ANSYS模擬大體積混凝土澆筑過程的基本方法

1、ANSYS模擬大體積混凝土澆筑過程的根本方法魏尊祥摘要：關(guān)鍵詞：ANSYS APDL 大體積混凝土 間接耦合法大體積混凝土通常指結(jié)構(gòu)實(shí)體最小尺寸等于或大于1m，或預(yù)計(jì)會因水泥水化熱引起混凝土內(nèi)外溫差過大而導(dǎo)致裂縫的混凝土。大體積混凝土自混凝土澆筑始至水泥發(fā)熱根本結(jié)束，該時(shí)段內(nèi)混凝土的彈性模量急劇增長，在這一時(shí)期混凝土中會形成剩余應(yīng)力。自水泥發(fā)熱根本結(jié)束至混凝土冷卻到穩(wěn)定溫度時(shí)，混凝土的彈性模量那么變化不大，溫度應(yīng)力主要由于混凝土的冷卻引起。引起溫度應(yīng)力的原因有兩種，一是結(jié)構(gòu)本身各局部之間相互約束而產(chǎn)生溫度應(yīng)力，二是結(jié)構(gòu)邊緣受到外界約束、溫度變化時(shí)不能自由變形而產(chǎn)生的應(yīng)力。溫度應(yīng)力和自重應(yīng)力均存

2、在徐變效應(yīng)。顯然大體積混凝土澆筑過程既要進(jìn)行溫度場的模擬，又要進(jìn)行應(yīng)力場的模擬，屬于兩種場的耦合場分析。ANSYS提供了兩種耦合場分析方法直接耦合法和間接偶合法。直接偶合法的耦合單元包含所有所需的自由度，可以通過一次求解得到耦合場分析結(jié)果。ansys采用間接耦合法模擬大體積混凝土澆筑過程時(shí)，先進(jìn)行熱分析，將得到的節(jié)點(diǎn)溫度作為荷載施加于后續(xù)的結(jié)構(gòu)分析模型中，然后進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。1、間接偶合法分析步驟第一步：進(jìn)入前處理器，定義溫度場分析需要的單元類型solid70，按照模擬施工過程的需要定義材料屬性，每個(gè)施工過程定義一種材料，按照施工過程建立有限元模型； 第二步：溫度場的求解，包括定義分析時(shí)間，定義

3、初始溫度，按照施工過程逐步激活相應(yīng)單元，施加水化熱，刪除或施加熱邊界條件等；第三步：查看溫度場求解結(jié)果，可進(jìn)入后處理查看各個(gè)施工階段的溫度場，也可以進(jìn)入時(shí)間歷程處理器查看各個(gè)節(jié)點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化的函數(shù)等；第四步：重新進(jìn)入前處理器，將溫度場分析單元solid70轉(zhuǎn)換成應(yīng)力場分析單元solid45，定義結(jié)構(gòu)分析的材料屬性及參考溫度，每一分析步驟定義一種材料，用于模擬混凝土彈性模量的變化過程；1第五步：進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，包括按照施工過程逐步激活相應(yīng)單元，施加或刪除約束，施加重力荷載，將節(jié)點(diǎn)溫度作為荷載施加于結(jié)構(gòu)之上等；第六步：應(yīng)力場求解后處理，包括查看各個(gè)施工階段的應(yīng)力場，徐變的實(shí)現(xiàn)等。 2溫度場的求解2

4、.1混凝土 dQ 熱傳導(dǎo)速率，W或J/s；dA 導(dǎo)熱面積，m2；¶T/¶n 溫度梯度，/m或K/m；l 導(dǎo)熱系數(shù)，表征材料導(dǎo)熱性能的物性參數(shù)，l越大，導(dǎo)熱性能越好，W/(m·)或W/(m·K)。用熱通量來表示：q=dQ¶T=-l dA¶n各向同性的均勻物體，2q絕熱升溫，； c比熱容，kJ/kg·r為物體密度，kg/m3。溫度場T=T(x,y,z,t)還必須滿足初始條件和邊界條件。22.2初始條件溫度場的T=T(x,y,z,t)初始條件為T(x,y,z,t0)=T0(x,y,z)施加初始條件的APDL實(shí)現(xiàn)：Nsel,s, !

