基于ANSYS實現(xiàn)大體積混凝土施工仿真及溫度應(yīng)力計算

唐譽興

摘要：近10年來水電設(shè)計水平不斷提高，有限元分析已經(jīng)成為水電設(shè)計行業(yè)不可缺少的設(shè)計依據(jù)，Ansys軟件是一個以有限元分析為基礎(chǔ)的大型通用CAE軟件，運用ANSYS的參數(shù)化編程（AnsysParameterDesignLanguage，APDL），設(shè)計人員可以實現(xiàn)大體積混凝土施工仿真計算，從而實現(xiàn)對施工過程和質(zhì)量的及時跟蹤和把握，及時調(diào)整溫控措施和方案，提高設(shè)計質(zhì)量和效率。

關(guān)鍵詞：大體積混凝土；施工仿真；有限元分析；ANSYS溫度應(yīng)力計算

一、引言

雖然目前國內(nèi)許多科研單位均有強大的實力進行溫控計算，一些大項目可委托科研單位進行詳細(xì)的溫控計算。但是溫控計算結(jié)果與混凝土澆筑時的外部氣候條件、采取的溫控措施有關(guān)，在工程實施時，往往是實際澆筑時的外部條件與委托計算的外部條件相差很大。基于ANSYS平臺自行研發(fā)編寫一些計算程序，可以緊跟施工實際情況，及時的把握澆筑施工過程的溫度及應(yīng)力變化情況，從而避免出現(xiàn)前期委托計算與實際施工不符，導(dǎo)致溫控計算結(jié)果與實際差別過大，無法為設(shè)計人員采取溫控措施提供有效依據(jù)。

目前國內(nèi)很多科研單位均有自己的計算程序，但是非溫控設(shè)計人員自己計算而委托科研單位計算，存在以下問題：

a）委托計算周期長，需在工程實施前委托，并提出計算成果；

b）計算成果不便于設(shè)計人員對其結(jié)果是否合理進行迅速的判斷；

c）不能緊跟工程實際施工時的外部條件的變化，隨時掌握大體積混凝土的溫度及應(yīng)力情況，無法合理調(diào)整溫控措施；

大體積混凝土溫控措施的采取需要一定的溫度應(yīng)力計算作為依據(jù)，設(shè)計人員自己可以進行計算是大勢所趨，是設(shè)計院設(shè)計水平的體現(xiàn)，不僅能使設(shè)計更有說服力，還能夠節(jié)約設(shè)計時間，提高設(shè)計效率，節(jié)約設(shè)計成本。

二、ANSYS簡介

近10年來水電設(shè)計水平不斷提高，有限元分析已經(jīng)成為水電設(shè)計行業(yè)不可缺少的設(shè)計依據(jù)，例如結(jié)構(gòu)穩(wěn)定計算，結(jié)構(gòu)應(yīng)力計算等等，都離不開有限元分析。水電設(shè)計行業(yè)發(fā)展到今天，有限元分析已經(jīng)相當(dāng)成熟并得到了業(yè)內(nèi)人士的廣泛認(rèn)可。與學(xué)習(xí)有限元理論并完全自己編制程序相比，學(xué)習(xí)使用市面上已有的有限元軟件要簡單得多。

ANSYS軟件是一個以有限元分析為基礎(chǔ)的大型通用CAE軟件，具有良好的前、后處理功能和強大的計算內(nèi)核，已得到了全球工業(yè)界的認(rèn)可。它在水電行業(yè)的使用也并非新鮮事物，我院相當(dāng)多的年輕設(shè)計人員都掌握了ANSYS軟件，經(jīng)常使用ANSYS進行應(yīng)力分析。對水電結(jié)構(gòu)設(shè)計來說，ANSYS可以做到a）建立結(jié)構(gòu)模型，b）加載結(jié)構(gòu)荷載，c）進行結(jié)構(gòu)熱、力學(xué)有限元分析，d）顯示分析結(jié)果并可對結(jié)果進行運算。

三、利用ANSYS實現(xiàn)大體積混凝土施工仿真計算

3.1 基于ANSYS實現(xiàn)施工仿真計算的思路

對于溫控設(shè)計人員需要的大體積混凝土施工仿真計算，ANSYS軟件可以進行模型建立，并使用ANSYS的計算內(nèi)核進行有限元分析，并顯示最后的結(jié)果。但由于軟件開發(fā)商更重視軟件的通用性，因此軟件的專業(yè)性能一般不好，需要對軟件進行二次開發(fā)，運用ANSYS的參數(shù)化編程（AnsysParameterDesignLanguage，APDL）解決以下問題：

模擬施工澆筑過程

模擬環(huán)境溫度變化

模擬水管冷卻過程

模擬混凝土的徐變

我們編寫程序的目標(biāo)是能夠自動讀取施工環(huán)境及混凝土熱、力學(xué)性能，施工過程模擬等參數(shù)加載于計算之中，并對已建好的模型進行仿真計算，最后顯示結(jié)果。

3.2關(guān)鍵技術(shù)及實現(xiàn)

