ANSYS模拟大体积混凝土浇筑过程的基本方法

1、ANSYS模拟大体积混凝土浇筑过程的根本方法魏尊祥摘要：关键词：ANSYS APDL 大体积混凝土 间接耦合法大体积混凝土通常指结构实体最小尺寸等于或大于1m，或预计会因水泥水化热引起混凝土内外温差过大而导致裂缝的混凝土。大体积混凝土自混凝土浇筑始至水泥发热根本结束，该时段内混凝土的弹性模量急剧增长，在这一时期混凝土中会形成剩余应力。自水泥发热根本结束至混凝土冷却到稳定温度时，混凝土的弹性模量那么变化不大，温度应力主要由于混凝土的冷却引起。引起温度应力的原因有两种，一是结构本身各局部之间相互约束而产生温度应力，二是结构边缘受到外界约束、温度变化时不能自由变形而产生的应力。温度应力和自重应力均存

2、在徐变效应。显然大体积混凝土浇筑过程既要进行温度场的模拟，又要进行应力场的模拟，属于两种场的耦合场分析。ANSYS提供了两种耦合场分析方法直接耦合法和间接偶合法。直接偶合法的耦合单元包含所有所需的自由度，可以通过一次求解得到耦合场分析结果。ansys采用间接耦合法模拟大体积混凝土浇筑过程时，先进行热分析，将得到的节点温度作为荷载施加于后续的结构分析模型中，然后进行结构分析。1、间接偶合法分析步骤第一步：进入前处理器，定义温度场分析需要的单元类型solid70，按照模拟施工过程的需要定义材料属性，每个施工过程定义一种材料，按照施工过程建立有限元模型； 第二步：温度场的求解，包括定义分析时间，定义

3、初始温度，按照施工过程逐步激活相应单元，施加水化热，删除或施加热边界条件等；第三步：查看温度场求解结果，可进入后处理查看各个施工阶段的温度场，也可以进入时间历程处理器查看各个节点温度随时间变化的函数等；第四步：重新进入前处理器，将温度场分析单元solid70转换成应力场分析单元solid45，定义结构分析的材料属性及参考温度，每一分析步骤定义一种材料，用于模拟混凝土弹性模量的变化过程；1第五步：进行结构分析，包括按照施工过程逐步激活相应单元，施加或删除约束，施加重力荷载，将节点温度作为荷载施加于结构之上等；第六步：应力场求解后处理，包括查看各个施工阶段的应力场，徐变的实现等。 2温度场的求解2

4、.1混凝土 dQ 热传导速率，W或J/s；dA 导热面积，m2；¶T/¶n 温度梯度，/m或K/m；l 导热系数，表征材料导热性能的物性参数，l越大，导热性能越好，W/(m·)或W/(m·K)。用热通量来表示：q=dQ¶T=-l dA¶n各向同性的均匀物体，2q绝热升温，； c比热容，kJ/kg·r为物体密度，kg/m3。温度场T=T(x,y,z,t)还必须满足初始条件和边界条件。22.2初始条件温度场的T=T(x,y,z,t)初始条件为T(x,y,z,t0)=T0(x,y,z)施加初始条件的APDL实现：Nsel,s, !

5、选择定义初始温度的节点Ic,all,temp,initial_tp ! initial_tp为初始温度2.3热学分析边界条件第一类边界条件为，混凝土外表温度Tb是时间的函数，即Tb=f(t)第二类边界条件为，混凝土外表的热流量是时间的函数，即æ¶Tö-lç÷=f(t) ¶nèøb式中n外表的法线，假设外表是绝热的，那么第二类边界条件的APDL实现：*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第三类边界条件为，混凝土外表的热流量与混凝土外表温度Tb和环境温度Ta之差成正比，即 ¶T=0。 ¶næ¶Tö-lç÷=b(Tb-Ta) è¶nøb式中b混凝土外表的对流换热系数，b=0时方程转化为绝热条件；Tb混凝

7、土外表温度；Ta环境温度，如气温、水温。当混凝土外表同时受到日照辐射R时，相当于环境温度提高了R/b，也属于第三类边 3界条件。第三类边界条件的APDL实现：Cmsel,s,sides ! sides为一边界节点组名称Sf,all,conv,beta,ta ! 施加对流换热系数beta及环境温度ta 2.4热学分析参数的物理意义及取值 1比热容c比热容又简称比热，其物理意义为，单位质量的物体温度升高或降低1摄氏度吸收或放出的热量，其根本单位为kJ/kg·，水的比热容为4.2 kJ/kg·，混凝土和岩石的比热容约0.950.97 kJ/kg·，土壤的比热容约1.0

8、kJ/kg·2导热系数导热系数是指在稳定传热条件下，1m厚的材料，两侧外表的温差为1度K,°C,在1秒内，通过1平方米面积传递的热量，单位为瓦/米·度W/m·K或 W/m·。在热学分析中有时需要根据时间步长对导热系数的单位进行换算，即1W/m·=3.6kJ/m·h·，或1W/m·=86.4kJ/m·d·。各种材料的导热系数如下表所示：表 常用材料的导热系数3对流换热系数对流换热系数用以表述流体与固体外表之间的换热能力，其物理意义为，固体外表与附近流体温差1，单位时间单位面积上通过对流与

