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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(huì)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(zhǎng),在這一時(shí)期混凝土中會(huì)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(chǎng)的模擬,又要進(jìn)行應(yīng)力場(chǎng)的模擬,屬于兩種場(chǎng)的耦合場(chǎng)分析。ANSYS提供了兩種耦合場(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)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(chǎng),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(chǎng)分析單元solid70轉(zhuǎn)換成應(yīng)力場(chǎng)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(chǎng)求解后處理,包括查看各個(gè)施工階段的應(yīng)力場(chǎng),徐變的實(shí)現(xiàn)等。 2溫度場(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)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(duì)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(duì)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(jiǎn)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(zhǎng)對(duì)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(duì)流換熱系數(shù)對(duì)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(duì)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(zhǎng)對(duì)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(duì)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(huì)發(fā)生成倍甚至成千倍的變化,所以對(duì)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(duì)流換熱系數(shù)的大致量級(jí)為,空氣自然對(duì)流=5 25,氣體強(qiáng)制對(duì)流=20 100, 水的自然對(duì)流=20
10、0 1000,水的強(qiáng)制對(duì)流=1000 15000,油類的強(qiáng)制對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(hào)為2Bfe,all,hgen,He00(i-t2) !加相應(yīng)施工階段的水化熱,t2為材料號(hào)為2的混凝土澆筑時(shí)間h3應(yīng)
13、力場(chǎng)的求解應(yīng)力場(chǎng)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(chǎng)分析單元solid70轉(zhuǎn)換成應(yīng)力場(chǎng)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(chǎng)分析單元solid70轉(zhuǎn)換成應(yīng)力場(chǎng)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(hào)?;炷恋膹椥阅A侩S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(chǎng)分析中得到的節(jié)點(diǎn)溫度作為荷載施加于應(yīng)力場(chǎng)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(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)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)
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