[发明专利]一种带填充圆柱消能结构的储液箱及其数值计算方法

权利要求书

1.一种带填充圆柱消能结构的储液箱，其特征在于，所述的储液箱包括填充圆柱消能结构、液箱顶(3)、圆筒形的液箱壁(4)、注液口(5)、液箱基座(6)，其中，填充圆柱消能结构包括多孔泡沫填充材料(1)、圆筒形的钢筋网(2)；

所述的填充圆柱消能结构位于液箱壁(4)内部，多孔泡沫填充材料(1)填满钢筋网(2)所围成的圆柱形区域，并由钢筋网(2)夹持固定，钢筋网(2)上下两端分别与液箱顶(3)和液箱基座(6)固接；所述的钢筋网(2)和液箱壁(4)二者在任意横截面同心，多孔泡沫填充材料(1)的填充参数是均匀的；所述的注液口(5)设置于液箱壁(4)下部，用于向储液箱内注入液体(7)；

所述的带填充圆柱消能结构的储液箱的受力计算方法，包括以下步骤：

设储液箱的液箱壁(4)半径为b，钢筋网(2)半径为a，多孔泡沫填充材料孔隙影响系数为ε，线性阻尼系数为f，储液箱内液体深度为H；液箱基座(6)与地基固定连接，假设系统在x轴方向承受x＝Ae^-iωt的外部晃荡位移激励，其中，A为晃荡位移幅值，ω为晃荡频率，i为虚数单位，t为时间；计算过程中，还将用到以下参数：液体密度ρ，重力加速度g，惯性系数λ；

第一步，将整个水体划分为钢筋网面所包围的圆柱形区域Ω_Ι，钢筋网界面与液箱壁之间所构成的圆环柱形区域Ω_ΙΙ；

第二步，假设液体为无旋、无粘的理想流体，根据线性势流理论，并利用分离变量法，流域总速度势Φ表示为：

Φ(x,y,z,t)＝φ(x,y,z)e^-iωt

其中，φ(x,y,z)只与空间坐标相关，表述为：

其中，右端项中第一项代表传播模态对总速度势的贡献；第二项代表非传播模态对总速度势的贡献；其中，φ₀(x,y)和φ_m(x,y)分别满足亥姆霍兹方程和修正的亥姆霍兹方程；k₀和k_m(m＝1,2,…,∞)分别是色散方程ω²＝gk₀tanhk₀H，ω²＝-gk_mtank_mH，(m＝1,2,…,∞)的正实根，且分别表示传播模态和非传播模态所对应的波数，其中m表示非传播模态的阶数；x,y,z表示三维笛卡尔坐标；

第三步，应用比例边界有限元方法，得到关于φ₀(x,y)和φ_m(x,y)的比例边界有限元控制方程，如下式所示：

上式中φ_m(ζ)，(m＝0,1,2，…,∞)为第二步中φ₀(x,y)和φ_m(x,y)，(m＝1,2,…,∞)在比例边界有限元坐标系中的统一表示；为比例边界有限元系数矩阵，N为Lagrange插值形函数，ζ＝k₀bξ，s、ξ分别为比例边界有限元坐标中的环向和径向坐标；

第四步，将Ω_Ι，Ω_ΙΙ中的速度势分别表示为φ_Ι，φ_ΙΙ，则各计算子域之间满足耦合边界条件：在液箱壁满足φ_ΙΙ,n＝iωAcosθ，θ为液箱壁外法线方向与x轴正方向的夹角；在钢筋网面处满足φ_ΙΙ,n＝-εφ_Ι,n，φ_IΙ＝(λ+if)φ_Ι，其中，i为虚数单位，φ_Ι,n和φ_ΙΙ,n为速度势的法向导数；

根据上述耦合边界条件求解比例边界有限元控制方程得到各个子域的速度势φ_Ι，φ_ΙΙ，进而根据叠加原理求得总场速度势函数Φ；

第五步，得到总场速度势后，波面高度η和动态压力p分别由以下表达式确定：η＝iωφ/g，其中，φ表示子域速度势φ_Ι，φ_ΙΙ，p＝-ρΦ_,t，Φ_'t为总场速度势函数Φ对时间t的一阶导数；储液箱所受总力按下式计算：其中第一、二项分别为钢筋网界面、液箱壁处单位长度上受到的x轴向晃荡力，r表示计算界面距离中心轴的距离。