ANSYS模拟大体积混凝土浇筑过程的基本方法

摘要：本文介绍了利用有限元程序ANSYS模拟大体积混凝土浇筑过程的基本原理，以及使用APDL进行温度场和应力场的分析方法。文章对分析模型中主要参数的物理含义及取值方法进行了详细介绍，对使用的主要命令也作了简单介绍。

关键词：ANSYS;APDL;大体积混凝土;温度场；应力场;间接耦合法

中图分类号： TV544+.91 文献标识码： A 文章编号：

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[1]。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[2]，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[3]。

1间接耦合法分析步骤

间接耦合法的基本步骤如下：

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；

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

2.1混凝土内部热传导规律

设混凝土内部的温度场为：

式中：T─某点的温度，℃；

x,y,z─某点的坐标；

─时间。

混凝土内部的热传导遵循傅立叶定律：某一微元的热传导速率（单位时间内传导的热量）与该微元等温面的法向温度梯度及该微元的导热面积成正比。

式中：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；

─导热系数，表征材料导热性能的物性参数，越大，导热性能越好，W/(m·℃)或W/(m·K)。

用热通量来表示：

各向同性的均匀物体，内部有热源时，传热满足下式：

式中：；

─绝热升温，℃；

─比热容，kJ/kg·℃；

─为物体密度，kg/m3。

温度场还必须满足初始条件和边界条件。

2.2初始条件

温度场的初始条件为

施加初始条件的APDL实现：

Nsel, s, , ,!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，混凝土表面温度是时间的已知函数，即

第二类边界条件为，混凝土表面的热流量是时间的已知函数，即

式中：─表面的法线，若表面是绝热的，则。

第二类边界条件的APDL实现：

*DIM, ABC, ARRAY, 4!Declares dimensions of array parameter ABC

ABC(1)=400,587.2,965.6,740!Defines values for ABC

SFFUN, HFLUX, ABC(1)!ABC to be used as heat flux function

SF, ALL, HFLUX, 100!Heat flux of 100 on all selected nodes

第三类边界条件为，混凝土表面的热流量与混凝土表面温度和环境温度之差成正比，即

式中：─混凝土表面的对流换热系数，时方程转化为绝热条件；

─混凝土表面温度；

─环境温度，如气温、水温。

当混凝土表面同时受到日照辐射时，相当于环境温度提高了，也属于第三类边界条件。

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，其基本单位为（kJ/kg·℃），水的比热容为4.2 kJ/kg·℃，混凝土和岩石的比热容约0.95~0.97 kJ/kg·℃，土壤的比热容约1.0 kJ/kg·℃。

（2）导热系数λ

导热系数是指在稳定传热条件下，1m厚的材料，两侧表面的温差为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2.4-1 常用材料的导热系数

材料名称 导热系数λ

（3）对流换热系数β

对流换热系数β用以表述流体与固体表面之间的换热能力，其物理意义为，固体表面与附近流体温差1℃，单位时间单位面积上通过对流与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·℃。表面对流换热系数的数值与换热过程中流体的物理性质、换热表面的形状、部位、表面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β=5 ~ 25，气体强制对流β=20 ~ 100，水的自然对流β=200 ~1000，水的强制对流β=1000 ~ 15000，油类的强制对流β=50 ~ 1500，水蒸气的冷凝β=5000 ~ 15000，有机蒸汽的冷凝β=500 ~ 2000，水的沸腾β=2500 ~ 25000。

当混凝土表面存在模板和保温材料时，可按下式计算等效对流换热系数：

式中：─各种保温材料或模板的厚度(m)；

─各种保温材料或模板的导热系数（W/m·℃）；

─表面空气或水的对流换热系数（W/m2·℃）。