基于ANSYS的大体积混凝土温度场计算程序开发

2013-08-06 by:广州ANSYS Workbench软件培训中心来源:仿真在线

1 概述

对于大体积混凝土结构的温度场有限元仿真计算,不少科研单位结合国家“七五”、“八五”和“九五”科技攻关课题,自行编制了大体积混凝土结构的温度场计算程序,开发模式基本都是采用FORTARN语言编制有限元程序库加VB语言制作可视化界面。然而此种开发模式存在前处理不直观、后处理不直接、开发的单元类型有限以及对实体模型和单元的形状有较高要求等,实际应用起来难免有些缺陷。

本文直接在大型商用有限元软件ANSYS的基础上进行二次开发,对已有的资源进行改造扩充以适应各种复杂体型的大体积混凝土结构温度场计算,使大体积混凝土结构的温度场计算仿真程序走向普及和通用。

2 ANSYS软件的优点

ANSYS软件是美国ANSYS公司开发的大型通用商业有限元计算软件,在FEA行业中第一个通过了ISO9001质量认证。ANSYS软件融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体,并可进行多物理场耦合计算,广泛应用于核工业、航空航天、国防军工、土木工程、水利工程等行业的科研和设计。ANSYS具有以下主要特点:

(1)完备的前处理功能。ANSYS不仅提供了强大的实体建模及网格划分工具,可以方便地构建数学模型和有限元模型,而且还提供了近200种单元类型。工程技术人员利用实体建模、网格划分工具及丰富的单元类型可以方便而准确地构建反映实际工程结构的仿真计算模型。

(2)强大的求解器。ANSYS提供了对多种物理场的分析,分析计算模块包括结构、热、流体、磁场、声场以及多物理场的耦合分析,分析的类型包括线性分析、非线性分析和高度非线性分析。另外,ANSYS还可模拟多种物理介质的相互作用,具有灵敏度分析及优化分析等功能。

(3)方便的后处理器,ANSYS软件的后处理包括通用后处理模块POST1和时间历程后处理模块POST26两个部分。通过后处理器可以将计算结果以图表、曲线、动画等形式显示或输出,结果图形显示也有多种方式,如彩色云图、等值线图、矢量图、粒子流迹图、立体切片图、历时曲线图等。

(4)良好的开放性。ANSYS除了具有较为完善的分析功能外,还具有良好的开放性,它为用户提供了多种进行二次开发的工具,如用户界面设计语言(UIDL)、参数化程序设计语言(APDL)、用户程序特性(UPFs)等。利用这些工具,用户可以根据自己的需要定制、研发专用程序。

本文即是利用ANSYS可二次开发的特点,研究开发大体积混凝土结构的温度场仿真计算程序。

3 ANSYS计算温度场的可行性

3.1 热分析模块

在进行混凝土结构温度场仿真计算时,采用ANSYS热分析模块,运用热平衡方程和有限元法计算各节点的温度。ANSYS热分析可分为稳态传热和瞬态传热,分析混凝土结构不同时刻温度场即是采用瞬态传热。

3.2 混凝土浇筑过程模拟

模拟混凝土浇筑过程可采用ANSYS中的“单元生死”功能。所谓“杀死单元”,并不是将“杀死”的单元从模型中删除,而是将其刚度(或其它分析特性)矩阵乘以一个很小的因子(缺省值为1.0×10^-6)。死单元的单元载荷为0,从而不对载荷向量生效。同样,单元“出生”并不是将其加到模型中,而是将其重新激活。二次开发时用到的命令分别为:

ekill,whole_structure_element!杀死整个结构单元

ealive,layer%i%_element!激活第i层混凝土单元

在进行有限元计算时,首先建立完整的混凝土结构、基岩三维有限元模型,然后将混凝土单元全部杀死,再依据混凝士实际的浇筑进度计划,分别激活当前所浇筑混凝土单元。

3.3 采用的单元

ANSYS热分析模块中8节点6面体SOUD70单元,具有3个方向的热传导能力,每个节点仅有一个温度自由度,可以用于三维稳态或瞬态的热分析。SOUD70单元具有“单元生死”功能,可根据浇筑进度分别激活各层混凝土,然后采用DO循环语句控制,施加各层混凝土水化热和对流边界条件。另外,在进行应力分析时,可以很方便地将SOUD70单元转换为结构单元。

