Nonlinear Post­Buckling Analysis of a 12,000 Gallon Transport Tank     

   

   

Ronald Boutilier CEE 506: Nonlinear Analysis of Structural Systems 

University of Washington June 9, 2016 

               

 

 

  

 TABLE OF CONTENTS       1  Objectives of the Study…………….………………………...………………………………3 

     2  Development of the Analytical Model………………………………………...……………….3 

2.1  Vessel Geometry………………………………………………………....…………….3 

2.2  Materials………………………………………………………………...……………..4 

2.3  Load and Boundary Conditions……………………………………….………………..4 

     3  Method of Analysis…………………………………………………………...………………4 

          3.1  Analysis Parameters………………………………………………..……………………4 

          3.2  Expected Elastic Behavior of Vessel Under Compressive Loading…………………….….5 

          3.3  Eigenvalue Analysis Procedure to Determine Critical Buckling…………………….……...6 

          3.4  Post­buckling Analysis Procedure………………………………………....……………..6 

     4  Results of the Finite Element Simulations……………………………………….……………...6 

          4.1  Results from the Eigenvalue Analysis………………………………....…………………..6 

          4.2  Results from the Post­buckling Analysis…………………………....…………………….7 

                4.2.1  Post­buckling of the Empty Vessel……………………………....…………………7 

                        4.2.1.1  Simulation of the Model With 15993 Elements……………………….……..7  

                        4.2.1.2  Simulation of the Model With 8853 Elements……………………….………8 

                        4.2.1.3  Simulation of the Model With 4993 Elements………………………..……...9 

                        4.2.1.4  Mesh Refinement Comparison of Empty Vessel Models…………………...10 

                4.2.2  Post­buckling of the Vessel Under Normal Operating Conditions………………....10 

                        4.2.2.1  Simulation of the Model With 15993 Elements………………………….....11 

                        4.2.2.2  Simulation of the Model With 8853 Elements…………………………..….11 

                        4.2.2.3  Simulation of the Model with 4993 Elments…………………………….….12 

                        4.2.2.4  Mesh Refinement Comparison of Empty Vessel Models…………………...13 

                5. Conclusions………………………………………………………………………….13 

                6. References…………………………………………………………………………...14 

   

  

2 

  

I n the cargo tank manufacturing industry it has long been argued that the U.S. Department of Transportation (DOT) rules for the design of cargo tanks (49 CFR 178.337­3), which requires a safety factor of 4.0 for the allowable stress in the tank wall during an extreme event, are too conservative for practical application. In addition, the U.S. DOT rules require the use of the 1998 edition of Section VIII of the ASME Boiler and Pressure Vessel Code, which is now over 10 years out of date, and there has been much improvement on the code since then, and it has been shown that leaks in the cargo tank wall due to an accident are indeed an extremely rare occurence (see example: http://www.fireengineering.com/articles/print/volume­156/issue­7/features/lpg­tanker­rollover­lessons­learned­in­suffolk­virginia.html ) .   1. Objectives of the Study  The goal of this analysis is to examine the post­buckling behavior of a cargo tank shell as a result of an extreme longitudinal compressive force applied at the rear end. Interpretation of the results may be useful to further support the implementation of Section XII (Rules for Construction and Continued Service of Transport Tanks) of the ASME Boiler and Pressure Vessel Code in current US DOT regulations.  2. Development of the Analytical Model  2.1 Vessel Geometry  The overall geometry of the transport tank is shown in Figure 1 below. The component that was analyzed was the tank bullet, which is herein referred to as the vessel. The vessel consists of a cylindrical shell with a hemispherical head at each end. For simplicity, the vessel is modeled with a uniform thickness of 0.375”. In addition, the vessel is assumed to be seamless, so that the potential effects of weld geometry are not considered.   

Figure 1: Dimensions of the 12,000 gallon transport tank   

 3 

  

 2.2 Materials  The material used for construction of the vessel wall is ASME specification SA­517 grade E. Data for the plastic behavior cannot be obtained, so for simplicity, data from typical ASTM A36 steel was extrapolated. The extrapolated plastic behavior is summarized below, and used to take into consideration the projected material nonlinearity of the system. Lastly, irregularities due to welding heat­affected zone, quenching, tempering, and post­weld heat treatment are not considered.  

Yield Stress (psi)  Inelastic Strain (in/in) 

100,000  0 

100,000  0.016 

120,000  0.098 

Table 1: Projected plastic behavior data for SA­517E high strength QT steel  2.3 Loads and Boundary Conditions  Shown in Figure 2 below is the general FBD for the vessel model. The buckling load (discussed in later sections) will be imposed on the rear end of the tank, while the front end is pinned. 

