本文针对大型非锚固式储罐,采用有限元数值模拟方法研究了以下三个方面问题:静载荷下罐-土接触问题,准静态载荷工况下象足现象,及罐-液耦合模型的地震响应。本文研究的主要目的是探寻该复杂非线性系统的科学数值建模方法,以下是本文的三个主要创新点: 1.基于有限元接触分析,提出了一个新的地基-结构耦合建模方法,以求更合理的描述下节点区域(罐壁底部和底板焊接区域附近)的应力情况和地基之间的关系。该法能通过监测地基沉降量,方便地得知罐壁及底板的应力应变水平和分布情况。 2.总结并改进了多种象足屈曲现象模拟分析的准静态方法,并创新性地提出了局部罐壁底部预提离工况下,非锚固罐象足屈曲的动力学建模方法。 3.通过在地基上作用水平脉冲激励,来研究罐-液耦合系统的自由振动特性。在这些方法创新基础上的数值模拟研究,获得了一些重要结果: 1.罐底地基沉降量和罐壁罐底板之间应力水平存在对应关系,具有工程应用的价值。 2.利用非线性有限元研究象足屈曲产生的机理,证实了:罐壁竖直轴向压应力和由内压(静水和动水压力叠加)所产生的罐壁环向拉应力共同导致罐壁失稳,发生弹塑性屈曲变形。并且与目前国内外众多储罐抗震规范一致的是,罐壁的竖直轴向压应力是发生屈曲失稳的主导因素。 3.考虑罐-液耦合系统的固有频率求解是非线性问题,本文运用脉冲响应试验方法建立有限元模型,通过Fourier变换,从时域相应结果获得系统的频谱。 4.另外,对地面加载单项正弦共振波和三向El Centro地震波,成功地模拟出了非锚固罐的翘离现象,在此基础上深入地研究了翘离形成机理,定性的给出了翘离的地面区域形状,翘离高度及翘离发生时的关键应力水平。验证了即使15万方大型立式储罐也会发生翘离现象。