考虑混凝土材料不确定性的LNG储罐跨尺度可靠性分析框架

摘要整理

液化天然气(LNG)储罐的可靠性是其结构设计中必须考虑的重要因素。混凝土是LNG储罐的核心组成部分，混凝土骨料材料的几何不确定性对其可靠性有显著影响。然而，由于混凝土骨料与LNG储罐之间存在显著的尺度差异，采用包含骨料所有几何特征的精细有限元模型进行结构分析会产生巨大的计算成本。特别是对于需要大量样本的可靠性分析，有限元模型的计算成本难以承受。因此，本研究提出了基于渐近均质化方法和代理模型技术的双重加速策略，以提高LNG储罐可靠性分析的效率。在基于渐近均质化的LNG储罐跨尺度分析中，实现了分析模型的阶数约化。在此基础上，提出了以骨料体积分数和质量惯性矩为输入的代理模型构建方法，进一步加速了LNG储罐的可靠性分析。随后，采用蒙特卡洛方法对考虑混凝土骨料几何和分布不确定性、液体重量和风荷载作用下的LNG储罐进行了可靠性分析。分析结果表明：风荷载对LNG储罐顶部设计安全性有显著影响；风荷载的方向性对可靠性分析样本点响应分布和LNG储罐失效模式有重要影响。由于风荷载的方向性，最大位移和最大应力的响应分布更加集中，考虑风荷载后LNG储罐的可靠性下降，其中应力可靠性下降5.86%。仅考虑液体荷载时，最大位移和应力呈现不同步失效，两者几乎不会同时发生；考虑风荷载时，LNG储罐的失效模式主要由最大应力主导。数值算例还表明，结构分析所涉及的自由度数量和分析时间均可显著降低。因此，所提出的跨尺度分析框架能够显著提高可靠性分析的效率，为LNG储罐的可靠性设计提供了理论和方法指导。

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