大型储罐液面晃动频率分析

贺强王华张凯曹铮蒲晋剧锦三*

（中国农业大学水利与土木工程学院，）

摘要本文使用有限元软件ANSYS，对直径16m的大型液化天然气储罐，考虑流固耦合效

应研究其动力特性参数。结果表明储罐液面晃动自振频率较低，前三阶自振频率为0.151Hz、

0.201Hz、0.226Hz。

关键词：LNG储罐流固耦合模态分析

一、引言

LNG储罐具有大直径、薄壁的特点，抵抗荷载作用变形能力差。多年来，世界上

很多国家投入很大精力进行LNG内罐容器的动力特性研究，从目前来看，已经取得了

一些研究成果

[1]

。由于流固耦合具有高度非线性，在分析中存在很大问题，因此考虑流

固耦合效应的储罐模态分析存在很大不足。本文基于ANSYS，考虑流固耦合效应，计

算分析了大型储罐的液面晃动模态，为实际工程提供参考。

二、几何及有限元模型

2.1几何模型

本文以某地已建成的液化天然气储罐为原型，并对结构做出合理的简化。所模拟的

大型储罐直径36m，高19m，液化天然气液面高度为17m。因从上到下液体压力逐渐增

大，按等强度设计理念，储罐是由若干段不同壁厚的圆筒焊接而成，由下向上壁厚由

27mm到15mm逐渐减小。液化天然气密度为480kg/m

,弹性模量为2.56×10

Pa

[2]

，储罐采

用钢材，其密度为/m

，弹性模量为2.06×10

11

Pa，泊松比为0.3。

2.2有限元模型

采用四边形四节点单元模拟罐壁和底板，采用八节点三维流体单元模拟

罐中液化天然气。其中单元网格大小为长1.5m，高0.5m；流体单元为对应大

小的六面体网格。约束住罐底节点所有自由度。其有限元模型如图一所示。

图1大型储罐有限元模型

三、计算结果

由于流体单元刚度的非对称性，故采用减缩法提取液面晃动的前六阶模态。其液体

晃动自振频率如表1所示；自振模态如图2所示。

表1液体晃动自振频率

阶数

自振频率（Hz）0.1510.2010.2260.2340.2600.264

a(一阶模态)b(二阶模态)c(三阶模态)

d(四阶模态)e(五阶模态)f(六阶模态)

图1前六阶自振模态

四、结论

根据钢制常压立式圆筒形储罐抗震鉴定标准（-2005）储液晃动的基本自振

周期为：

3.68

2cth()

3.68

HD

gD



其中，cth(x)为双曲余切函数，g为重力加速度，D为储液罐直径，H

为储液高度。

按照规范计算出其液面晃动自振周期为T

=6.47s，即f

=0.。而本文通过

ANSYS计算所得液面晃动一阶自振频率为0.151Hz，与规范值吻合。说明本文所使用的

方法得当。

参考文献

1王建军，李其汉.自由液面大晃动的流固藕合数值分析方法研究进展.力学季刊，2001;22(4):

447~454

2张营，孙建刚.16万方LNG储罐的动特性分析.大连民族学院学报，2010；12(5):464~466

3李思.全容式LNG储罐的地震响应分析.硕士学位论文，天津大学，2011