基于ANSYS的大體積混凝土溫度場計算程序開發(fā)

2013-08-06 by:廣州ANSYS Workbench軟件培訓中心來源:仿真在線

1 概述

對于大體積混凝土結(jié)構(gòu)的溫度場有限元仿真計算,不少科研單位結(jié)合國家“七五”、“八五”和“九五”科技攻關(guān)課題,自行編制了大體積混凝土結(jié)構(gòu)的溫度場計算程序,開發(fā)模式基本都是采用FORTARN語言編制有限元程序庫加VB語言制作可視化界面。然而此種開發(fā)模式存在前處理不直觀、后處理不直接、開發(fā)的單元類型有限以及對實體模型和單元的形狀有較高要求等,實際應(yīng)用起來難免有些缺陷。

本文直接在大型商用有限元軟件ANSYS的基礎(chǔ)上進行二次開發(fā),對已有的資源進行改造擴充以適應(yīng)各種復雜體型的大體積混凝土結(jié)構(gòu)溫度場計算,使大體積混凝土結(jié)構(gòu)的溫度場計算仿真程序走向普及和通用。

2 ANSYS軟件的優(yōu)點

ANSYS軟件是美國ANSYS公司開發(fā)的大型通用商業(yè)有限元計算軟件,在FEA行業(yè)中第一個通過了ISO9001質(zhì)量認證。ANSYS軟件融結(jié)構(gòu)、流體、電場、磁場、聲場分析于一體,并可進行多物理場耦合計算,廣泛應(yīng)用于核工業(yè)、航空航天、國防軍工、土木工程、水利工程等行業(yè)的科研和設(shè)計。ANSYS具有以下主要特點:

(1)完備的前處理功能。ANSYS不僅提供了強大的實體建模及網(wǎng)格劃分工具,可以方便地構(gòu)建數(shù)學模型和有限元模型,而且還提供了近200種單元類型。工程技術(shù)人員利用實體建模、網(wǎng)格劃分工具及豐富的單元類型可以方便而準確地構(gòu)建反映實際工程結(jié)構(gòu)的仿真計算模型。

(2)強大的求解器。ANSYS提供了對多種物理場的分析,分析計算模塊包括結(jié)構(gòu)、熱、流體、磁場、聲場以及多物理場的耦合分析,分析的類型包括線性分析、非線性分析和高度非線性分析。另外,ANSYS還可模擬多種物理介質(zhì)的相互作用,具有靈敏度分析及優(yōu)化分析等功能。

(3)方便的后處理器,ANSYS軟件的后處理包括通用后處理模塊POST1和時間歷程后處理模塊POST26兩個部分。通過后處理器可以將計算結(jié)果以圖表、曲線、動畫等形式顯示或輸出,結(jié)果圖形顯示也有多種方式,如彩色云圖、等值線圖、矢量圖、粒子流跡圖、立體切片圖、歷時曲線圖等。

(4)良好的開放性。ANSYS除了具有較為完善的分析功能外,還具有良好的開放性,它為用戶提供了多種進行二次開發(fā)的工具,如用戶界面設(shè)計語言(UIDL)、參數(shù)化程序設(shè)計語言(APDL)、用戶程序特性(UPFs)等。利用這些工具,用戶可以根據(jù)自己的需要定制、研發(fā)專用程序。

本文即是利用ANSYS可二次開發(fā)的特點,研究開發(fā)大體積混凝土結(jié)構(gòu)的溫度場仿真計算程序。

3 ANSYS計算溫度場的可行性

3.1 熱分析模塊

在進行混凝土結(jié)構(gòu)溫度場仿真計算時,采用ANSYS熱分析模塊,運用熱平衡方程和有限元法計算各節(jié)點的溫度。ANSYS熱分析可分為穩(wěn)態(tài)傳熱和瞬態(tài)傳熱,分析混凝土結(jié)構(gòu)不同時刻溫度場即是采用瞬態(tài)傳熱。

3.2 混凝土澆筑過程模擬

模擬混凝土澆筑過程可采用ANSYS中的“單元生死”功能。所謂“殺死單元”,并不是將“殺死”的單元從模型中刪除,而是將其剛度(或其它分析特性)矩陣乘以一個很小的因子(缺省值為1.0×10^-6)。死單元的單元載荷為0,從而不對載荷向量生效。同樣,單元“出生”并不是將其加到模型中,而是將其重新激活。二次開發(fā)時用到的命令分別為:

ekill,whole_structure_element!殺死整個結(jié)構(gòu)單元

ealive,layer%i%_element!激活第i層混凝土單元

在進行有限元計算時,首先建立完整的混凝土結(jié)構(gòu)、基巖三維有限元模型,然后將混凝土單元全部殺死,再依據(jù)混凝士實際的澆筑進度計劃,分別激活當前所澆筑混凝土單元。