9、附近流体交换的热量，单位为W/(m2·)。与导热系数相同，在热学分析中有时需要根据时间步长对其单位进行换算，即1W/m2·=3.6kJ/m2·h·，或1W/m2·=86.4kJ/m2·d·。外表对流换热系数的数值与换热过程中流体的物理性质、换热外表的形状、部位、外表与流体之间的温差以及流体的流速等都有密切关系。在不同的情况下，传热强度会发生成倍甚至成千倍的变化，所以对流换热是一个受许多4因素影响且其强度变化幅度又很大的复杂过程。对流换热系数的大致量级为，空气自然对流=5 25，气体强制对流=20 100， 水的自然对流=20

10、0 1000，水的强制对流=1000 15000，油类的强制对流=50 1500，水蒸气的冷凝=5000 15000，有机蒸汽的冷凝=500 2000，水的沸腾=2500 25000。当混凝土外表存在模板和保温材料时，可按下式计算等效对流换热系数：b=1i1ål+biq式中di各种保温材料或模板的厚度(m)； li各种保温材料或模板的导热系数W/m·。 bq外表空气或水的对流换热系数W/m2·材料属性的定义方法：Mp,dens,mp_num,2400 !第mp_num种材料密度2400Mp,kxx, mp_num,8.28 !第mp_num种材料的导热系数8.28

11、Mp,c, mp_num,0.948 !第mp_num种材料的比热容0.9482.5水化热的施加在ansys中，混凝土的水化热是通过生热率来施加的，生热率就是单位时间内混凝土产生的水化热，即水化热对时间的导数。因此确定水化热的时间函数是施加生热率的关键，水化热的时间函数根本形式为Q(t)=QC×MC(1-e-mt)式中Q(t)在龄期t时产生的水化热，kJ/m3；QC每公斤水泥产生的水化热，kJ/kg；MC每立方米混凝土的水泥用量，kg/m3；m水泥水化速率系数，d-1；t龄期，d。一般来说，几种不同品种的水泥水化热QC为，普通硅酸盐水泥QC=375525kJ/kg，抗硫酸盐水泥和矿渣

12、水泥QC=355440J/g，火山灰水泥QC=315420 kJ/kg。5水化速率系数m反响水泥的水化速度，其值越大那么水化速度越快。m的取值至今还没有统一，各种文献对m取值范围为0.31.5。施加水化热的APDL实现：*dim,he00,array,hour !定义生热率，hour为分析时间h*do,I,1,hourHe00(i)=qc*mc*(exp(-m*(i-1)/24)- exp(-m*(i)/24)*enddoESEL,S,MAT,2 !选择相应材料的单元，此处材料号为2Bfe,all,hgen,He00(i-t2) !加相应施工阶段的水化热，t2为材料号为2的混凝土浇筑时间h3应

13、力场的求解应力场求解的关键几步为，1重新进入前处理器，转换将温度场分析单元solid70转换成应力场分析单元solid45；2定义一系列的材料属性，用以模拟混凝土弹性模量随龄期的变化；3施加重力、温度等荷载；4徐变效应的处理。3.1单元转换可以采用以下命令将度场分析单元solid70转换成应力场分析单元solid45：ETCHG,TTS也可以通过重新定义结构单元实现类型转换：Et,1,solid453.2弹性模量ANSYS中弹性模量变化的实现方法为，在前处理器中定义一系列的材料属性，用以模拟混凝土弹性模量随龄期的变化，在求解器中逐步改变各个龄期混凝土的材料编号。混凝土的弹性模量随龄期的变化可以

14、取指数式、修正指数式或复合指数式等形式。设混凝土弹性模量随龄期的变化函数为：E(t)=3´10101-exp(-0.28´t0.52)式中t龄期，d。弹性模量变化的APDL实现：在前处理器中*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 ！同时定义材料密度、热膨胀系数、泊松比、参考温度等参数*enddo在求解器中*do,I,1,hour*if,i,eq,t2,thenESEL,S,MAT, !选择第2层混凝土单元Mpchg,1,all !改变其材料属性*end

15、if*if,i,gt,t2,thenESEL,S,MAT,i-t2 !选择第2层混凝土单元Ealive,allMpchg,1+i-t2,all !改变其材料属性*endif*enddo3.3施加荷载将重力荷载、温度场分析中得到的节点温度作为荷载施加于应力场分析模型，APDL实现方法为：ACEL,0,9.8,0 !y方向加重力加速度9.8LDREAD,TEMP, , ,T, ,file_name,rth, ! file_name为文件名3.4徐变效应可以采用隐式算法中的第6 个模型或者采用增量法，即在ANSYS 计算温度应力时不考虑徐变的影响，而是在结果文件的后处理中利用应力松弛系数来考虑混凝土的徐变。步骤如下：1将时间划分为和ANSYS 分析过程中的时间步的设定一致的n 个时间阶段；2根据热应力分析的结果文件，计算每一时段Dti内的温度应力增量Dsi；3计算相应时刻的混凝土的应力松弛系数H(t,t)；4按下式计算徐变温度应力：s(t)=åDsi×H(t,t) *i=1m式中：s*(t)徐变温度应力；t计算时刻的混凝土龄期；7m混凝土龄期t划分的时段数；H(t,t)混凝土的应力松弛系数。4结论与讨论采用有限元软件ANSYS进行大体积混凝土施工过程的温度场和应力场分析的关键在于采用APDL编写符合实际过程的程序，生热率、温度荷载、弹性模量等时