量，最后将全部微元弧段通过直线连接。对于圆筒形的储罐结构，沿轴向方向是一条直线，可以直接使用本文的方法计算圆柱面沿轴向的变形曲线。因此，可将圆柱面变形转化为圆柱面上多条沿轴向的变形曲线的组合，即可将变形的圆柱面通过沿轴向的变形曲线分割为不同的曲面片，只要能较为精确地重构出圆柱面上多条沿轴向的变形曲线，通过将变形曲线光滑连接即可实现整个圆柱面的变形重构。大型油气储罐薄壳壁结构变形有限元分析储罐薄壳壁结构有限元力学模型建立本文分析属于静强度分析和模态分析，采用AnsysWorkbench,使用N-mm-MPa单位制，根据大连储备库某个五万立方米大型油气储罐建立有限元分析模型，试验中选择1/8储罐薄壳壁结构为实验材料，储罐薄壁结构长1200mm,宽800mm，厚6mm，模型参数如表3-1所示，储罐罐壁采用实体单元与壳单元结合的方式建模。对储罐模型进行网格划分和单元设定后，有限元模型共有81290个节点，有126987个单元，薄壳壁结构模型共有21923个节点，14160个单元。储罐模型如图4-7（a）所示，薄壳壁结构如图4-7（b）所示，网格模型如图4-8（b）所示，储罐薄壳壁结构网格模型如图4-8（b）所示。表4-1储罐薄壁结构材料参数材料弹性模量泊松比密度屈服强度抗拉强度罐底板罐壁板角钢Q235BQ235-CQ235-C2.12E112.06E112.06E110.310.310.37.87E37.8E37.8E3235235235470470470在ANSYSWorkbench中要模拟罐体自身的重力，本文通过施加惯性力的方式实现。当物体有加速度时（可以是加速阶段，也可以是减速阶段），物体具有的惯性会使物体保持原有运动的倾向，而此时若以该物体为参考系，并在参考系上建立坐标系，通过反方向力作用在该物体上使该物体在坐标系内发生位移，称之为惯性力。在有限元分析模拟重力时需要保证在材料参数中已经输入物体的密度，并且惯性力的方向要与重力方向相反。（a）储罐主体有限元模型(b)储罐薄壳壁结构模型图4-7储罐体结构有限元模型（a）储罐主体网格划分模型（b）储罐薄壳壁网格划分模型图4-8储罐有限元网格模型有限元仿真分析在试验中，为做简要分析，将固定储液罐简化为一块薄壳壁结构，利用有限元分析软件对储罐进行静力分析获得在施加载荷作用下的储罐薄壳壁结构的变形信息和应变信息，选取薄壳壁结构上五条路径分别为横向、纵向、15°、30°、45°方向，施加载荷如图4-9所示，路径图如图4-10所示。得到的静应力分析结果如图4-114-13所示。（a）横向加载（b）纵向加载图4-9储罐受力分析图图4-10储罐薄壳壁结构路径图（a）横向载荷加载（b）纵向载荷加载(c)横向载荷加载（d）纵向载荷加载图4.11储罐薄壳壁结构位移云图和应变云图（a,b）位移云图，（c,d）应变云图由图4-11可得在横向载荷作用下，储罐薄壳壁结构最大变形位移为2.4347mm，储罐壁板的左中心部位受力最大，且大小向四周逐渐由大变小；在纵向载荷作用下，储罐薄壳壁结构变形位移为1.8903mm，最大位移量也是出现在储罐壁板左中心位置，变形位移大小向四周逐渐由大变小。在横向和纵向加载下，应变的最大点都在薄壁结构的中心，且最大值为。（1）不同布设方式的路径变形云图（a）横向布设（b）纵向布设（c）横向布设（d）纵向布设图4-12横纵布设方式储罐薄壳壁结构变形云图（a,b）横向加载，（c,d）纵向加载由图4-12可得，在横纵布设分布式光纤传感器时，由有限元软件分析得出在横向布设时，仿真分析截取的路径变形位移量最大，最大值出现在纵向载荷加载作用下横向路径截取中，最大值为1.4058mm。(a)15°布设（b）30°布设（c）45°布设(d)15°布设（e）30°布设（f）45°布设图4-13螺旋布设方式薄壳壁板变形位移云图（ac）横向载荷加载，（df）纵向载荷加载由图4-13可得，储罐壁板按照分布式光纤布设方式截取变形位移路径图，在螺旋式布设方式中，可以看出不管是受到横向载荷加载还是纵向载荷加载，在45°布设路径上变形位移总是最大，最大变形位移量出现在纵向载荷作用下的储罐壁板中心位置，最大变形位移量为1.0846mm。（2）不同布设方式的路径应变云图（a）横向布设（b）纵向布设（c）横向布设（d）纵向布设图4-14横纵布设方式下储罐薄壳壁构应变分布云图（a,b）横向加载，（c,d）纵向加载由图4-14所示，储罐薄壳壁结构应变最大值出现在横向布设方式中，在横向加载载荷作用下，最大应变值为。(a)15°布设（b）30°布设（c）45°布设（d）15°布设（e）30°布设（f）45°布设图4-15螺旋式布设方式下储罐薄壳壁构应变分布云图（ac）横向载荷加载，（df）纵向载荷加载由图4-15可得，在螺旋式布设方式下，储罐薄壳壁结构的最大应变值出现在30°布设路径上，在载荷横向和纵向的作用下，最大应变值都出现在30°布设路径上，且最大值为纵向载荷作用下的应变值。通过有限元分析分布式光纤布设路径上的应变值，为了选取最合适的布设方式，本文将在本章4.4节和第五章中通过计算，采用数值模拟的方式得出最佳的布设方式。变形重构误差判断方法假设油气储罐薄壳壁结构上任意一点的坐标为，在载荷作用下，储罐薄壳壁结构发生变形，变形后对应点的坐标为，则薄壳壁结构总的变形量：（4-12）在仿真分析试验中，薄壳壁结构沿高度h方向变形量很小，可忽略，主要测的是方向和方向的变形，所以总的变形量为：（4-13）为了验证变形算法的精度，需要把ANSYS软件仿真的变形量和根据变形重构算法计算出的变形量进行比较。