混凝土結構施工溫控仿真輔助分析軟件開發(fā)

　　 作者簡介：范吉明（1961-），男，高工，主要從事建筑施工技術和管理工作
　　通訊作者：強晟（1977-），男，副教授，博士，主要從事混凝土溫控防裂的研究
　　 摘要：目前專門用于混凝土施工期溫控防裂輔助分析軟件較少，而通用的商業(yè)有限元軟件往往要經(jīng)過二次開發(fā)才能對施工期混凝土結構常用的溫控措施進行精確仿真，在成熟的溫度場及應力場有限元計算程序基礎上，采用VC、Fortran語言和OpenGL圖形庫編制了便于人機交互的混凝土結構施工期溫控仿真分析軟件。介紹了該軟件研制方法，各模塊構成及主要功能。工程技術人員可以方便的采用該軟件對各種擬定的溫控方案進行仿真及對比分析，從而優(yōu)選出經(jīng)濟可靠的溫控方案，提高結構的質(zhì)量。
　　關鍵詞：混凝土溫度場應力場施工仿真軟件
　　中圖分類號：TV315文獻標識碼：A文章編號：1672-3791(2011)06(c)-0000-00
　　
　　目前，大體積混凝土結構已在國內(nèi)外很多大型水利、交通等工程中得到了廣泛的應用，其施工期防裂問題日趨受到關注。但目前專門用于混凝土結構溫度場及應力場的仿真計算軟件較少。商業(yè)軟件如 ANSYS、Marc等，其通用性很好，但針對性較差。這些軟件雖可以模擬混凝土結構溫度場及應力場問題，但對于影響因素較多的實際工程中混凝土結構溫度場及應力場計算實現(xiàn)較困難，對實際工程中的溫控措施進行精確的仿真需要對該軟件的做相應的二次開發(fā)[1]，對于一般的工程技術人員開展這類工作則很困難。針對該問題，在成熟的Fortran溫度場應力場計算程序基礎上，結合以往工程經(jīng)驗，開發(fā)了基于窗口操作的大體積混凝土溫控仿真輔助分析軟件TCAS。本軟件專門性強，操作簡單，界面友好，可以根據(jù)實際工程的具體結構特點及施工特點對混凝土結構溫度場及應力場進行高精度仿真計算，廣大的工程技術人員可以利用該軟件對混凝土結構的各種擬定溫控方案進行仿真計算對比分析，優(yōu)選出經(jīng)濟有效的溫控防裂措施，減少混凝土結構裂縫，提高混凝土結構的安全性能。
　　1 基本原理與技術
　　1.1基本計算原理
　　基本計算原理包括溫度場和應力場的計算。溫度場的核心計算方法是采用混凝土非穩(wěn)定溫度場的有關計算理論和有限元方法[1]。仿真計算中可以模擬混凝土氣候條件、澆筑溫度控制、外部保溫、分縫分塊等措施。水管冷卻計算模型能夠迭代計算冷卻水管沿程水溫的變化，計算結果與實際情況更加接近，其計算精度能夠滿足實際工程的需要。
　　在應力場計算時，考慮了徐變、自生體積變形、溫度變化、自重等外部荷載，具體算法采用文獻[1]中推薦的應力增量法。根據(jù)這種方法，計算出每一時間步的節(jié)點位移增量，從而可以計算出節(jié)點應變值及應力值。
　　1.2面向?qū)ο蠹夹g及開發(fā)工具
　　面向?qū)ο蠓椒ㄊ请S著面向?qū)ο蟪绦蛟O計的發(fā)展而逐步形成的。由于它強調(diào)要按照現(xiàn)實世界的本來面貌構造系統(tǒng)，以對象作為構造系統(tǒng)的基礎，并建立了一套描述對象及其相互關系的概念和圖形工具，提出了一套符合人類認識規(guī)律的方法，從而為解決軟件開發(fā)中存在的一些問題和軟件復用提供了可能[2]。
　　在軟件編碼實現(xiàn)時，采用目前在面向?qū)ο箢I域內(nèi)廣泛應用的C++ 語言來構建軟件系統(tǒng)[3]。C++語言兼顧C語言及面向?qū)ο箫L格，為利用已有完善的程序代碼資源加快軟件開發(fā)進度，其中部分模塊的程序由Fortran 編制，由于這些模塊是功能完整的單元，而且用面向?qū)ο蠹夹g重構，因此對軟件的穩(wěn)定性影響不大。借助于OpenGL來實現(xiàn)有限元軟件中所有的模型及結果的顯示問題。OpenGL是一個開放的三維圖形軟件包，它獨立于窗口系統(tǒng)和操作系統(tǒng)，以它為基礎開發(fā)的應用程序可以十分方便地在各種平臺間移植，可與Visual C++緊密接口，便于實現(xiàn)有關計算和圖形算法。
　　1.3 混合編程及數(shù)據(jù)共享