 Figure 2: Free­body diagram of the vessel   3. Method of Analysis  Finite element modeling was used to simulate the critical buckling and post­buckling behavior of the system. The software used to perform the finite element simulation was ABAQUS. The type of elements used consisted entirely of thin plate 3D shell elements, using a full integration scheme.  3.1 Analysis Parameters  The effects of mesh refinement of the finite element model were considered for the entire model consisting of 15,993 elements, 8,853 elements, and 4,993 elements, respectively. Then, for each mesh refinement considered, the vessel was analyzed as (a) an empty vessel under ambient conditions, and 

 4 

  

(b) a fully loaded vessel under normal operating conditions. The definition of “normal operating conditions” is as follows:  

1. Cargo tank internal pressure = 250 psi 2. Cargo tank  loaded with liquefied petroleum gas (LPG) to 85% of nominal capacity  

 Calculations performed in MATLAB, for the gravity loading imposed by the weight of LPG are shown below:  

  3.2 Expected Elastic Behavior of Vessel Under Compressive Loading  The calculations are shown below for the expected first­order elastic behavior of the vessel under compression. The calculation is idealized for a cylinder under uniform compressive loading. These calculations are taken from Timoshenko Book on Elastic Stability.   

  

5 

  

 3.3 Eigenvalue Analysis Procedure to Determine Critical Buckling  In addition to the calculations above, ABAQUS was used to determine the eigenvalues for buckling. This was done by choosing the linear­perturbation procedure for the time step used in the solution algorithm. The parameters for this time step are as follows:  

1. Number of Eigenvalues requested: 5 2. Vectors used per iteration: 10 3. Maximum number of iterations: 300 

 A file was then created with the buckling information from this solution, and was imported into the post­buckling analysis, described in the next section.  3.4 Post­buckling Analysis Procedure  The post­buckling analysis was performed using an incremental force­based approach. In ABAQUS, the Rik’s Algorithm was the chosen solution algorithm. The parameters for this time step are as follows: 

1. Maximum number of increments: 1000 2. Initial arc length increment: 0.01 3. Minimum arc length increment: 1e­5 4. Maximum arc length increment: 1 5. Estimated total arc length: 1 

 To add an initial imperfection to the system, the results from the eigenvalue analysis were loaded for the first step. Then the imperfection was introduced by taking the displacements from the eigenvalues of the first 3 modes and applying a scaling factor. The scaling factors were taken to be 0.0375, 0.01875, and 0.009375, respectively.  Finally geometric nonlinearity was analyzed due to the effect of large displacements as the tank buckles, by choosing the NLGeom feature in ABAQUS.  4. Results of the Finite Element Simulations  The results shown below are for the eigenvalue and post­buckling simulations ran by ABAQUS, including the results for the empty vessel, and the vessel under normal operating conditions, with respect to mesh refinement.  4.1 Results from the Eigenvalue Analysis  In the figure shown below details the results from the Eigenvalue analysis. The 5 eigenvalues are shown below.   

 6 

  

Figure 3: Illustration and summary of the results from the eigenvalue analysis using ABAQUS 

4.2 Results from the Post­buckling Analysis  After determining the eigenvalues from the previous analysis, a total load of 5e6 lbs was applied to the rear end of the vessel to impose buckling. The results for each case are detailed in the next sections.  

4.2.1 Post­buckling of the Empty Vessel  The results for the buckling of the empty vessel with respect to mesh refinement are detailed in the next sections. Each mesh consisted of a combination of triangular and quadrilateral shaped shell elements. Initially, there were some distorted elements identified. These distortions were eliminated by refining the edge seed distances around the problematic areas. Each simulation ran for approximately 10­40 minutes, until at least 100 load increments were applied.  

4.2.1.1 Simulation of the Model With 15993 Elements  The simulation of the empty vessel model with a mesh size of 15993 elements is illustrated below.  

 

  

 7 

  

 Figure 4: Illustration of the evolution of deformation and Von Mises stress for the empty vessel  model with a mesh size of 15993 elements 

 4.2.1.2 Simulation of the Model WIth 8853 Elements 

 The simulation of the empty vessel model with a mesh size of 8853 elements is illustrated below.  

 

 

 Figure 4: Illustration of the evolution of deformation and Von Mises stress for the empty vessel  model with a mesh size of 8853 elements 

 

 

 

 

 

 

 

 8 

  

 4.2.1.3 Simulation of the Model With 4993 Elements 

 The simulation of the empty tank model with a mesh size of 4993 elements is illustrated below.  

 

 Figure 5: Illustration of the evolution of deformation and Von Mises stress for the empty vessel  model with a mesh size of 4993 elements 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 9 

  

 

4.2.1.4 Mesh Refinement Comparison of Empty Vessel Models  The figure below illustrates the load­displacement of the rear­end of the empty tank, for each mesh size, and the theoretical elastic behavior of the vessel as calculated earlier. It is observed that initially the mesh size has no effect on the relative elastic behavior, but immediately after buckling it appears that the higher mesh refinement results in a lower load, then converges after 1.5 inches.   