3.4 边界条件的施加

温度场计算时,先将混凝土单元杀死,地基初始温度按沿地基深度方向的实测点温度值施加,中间采用线性插值。计算混凝土结构非稳定温度场时(以混凝土重力坝为例说明),取地基4个侧面和底面为绝热边界,顶面为第3类边界;坝体横缝面为绝热边界,上、下游面和混凝土施工仓面为散热边界即第3类边界。水库蓄水后,坝体上游面水位以下为第1类边界条件,上游面水位以上及坝体下游面为第3类边界条件。二次开发时用到的命令分别为:

3.5 温控措施的施加

3.5.1 水管冷却

ANSYS热传导分析提供统一的热源和热汇模型,在施加混凝土水化热的同时可以将水管冷却效果考虑进去。假定单位体积的混凝土在单位时间内温度井高所需热量为Q,

式中:Q₁为混凝土水化热;Q₂为水管冷却吸收的热量。

式中:c,ρ,θ分别代表混凝土的比热、密度和水化热绝热温升;τ为混凝土的龄期;φ都由于水管冷却引起的混凝土温降;t为通水时间;在施加混凝土水化热时,可以同时嵌入水管冷却效果。

3.5.2 表面保温、流水及喷雾

表面保温采用的等效表面放热系数法,计算出保温后混凝土表面的放热系数;混凝土表面有流水养护时,表面按第1类边界条件处理,混凝土表面温度为流水水温;如有表面喷雾,按第3类边界条件处理,根据喷雾效果的实测情况,适当降低环境温度。

4 ANSYS进行坝体温度场计算及与原型观测值对比分析

某水利工程主河床碾压混凝土坝段最大坝高130m,坝体浇筑混凝土由二级配和三级配碾压混凝土组成。计算模型,坝基的计算范围为沿深度方向和上、下游方向各延伸130m。整体模型中坐标原点在左侧坝踵处,沿坝轴线方向为x方向,指向右岸为正;沿水流方向为y方向,指向下游为正;铅直方向为z方向,向上为正。

混凝土及基岩的计算参数。

依据实际施工进度、浇筑温度、材料分区、表面散热条件及水库的实际蓄水过程,应用ANSYS对该碾压混凝土坝的温度场进行了仿真计算。计算的时间步长采用异步长。

为坝体部分温度计埋设点的位置示意图。下面分别将坝体表面和坝体中心点的温度计算结果与实测数据进行对比分析。

4.1 坝体表面点温度对比分析

给出了埋设于坝体上游面且距建基面29.0m的T₁⁵测点温度实测值和仿真计算值随时间的变化过程。坝体混凝土表面点温度一般经历3个阶段,即初始由于水化热作用的温升,然后向外界散热而使得温度降低,最后温度随外界温度以年为单位呈周期性变化(或以年为周期呈规律变化)。T₁⁵测点实测值与仿真计算值均符合该规律,且两者吻合很好,温度实测最大值为30.6℃,计算最大值为29.3℃,两者相差1.3℃,相对差为4.25%。

4.2 坝体中心点强度对比分析

给出了埋设于坝体中心且距建基面29.0m的T₃测点温度实测值和仿真计算值随时间的变化过程。混凝土浇筑后由于水化热的作用,其温度开始升高,而碾压混凝土中掺有大量粉煤灰,使得其发热速度较慢,浇筑后约2个月温度达到最高值,随后混凝土温度开始下降,T₃测点处于坝体混凝土中心,向外界散热的条件较差,因此温度下降很缓慢。可以看出:T₃测点温度实测值与计算值随时间的变化规律基本相同,温度实测最大值为37.6℃,计算最大值为36.2℃,两者相差1.4℃,相对差为3.72%。

给出了各测点的温度实测值和计算值。实测值与计算值变化规律基本相同,温度相差最大为1.8℃,相对差在±5.00%以内,说明ANSYS二次开发程序可以对混凝土坝的温度场进行仿真计算分析,与实测值相比较精度较高。

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