在进行变形重构时，引入绝对误差、相对误差平均相对误差和均方根误差作为评估变形重构算法精度的指标。设为通过变形重构算法计算出来的薄壳壁结构上某一监测点的变形量，为通过ANSYS软件仿真得到的对应点的变形量，为选取点的个数，则、、、可分别表示为：(4-14)(4-15)（4-16）(4-17)通过绝对误差，相对误差，平均相对误差，均方根误差四种不同的误差评价方式，可以一定程度上评价出算法的精度。不同分布式光纤布设方式下的结构变形重构分析为了得到储罐薄壳壁结构变形监测在分布式光纤传感器不同的布设方式下得到结构的变形重构精度，采用横向布设、纵向布设、15°方向、30°方向和45°方向布设分布式光纤传感器，试验中，在受到横向加载载荷和纵向加载载荷的方式下，通过基于布设方式获取的应变数据的曲率变形重构计算，同时采用有限元仿真分析（有限元分析结果已在4.2.2节中给出），将得到的两组变形数据进行误差分析，以此验证该变形重构计算方法的可靠性和可行性。表4-2纵向（Z轴）加载载荷变形位移误差分析表纵向布设测量应变/算法重构值仿真应变值/mm绝对误差相对误差平均相对误差%0.83922.38424.50136.79029.861013.332415.964519.340523.670226.79830.13480.27630.54580.70960.94951.11941.40781.55771.97562.40150.13940.28960.56850.71860.99751.14761.42651.57662.00572.43470.00460.01330.02270.00900.04800.02820.01870.01890.01010.03323.44.84.21.35.12.51.41.21.51.42.7横向载荷加载试验通过3.3.2节分布式光纤传感器的布设方式，首先在横向布设方式上抽取10个应变数据，代入变形曲率算法中，计算结果如表4-3所示，将变形重构算法的变形值和4.2节中的仿真变形值对比，得出如下图4-16所示结论。表4-3横向布设荷变形重构误差分析表横向布设测量应变/算法重构值仿真变形值/mm绝对误差相对误差平均相对误差%2.67013.47146.19898.85019.918210.587812.302413.370514.152516.63210.11250.22570.45690.81921.02791.29931.41961.57011.69381.82790.11760.23600.47250.84111.05011.31471.46261.59121.77751.89030.00510.01030.01600.02190.02220.01540.04300.02110.08370.06244.54.63.52.72.21.33.11.84.93.43.02由表4-3可得在横向载荷作用下，通过与有限元仿真分析得出的薄壁结构变形位移相比，储罐薄壳壁结构变形重构绝大误差最大为0.0837mm，相对误差最大为4.9%，平均相对误差为3.02%，由此采用数据模拟得出基于曲率信息的储罐薄壁结构变形重构曲线图如图4-16所示。图4-16储罐变形重构曲线图同理通过抽取纵向、15°方向、30°方向、45°方向布设不是光纤传感器所监测的应变值，计算出纵向布设中最大误差为0.0729mm，相对误差最大为5.2%，平均相对误差为3.4%；变形重构曲线图如图4-17（a）所示；15°方向布设方式中，绝对误差最大值为0.1203mm，相对误差最大为5.5%，平均相对误差为3.56%，变形重构曲线图如图4-17(b)所示；30°方向布设中最大误差为0.0356mm，相对误差最大值为4.6%，平均相对误差最大值为2.99%，变形重构曲线图如图4-17(c)所示。45°方向布设中，绝对误差最大值为0.0793mm，相对误差最大值为5.1%，平均相对误差最大值为3.2%，变形重构曲线图如图4-17（d）所示。(a)纵向（b）15°布设（c）30°布设（d）45°布设图4-17储罐薄壳壁结构变形重构曲线图由上述计算结果和基于数据模拟的变形重构曲线图可得，在以曲率信息的基础上进行变形重构计算，并通过有限元仿真分析得出该计算方法的变形重构精度。以此也得到在横向载荷作用下薄壳壁结构的最佳分布式光纤布设方式是螺旋式30°方向布设。纵向载荷试验同4.4.2节计算方式一样，通过3.2节分布式光纤传感器的布设方式，在纵向布设方式上抽取10个应变数据，代入变形曲率算法中，计算结果如表4-4所示。将变形重构算法的变形值和4.2节中的仿真变形值对比，得出如下图4-18所示结论。表4-4纵向布设变形重构误差分析表纵向布设测量应变/算法重构值仿真应变值/mm绝对误差相对误差平均相对误差%0.83922.38424.50136.79029.861013.332415.964519.340523.670226.79830.13480.27630.54580.70960.94951.11941.40781.55771.97562.40150.13940.28960.56850.71860.99751.14761.42651.57662.00572.43470.00460.01330.02270.009