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構的溫度場有限元仿真計算,不少科研單位結合國家“七五”、“八五”和“九五”科技攻關課題,自行編制了大體積混凝土結構的溫度場計算程序,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的基礎上進行二次開發(fā),對已有的資源進行改造擴充以適應各種復雜體型的大體積混凝土結構溫度場計算,使大體積混凝土結構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質量認證。ANSYS軟件融結構、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格劃分工具,可以方便地構建數學模型和有限元模型,而且還提供了近200種單元類型。工程技術人員利用實體建模、網格劃分工具及豐富的單元類型可以方便而準確地構建反映實際工程結構的仿真計算模型。

(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構、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果以圖表、曲線、動畫等形式顯示或輸出,結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,如用戶界面設計語言(UIDL)、參數化程序設計語言(APDL)、用戶程序特性(UPFs)等。利用這些工具,用戶可以根據自己的需要定制、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)大體積混凝土結構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

在進行混凝土結構溫度場仿真計算時,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,分析混凝土結構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!殺死整個結構單元

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構、基巖三維有限元模型,然后將混凝土單元全部殺死,再依據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,在進行應力分析時,可以很方便地將SOUD70單元轉換為結構單元。

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。計算混凝土結構非穩(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法,計算出保溫后混凝土表面的放熱系數;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。

依據實際施工進度、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果與實測數據進行對比分析。

4.1 壩體表面點溫度對比分析

給出了埋設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,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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