3.3 采用的單元

ANSYS熱分析模塊中8節(jié)點6面體SOUD70單元,具有3個方向的熱傳導能力,每個節(jié)點僅有一個溫度自由度,可以用于三維穩(wěn)態(tài)或瞬態(tài)的熱分析。SOUD70單元具有“單元生死”功能,可根據(jù)澆筑進度分別激活各層混凝土,然后采用DO循環(huán)語句控制,施加各層混凝土水化熱和對流邊界條件。另外,在進行應(yīng)力分析時,可以很方便地將SOUD70單元轉(zhuǎn)換為結(jié)構(gòu)單元。

3.4 邊界條件的施加

溫度場計算時,先將混凝土單元殺死,地基初始溫度按沿地基深度方向的實測點溫度值施加,中間采用線性插值。計算混凝土結(jié)構(gòu)非穩(wěn)定溫度場時(以混凝土重力壩為例說明),取地基4個側(cè)面和底面為絕熱邊界,頂面為第3類邊界;壩體橫縫面為絕熱邊界,上、下游面和混凝土施工倉面為散熱邊界即第3類邊界。水庫蓄水后,壩體上游面水位以下為第1類邊界條件,上游面水位以上及壩體下游面為第3類邊界條件。二次開發(fā)時用到的命令分別為:

3.5 溫控措施的施加

3.5.1 水管冷卻

ANSYS熱傳導分析提供統(tǒng)一的熱源和熱匯模型,在施加混凝土水化熱的同時可以將水管冷卻效果考慮進去。假定單位體積的混凝土在單位時間內(nèi)溫度井高所需熱量為Q,

式中:Q₁為混凝土水化熱;Q₂為水管冷卻吸收的熱量。

式中:c,ρ,θ分別代表混凝土的比熱、密度和水化熱絕熱溫升;τ為混凝土的齡期;φ都由于水管冷卻引起的混凝土溫降;t為通水時間;在施加混凝土水化熱時,可以同時嵌入水管冷卻效果。

3.5.2 表面保溫、流水及噴霧

表面保溫采用的等效表面放熱系數(shù)法,計算出保溫后混凝土表面的放熱系數(shù);混凝土表面有流水養(yǎng)護時,表面按第1類邊界條件處理,混凝土表面溫度為流水水溫;如有表面噴霧,按第3類邊界條件處理,根據(jù)噴霧效果的實測情況,適當降低環(huán)境溫度。

4 ANSYS進行壩體溫度場計算及與原型觀測值對比分析

某水利工程主河床碾壓混凝土壩段最大壩高130m,壩體澆筑混凝土由二級配和三級配碾壓混凝土組成。計算模型,壩基的計算范圍為沿深度方向和上、下游方向各延伸130m。整體模型中坐標原點在左側(cè)壩踵處,沿壩軸線方向為x方向,指向右岸為正;沿水流方向為y方向,指向下游為正;鉛直方向為z方向,向上為正。

混凝土及基巖的計算參數(shù)。

依據(jù)實際施工進度、澆筑溫度、材料分區(qū)、表面散熱條件及水庫的實際蓄水過程,應(yīng)用ANSYS對該碾壓混凝土壩的溫度場進行了仿真計算。計算的時間步長采用異步長。

為壩體部分溫度計埋設(shè)點的位置示意圖。下面分別將壩體表面和壩體中心點的溫度計算結(jié)果與實測數(shù)據(jù)進行對比分析。

4.1 壩體表面點溫度對比分析

給出了埋設(shè)于壩體上游面且距建基面29.0m的T₁⁵測點溫度實測值和仿真計算值隨時間的變化過程。壩體混凝土表面點溫度一般經(jīng)歷3個階段,即初始由于水化熱作用的溫升,然后向外界散熱而使得溫度降低,最后溫度隨外界溫度以年為單位呈周期性變化(或以年為周期呈規(guī)律變化)。T₁⁵測點實測值與仿真計算值均符合該規(guī)律,且兩者吻合很好,溫度實測最大值為30.6℃,計算最大值為29.3℃,兩者相差1.3℃,相對差為4.25%。

4.2 壩體中心點強度對比分析

給出了埋設(shè)于壩體中心且距建基面29.0m的T₃測點溫度實測值和仿真計算值隨時間的變化過程?；炷翝仓笥捎谒療岬淖饔?其溫度開始升高,而碾壓混凝土中摻有大量粉煤灰,使得其發(fā)熱速度較慢,澆筑后約2個月溫度達到最高值,隨后混凝土溫度開始下降,T₃測點處于壩體混凝土中心,向外界散熱的條件較差,因此溫度下降很緩慢?？梢钥闯?T₃測點溫度實測值與計算值隨時間的變化規(guī)律基本相同,溫度實測最大值為37.6℃,計算最大值為36.2℃,兩者相差1.4℃,相對差為3.72%。

給出了各測點的溫度實測值和計算值。實測值與計算值變化規(guī)律基本相同,溫度相差最大為1.8℃,相對差在±5.00%以內(nèi),說明ANSYS二次開發(fā)程序可以對混凝土壩的溫度場進行仿真計算分析,與實測值相比較精度較高。

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