5、選擇定義初始溫度的節(jié)點(diǎn)Ic,all,temp,initial_tp ! initial_tp為初始溫度2.3熱學(xué)分析邊界條件第一類邊界條件為，混凝土外表溫度Tb是時(shí)間的函數(shù)，即Tb=f(t)第二類邊界條件為，混凝土外表的熱流量是時(shí)間的函數(shù)，即æ¶Tö-lç÷=f(t) ¶nèøb式中n外表的法線，假設(shè)外表是絕熱的，那么第二類邊界條件的APDL實(shí)現(xiàn)：*DIM,ABC,ARRAY,4 ! Declares dimensions of array parameter ABC ABC(1)=400,587.2,965.6,

6、740 ! Defines values for ABCSFFUN,HFLUX,ABC(1) ! ABC to be used as heat flux functionSF,ALL,HFLUX,100 ! Heat flux of 100 on all selected nodes第三類邊界條件為，混凝土外表的熱流量與混凝土外表溫度Tb和環(huán)境溫度Ta之差成正比，即 ¶T=0。 ¶næ¶Tö-lç÷=b(Tb-Ta) è¶nøb式中b混凝土外表的對流換熱系數(shù)，b=0時(shí)方程轉(zhuǎn)化為絕熱條件；Tb混凝

7、土外表溫度；Ta環(huán)境溫度，如氣溫、水溫。當(dāng)混凝土外表同時(shí)受到日照輻射R時(shí)，相當(dāng)于環(huán)境溫度提高了R/b，也屬于第三類邊 3界條件。第三類邊界條件的APDL實(shí)現(xiàn)：Cmsel,s,sides ! sides為一邊界節(jié)點(diǎn)組名稱Sf,all,conv,beta,ta ! 施加對流換熱系數(shù)beta及環(huán)境溫度ta 2.4熱學(xué)分析參數(shù)的物理意義及取值 1比熱容c比熱容又簡稱比熱，其物理意義為，單位質(zhì)量的物體溫度升高或降低1攝氏度吸收或放出的熱量，其根本單位為kJ/kg·，水的比熱容為4.2 kJ/kg·，混凝土和巖石的比熱容約0.950.97 kJ/kg·，土壤的比熱容約1.0

8、kJ/kg·2導(dǎo)熱系數(shù)導(dǎo)熱系數(shù)是指在穩(wěn)定傳熱條件下，1m厚的材料，兩側(cè)外表的溫差為1度K,°C,在1秒內(nèi)，通過1平方米面積傳遞的熱量，單位為瓦/米·度W/m·K或 W/m·。在熱學(xué)分析中有時(shí)需要根據(jù)時(shí)間步長對導(dǎo)熱系數(shù)的單位進(jìn)行換算，即1W/m·=3.6kJ/m·h·，或1W/m·=86.4kJ/m·d·。各種材料的導(dǎo)熱系數(shù)如下表所示：表 常用材料的導(dǎo)熱系數(shù)3對流換熱系數(shù)對流換熱系數(shù)用以表述流體與固體外表之間的換熱能力，其物理意義為，固體外表與附近流體溫差1，單位時(shí)間單位面積上通過對流與

9、附近流體交換的熱量，單位為W/(m2·)。與導(dǎo)熱系數(shù)相同，在熱學(xué)分析中有時(shí)需要根據(jù)時(shí)間步長對其單位進(jìn)行換算，即1W/m2·=3.6kJ/m2·h·，或1W/m2·=86.4kJ/m2·d·。外表對流換熱系數(shù)的數(shù)值與換熱過程中流體的物理性質(zhì)、換熱外表的形狀、部位、外表與流體之間的溫差以及流體的流速等都有密切關(guān)系。在不同的情況下，傳熱強(qiáng)度會發(fā)生成倍甚至成千倍的變化，所以對流換熱是一個(gè)受許多4因素影響且其強(qiáng)度變化幅度又很大的復(fù)雜過程。對流換熱系數(shù)的大致量級為，空氣自然對流=5 25，氣體強(qiáng)制對流=20 100， 水的自然對流=20

10、0 1000，水的強(qiáng)制對流=1000 15000，油類的強(qiáng)制對流=50 1500，水蒸氣的冷凝=5000 15000，有機(jī)蒸汽的冷凝=500 2000，水的沸騰=2500 25000。當(dāng)混凝土外表存在模板和保溫材料時(shí)，可按下式計(jì)算等效對流換熱系數(shù)：b=1i1ål+biq式中di各種保溫材料或模板的厚度(m)； li各種保溫材料或模板的導(dǎo)熱系數(shù)W/m·。 bq外表空氣或水的對流換熱系數(shù)W/m2·材料屬性的定義方法：Mp,dens,mp_num,2400 !第mp_num種材料密度2400Mp,kxx, mp_num,8.28 !第mp_num種材料的導(dǎo)熱系數(shù)8.28

11、Mp,c, mp_num,0.948 !第mp_num種材料的比熱容0.9482.5水化熱的施加在ansys中，混凝土的水化熱是通過生熱率來施加的，生熱率就是單位時(shí)間內(nèi)混凝土產(chǎn)生的水化熱，即水化熱對時(shí)間的導(dǎo)數(shù)。因此確定水化熱的時(shí)間函數(shù)是施加生熱率的關(guān)鍵，水化熱的時(shí)間函數(shù)根本形式為Q(t)=QC×MC(1-e-mt)式中Q(t)在齡期t時(shí)產(chǎn)生的水化熱，kJ/m3；QC每公斤水泥產(chǎn)生的水化熱，kJ/kg；MC每立方米混凝土的水泥用量，kg/m3；m水泥水化速率系數(shù)，d-1；t齡期，d。一般來說，幾種不同品種的水泥水化熱QC為，普通硅酸鹽水泥QC=375525kJ/kg，抗硫酸鹽水泥和礦渣