 Figure 6: Plot of the load vs. displacement for each empty vessel model with respect to mesh size, in comparison with the theoretical elastic behavior 

 4.2.2 Post­buckling of the Vessel Under Normal Operating Conditions  

The results for the buckling of the vessel under normal operating conditions, with respect to mesh refinement are detailed in the next sections. Each mesh consisted of a combination of triangular and quadrilateral shaped shell elements. Initially, there were some distorted elements identified. These distortions were eliminated by refining the edge seed distances around the problematic areas. Each simulation ran for approximately 10­40 minutes, until at least 100 load increments were applied.         

 10 

  

  

4.2.2.1 Simulation of the Model With 15993 Elements  

The simulation of the vessel under normal operating conditions model with a mesh size of 15993 elements is illustrated below.  

 

 Figure 7: Illustration of the evolution of deformation and Von Mises stress for the vessel model under normal operating conditions with a mesh size of 15993 elements 

 

4.2.2.2 Simulation of the Model With 8853 Elements  

The simulation of the vessel under normal operating conditions model with a mesh size of 8853 elements is illustrated below.  

 

 11 

  

 Figure 8: Illustration of the evolution of deformation and Von Mises stress for the vessel model under normal operating conditions with a mesh size of 8853 elements 

 4.2.2.3 Simulation of the Model With 4993 Elements  

The simulation of the vessel under normal operating conditions model with a mesh size of 15993 elements is illustrated below.   

 

 Figure 9: Illustration of the evolution of deformation and Von Mises stress for the vessel model under normal operating conditions with a mesh size of 4993 elements 

  

  

 12 

  

4.2.2.4 Mesh Refinement Comparison of Vessel Under Normal Operating Conditions   The figure below illustrates the load­displacement of the rear­end of the vessel under normal operating conditions, for each mesh size, and the theoretical elastic behavior of the vessel as calculated earlier. The results for the buckling loads are higher than in Figure 6. This is because the internal pressure provides additional stability by resisting bending forces normal to the vessel wall. The relative effect of mesh refinement is the same as shown in Figure 6. 

 

 Figure 10: Plot of the load vs. displacement for each vessel model under normal operating conditions with respect to mesh size, in comparison with the theoretical elastic behavior 

 5. Conclusions  The purpose of this study was to use ABAQUS to examine the post­buckling behavior of a transport tank. Geometric nonlinearity, material nonlinearity, and mesh refinement were all considered in the analysis.  

The results conclude that the ABAQUS finite element method provides a reasonable analysis simulation of the post­buckling behavior of a cargo tank vessel. It can be observed that the behavior in the elastic region for both vessel models closely match the theoretical elastic behavior under compressive loading. However, in each case, the elastic strength of the vessel is higher for the finite element simulations. One reason for this is that the hemispherical heads provide stability to the cylinder, whereas the theoretical calculation assumes an open end.  

The critical buckling loads, which are close to 3000 kips in each case are very high, and there would likely never be a case in which an impact due to an accident would impose such a force to cause the vessel to buckle. Therefore, at least in terms of buckling, the safety factor of 3.5 for allowable stress, used in ASME Section VIII Division 1, or Section XII is a conservative enough value for application. 

For the extensive time it took (approximately 2 hours total) to simulate the 

 13 

  

buckling/post­buckling behavior of the vessel, it is probably not feasible to use the results for persuasion of the U.S. government to update its regulations, especially when they already continue to implement codes that are over 10 years out of date. Furthermore, buckling is only one aspect of vessel failure to be investigated. Finally, only the longitudinal direction of loading was examined. Loadings in the lateral and vertical directions should also be examined to compare with the load requirements in current regulations. 

   References:  Goodman, Kent. "Buckling Stress Check for a Vertical Vessel."  Www.maximumreach.com . Maximum 

Reach Enterprises, 2 Nov. 2012. Web. 9 June 2016. <http://www.maximumreach.com/Buckling%20Stress%20Check.pdf>. 

Haring, Raymond. "LPG Tanker Truck Rollover: Lessons Learned in Suffolk Virginia." Fireengineering.com . Fire Engineering, July 2003. Web. 9 June 2016. < http://www.fireengineering.com/articles/print/volume­156/issue­7/features/lpg­tanker­rollover­lessons­learned­in­suffolk­virginia.html >. 

ASME Bolier and Pressure Vessel Code Section VIII US Code of Federal Regulations: Transportation, 49 CFR 178.337­3, Design and Construction of MC 

331 Cargo Tanks   

 14