　　由于軟件開發(fā)是在現(xiàn)有面向過程的Fortran程序包基礎上進行，需要對已有的程序代碼進行必要的模塊化改造，利用VC++調(diào)用已有的Fortran 子程序。調(diào)用Fortran 方法較多，但是對已有Fortran 程序修改最小的方法是將Fortran 程序編譯為動態(tài)鏈接庫（dll）文件，然后在VC++中調(diào)用包含F(xiàn)ortran 函數(shù)的dll文件。兩種編程語言間數(shù)據(jù)共享問題是一個無法回避的重要問題，本軟件在開發(fā)過程這種問題尤其突出，由于混凝土澆筑過程中計算模型不斷變化，信息量變化較大，所以C++與Fortran 之間共享數(shù)據(jù)量較大。本軟件采用文獻[4]提出的數(shù)據(jù)模塊共享方法，用于數(shù)據(jù)在主程序和動態(tài)鏈接庫之間的共享。
　　2軟件基本框架及模塊功能介紹
　　TCAS 界面友好操作簡單，界面由主窗口及后臺輸出窗口兩個窗口組成，主窗口包含所有操作功能菜單和樹形菜單，后臺輸出窗口主要是計算過程和部分操作過程的后臺信息輸出，可以用來檢查過程中的錯誤。軟件的主要模塊包括：前處理模塊、后處理模塊、計算模塊、輔助分析模塊，幫助模塊構成。主要模塊功能均從樹形菜單開始進行操作，見圖1。
　　2.1前處理模塊及主要功能
　　前處理模塊主要功能包括混凝土結構有限元模型的建立、冷卻水管二次剖分、混凝土及地基材料的定義及對相應網(wǎng)格模型賦值、混凝土結構澆筑層劃分、混凝土澆筑過程設計、通水冷卻設計、保溫方案設計等，見圖2。有限元模型的建立主要是通過建立超單元的方法進行（見圖3），為了便于計算，模型網(wǎng)格盡可能剖分成為六面體單元。為了便于使用本軟件設計了材料定義界面，結合“選擇”功能，可以方便地對所剖分單元賦值材料性質(zhì)；在實際工程中混凝土結構大部分是多層澆筑完成的，可以利用軟件的“澆筑層定義”及“澆筑過程設計”功能來模擬該過程，利用“選擇”工具，整個模型所有單元均可賦予相應的層號，借助澆筑過程設計可以賦予每個澆筑層相對應的“澆筑時間”及“澆筑溫度”等信息；對澆筑倉面以及結構側(cè)面保溫的模擬通過設置不同放熱系數(shù)實現(xiàn)，借助于“保溫方案”可以根據(jù)實際提供或者反演得到的保溫材料放熱系數(shù)，設置邊界熱學條件；通水冷卻過程的模擬主要借助“通水冷卻方案設計”這個功能來實現(xiàn)，可以根據(jù)實際的通水過程設計相應的通水時間、通水溫度、以及換向時間等參數(shù)。上文所提及的其他溫控措施均可以通過調(diào)整各種參數(shù)對其進行仿真。
　　
　　圖2 主要模塊的樹形菜單 圖3 前處理形成超單元的輸入方式
　　2.2計算模塊及主要功能
　　計算模塊主要包含了計算“步長設計”、“溫度場計算”，“溫度應力場計算”三個功能。由于采用了溫度場采用了隱式解法應力場采用了增量法，故需要在計算中是設置計算步長。為了滿足混凝土結構工程的特點及結合多年溫控計算經(jīng)驗，本模塊在開發(fā)過程中預定了步長計算劃分方案，用戶只需輸入地基及上部混凝土結構計算總時間，軟件會自動根據(jù)加層信息及冷卻信息等資料分析計算出合理的步長分配；為了適應反演計算工作的需要，本程序設計了“溫度場計算”，“溫度應力場計算”兩種計算模式。前者只計算溫度場，主要用于根據(jù)實驗參數(shù)人工反演各個主要的熱學參數(shù)。后者可進行完整的溫度場及應力場計算工作。
　　2.3后處理模塊及主要功能
　　后處理模塊的主要功能有：特征點及特征截面定義、特征點溫度和應力歷時曲線繪制、特征截面溫度和應力等值線繪制等。在混凝土溫控仿真計算結果分析過程中，需要選擇一些重點“部位”或者重點截面進行分析，利用后處理模塊中的“特征點及特征截面定義”功能可以方便的定義特征點及特征截面；根據(jù)定義的特征點坐標，以及“變量類型”、“起止時間”等參數(shù)，利用“特征點歷時曲線功能”可以方便的繪制出包括溫度及各種應力在內(nèi)的單點及多點歷時曲線。根據(jù)三點定義的特征截面，以及“特征時間”、“變量類型”等參數(shù)，可以方便地繪制出特征截面的等值線等信息，同時可以自由設置等值線的密度及等值線的繪制方案。
　　3 結語
　　借助于面向?qū)ο缶幊涕_發(fā)工具Visual C++ 6.0，以及圖形庫OpenGL，對成熟的溫度場和應力場計算Fortran 程序包進行全面集成以及面向?qū)ο蠡脑?，制作了基于界面操作的專門針對施工期混凝土溫控的輔助分析軟件，降低了混凝土溫控仿真計算的難度，使得工程技術人員能夠方便地進行實時仿真分析計算。
　　
　　參考文獻
　　[1] 朱伯芳.大體積混凝土溫度應力與溫度控制[M].北京:中國電力