3.2.1結(jié)構(gòu)建模

3.2.1.1模擬施工過程的建模

計算過程由程序進行引導(dǎo)之后，建模成為用時較多的步驟之一，經(jīng)過對計算程序的不斷改進，對建立模型的要求越來越容易，但所建立的模型必須要達到一定的要求，以求反映真實的結(jié)構(gòu)的同時，方便程序調(diào)用，進行施工過程的模擬。

a）混凝土模型的尺寸與實際工程大體一致，并模擬出混凝土澆筑的實際形態(tài)。

b）為混凝土結(jié)構(gòu)模擬地基，一般要求根據(jù)實際開挖情況建立地基模型，深度應(yīng)大于混凝土結(jié)構(gòu)高度的兩倍。

c）按照實際施工的澆筑分層、分塊將模型分層不同的塊體，并進行標(biāo)識。

d）對各個澆筑塊體、地基等進行網(wǎng)格劃分，可定義ANSYS中用于溫度計算的八面體單元，在應(yīng)力計算時程序會自動將網(wǎng)格變換為結(jié)構(gòu)計算單元。

3.2.1.2約束條件

在實際工程中，往往會截取復(fù)雜結(jié)構(gòu)的一部分進行計算分析，因此，需事先在模型上加載約束。主要約束包括

a）地基底部三向應(yīng)力全約束（相當(dāng)于固端）及溫度約束（固定地基底部溫度為基礎(chǔ)溫度）。

b）模型結(jié)構(gòu)與非計算的相連結(jié)構(gòu)之間的溫度約束（即絕熱面）。

3.2.2參數(shù)化數(shù)據(jù)模擬施工過程

3.2.2.1數(shù)據(jù)輸入

要模擬施工過程，并模擬結(jié)構(gòu)溫度及應(yīng)力的變化，需要輸入必要的參數(shù)，這一部分由參數(shù)化編程（APDL）對事先輸入于文本文檔的參數(shù)進行調(diào)用，供程序模擬計算每天的溫度應(yīng)力變化時使用。

圖3.2-1為參數(shù)輸入的文本示例

圖3.2-1參數(shù)輸入文本示意

其中包括以下數(shù)據(jù)：

第一行：澆筑總層數(shù)，水管間距、半徑，水管一期、二期通水時間等參數(shù)

第二行：各澆筑塊澆筑溫度

第三行：各澆筑塊澆筑日期

第四行：各月平均溫度

第五行：各月平均水溫

第六行：計算時間步長，澆筑塊開澆日期，混凝土施工期，混凝土運行期

第七行：基礎(chǔ)彈模，密度，線脹系數(shù)，泊松比，導(dǎo)溫系數(shù)，比熱，散熱系數(shù)

第八行：混凝土彈模，密度，線脹系數(shù)，泊松比，導(dǎo)溫系數(shù)，比熱，散熱系數(shù)

第九行：絕熱溫升公式相關(guān)系數(shù)

第十行：徐變公式相關(guān)系數(shù)

3.2.2.2施工過程模擬

由參數(shù)化編程（APDL）實現(xiàn)對文本輸入的參數(shù)導(dǎo)入ANSYS，并進行施工過程的模擬，模擬的精度由計算時間步長決定，ANSYS將首先進行瞬態(tài)溫度有限元分析，利用ANSYS的單元生死功能，程序會自動加載計算時間段內(nèi)已經(jīng)澆筑的混凝土，從而實現(xiàn)施工過程的模擬。

3.2.2.3環(huán)境溫度變化模擬

由參數(shù)化編程（APDL）實現(xiàn)對文本輸入的參數(shù)導(dǎo)入ANSYS，并進行施工過程的模擬，模擬的精度由計算時間步長決定，ANSYS將首先進行瞬態(tài)溫度有限元分析，利用ANSYS的單元生死功能，程序會自動加載計算時間段內(nèi)已經(jīng)澆筑的混凝土，從而實現(xiàn)施工過程的模擬。

3.2.3結(jié)果顯示及分析

程序計算結(jié)束后，可以方便的使用ANSYS的后處理功能，對模擬結(jié)構(gòu)每一時段的溫度及應(yīng)力計算結(jié)果進行調(diào)看，也可進行數(shù)值計算和進一步分析，并形成圖表。

四、程序?qū)嶋H應(yīng)用

程序先后運用水電站廠房和泄水閘壩，雙曲拱壩，施工階段填塘，巖錨梁等等，其計算耗時主要是建模階段和成果檢查階段，對于模型比較簡單的工程問題，溫度計算可在2到3天完成，計算用時不足半小時。應(yīng)力計算的時間較長，但對于較為簡單的結(jié)構(gòu)，計算時間也在1天以內(nèi)，總用時間大約一周。對于較為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，以及施工過程較復(fù)雜的情況，則需要一個月左右的時間。

在工程試用中程序得到了許多改進，程序由原來對建模要求單元編號要求連續(xù)且與澆筑時間順序相同改為對單元編號無特殊要求，節(jié)省了大量的建模時間；在冷卻水管的效果模擬上，增加了水管半徑及間距的輸入，由程序自己計算冷卻效果等等。

五、總結(jié)

總的來說，基于ANSYS系統(tǒng)大體積混凝土溫度應(yīng)力計算程序已經(jīng)可以應(yīng)用于水電行業(yè)溫控設(shè)計計算當(dāng)中，這一技術(shù)可以提高設(shè)計人員的設(shè)計水平，也可以節(jié)約設(shè)計經(jīng)費，期望該程序在大體積混凝土溫控防裂設(shè)計方面發(fā)揮作用，為溫控設(shè)計提供有效的計算依據(jù)。

參考文獻

[1]朱伯芳《大體積混凝土溫度應(yīng)力與溫度控制》.中國電力出版社，1999.3

[2]龔曙光，謝桂蘭 《ANSYS操作命令與參數(shù)化編程》，機械工業(yè)出版社，2004.4