12、水泥QC=355440J/g，火山灰水泥QC=315420 kJ/kg。5水化速率系數(shù)m反響水泥的水化速度，其值越大那么水化速度越快。m的取值至今還沒有統(tǒng)一，各種文獻(xiàn)對m取值范圍為0.31.5。施加水化熱的APDL實(shí)現(xiàn)：*dim,he00,array,hour !定義生熱率，hour為分析時(shí)間h*do,I,1,hourHe00(i)=qc*mc*(exp(-m*(i-1)/24)- exp(-m*(i)/24)*enddoESEL,S,MAT,2 !選擇相應(yīng)材料的單元，此處材料號為2Bfe,all,hgen,He00(i-t2) !加相應(yīng)施工階段的水化熱，t2為材料號為2的混凝土澆筑時(shí)間h3應(yīng)

13、力場的求解應(yīng)力場求解的關(guān)鍵幾步為，1重新進(jìn)入前處理器，轉(zhuǎn)換將溫度場分析單元solid70轉(zhuǎn)換成應(yīng)力場分析單元solid45；2定義一系列的材料屬性，用以模擬混凝土彈性模量隨齡期的變化；3施加重力、溫度等荷載；4徐變效應(yīng)的處理。3.1單元轉(zhuǎn)換可以采用以下命令將度場分析單元solid70轉(zhuǎn)換成應(yīng)力場分析單元solid45：ETCHG,TTS也可以通過重新定義結(jié)構(gòu)單元實(shí)現(xiàn)類型轉(zhuǎn)換：Et,1,solid453.2彈性模量ANSYS中彈性模量變化的實(shí)現(xiàn)方法為，在前處理器中定義一系列的材料屬性，用以模擬混凝土彈性模量隨齡期的變化，在求解器中逐步改變各個(gè)齡期混凝土的材料編號。混凝土的彈性模量隨齡期的變化可以

14、取指數(shù)式、修正指數(shù)式或復(fù)合指數(shù)式等形式。設(shè)混凝土彈性模量隨齡期的變化函數(shù)為：E(t)=3´10101-exp(-0.28´t0.52)式中t齡期，d。彈性模量變化的APDL實(shí)現(xiàn)：在前處理器中*do,i,2,hour+1,1T_exx=i-1.56 ()EXX=3e10*(1-exp(-0.28*(T_exx /24)*0.52)Mp,ex,i,exx ！同時(shí)定義材料密度、熱膨脹系數(shù)、泊松比、參考溫度等參數(shù)*enddo在求解器中*do,I,1,hour*if,i,eq,t2,thenESEL,S,MAT, !選擇第2層混凝土單元Mpchg,1,all !改變其材料屬性*end

15、if*if,i,gt,t2,thenESEL,S,MAT,i-t2 !選擇第2層混凝土單元Ealive,allMpchg,1+i-t2,all !改變其材料屬性*endif*enddo3.3施加荷載將重力荷載、溫度場分析中得到的節(jié)點(diǎn)溫度作為荷載施加于應(yīng)力場分析模型，APDL實(shí)現(xiàn)方法為：ACEL,0,9.8,0 !y方向加重力加速度9.8LDREAD,TEMP, , ,T, ,file_name,rth, ! file_name為文件名3.4徐變效應(yīng)可以采用隱式算法中的第6 個(gè)模型或者采用增量法，即在ANSYS 計(jì)算溫度應(yīng)力時(shí)不考慮徐變的影響，而是在結(jié)果文件的后處理中利用應(yīng)力松弛系數(shù)來考慮混凝土的徐變。步驟如下：1將時(shí)間劃分為和ANSYS 分析過程中的時(shí)間步的設(shè)定一致的n 個(gè)時(shí)間階段；2根據(jù)熱應(yīng)力分析的結(jié)果文件，計(jì)算每一時(shí)段Dti內(nèi)的溫度應(yīng)力增量Dsi；3計(jì)算相應(yīng)時(shí)刻的混凝土的應(yīng)力松弛系數(shù)H(t,t)；4按下式計(jì)算徐變溫度應(yīng)力：s(t)=åDsi×H(t,t) *i=1m式中：s*(t)徐變溫度應(yīng)力；t計(jì)算時(shí)刻的混凝土齡期；7m混凝土齡期t劃分的時(shí)段數(shù)；H(t,t)混凝土的應(yīng)力松弛系數(shù)。4結(jié)論與討論采用有限元軟件ANSYS進(jìn)行大體積混凝土施工過程的溫度場和應(yīng)力場分析的關(guān)鍵在于采用APDL編寫符合實(shí)際過程的程序，生熱率、溫度荷載、彈性模量等時(shí)