基于ANSYS實(shí)現(xiàn)大體積混凝土施工仿真及溫度應(yīng)力計(jì)算

唐譽(yù)興

摘要：近10年來(lái)水電設(shè)計(jì)水平不斷提高，有限元分析已經(jīng)成為水電設(shè)計(jì)行業(yè)不可缺少的設(shè)計(jì)依據(jù)，Ansys軟件是一個(gè)以有限元分析為基礎(chǔ)的大型通用CAE軟件，運(yùn)用ANSYS的參數(shù)化編程（AnsysParameterDesignLanguage，APDL），設(shè)計(jì)人員可以實(shí)現(xiàn)大體積混凝土施工仿真計(jì)算，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)施工過(guò)程和質(zhì)量的及時(shí)跟蹤和把握，及時(shí)調(diào)整溫控措施和方案，提高設(shè)計(jì)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(jì)算

一、引言

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

目前國(guó)內(nèi)很多科研單位均有自己的計(jì)算程序，但是非溫控設(shè)計(jì)人員自己計(jì)算而委托科研單位計(jì)算，存在以下問(wèn)題：

a）委托計(jì)算周期長(zhǎng)，需在工程實(shí)施前委托，并提出計(jì)算成果；

b）計(jì)算成果不便于設(shè)計(jì)人員對(duì)其結(jié)果是否合理進(jìn)行迅速的判斷；

c）不能緊跟工程實(shí)際施工時(shí)的外部條件的變化，隨時(shí)掌握大體積混凝土的溫度及應(yīng)力情況，無(wú)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(jì)算作為依據(jù)，設(shè)計(jì)人員自己可以進(jìn)行計(jì)算是大勢(shì)所趨，是設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)水平的體現(xiàn)，不僅能使設(shè)計(jì)更有說(shuō)服力，還能夠節(jié)約設(shè)計(jì)時(shí)間，提高設(shè)計(jì)效率，節(jié)約設(shè)計(jì)成本。

二、ANSYS簡(jiǎn)介

近10年來(lái)水電設(shè)計(jì)水平不斷提高，有限元分析已經(jīng)成為水電設(shè)計(jì)行業(yè)不可缺少的設(shè)計(jì)依據(jù)，例如結(jié)構(gòu)穩(wěn)定計(jì)算，結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算等等，都離不開(kāi)有限元分析。水電設(shè)計(jì)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(jiǎn)單得多。

ANSYS軟件是一個(gè)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(qiáng)大的計(jì)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(jì)人員都掌握了ANSYS軟件，經(jīng)常使用ANSYS進(jìn)行應(yīng)力分析。對(duì)水電結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，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(jìn)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(duì)結(jié)果進(jìn)行運(yùn)算。

三、利用ANSYS實(shí)現(xiàn)大體積混凝土施工仿真計(jì)算

3.1 基于ANSYS實(shí)現(xiàn)施工仿真計(jì)算的思路

對(duì)于溫控設(shè)計(jì)人員需要的大體積混凝土施工仿真計(jì)算，ANSYS軟件可以進(jìn)行模型建立，并使用ANSYS的計(jì)算內(nèi)核進(jìn)行有限元分析，并顯示最后的結(jié)果。但由于軟件開(kāi)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(duì)軟件進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，運(yùn)用ANSYS的參數(shù)化編程（AnsysParameterDesignLanguage，APDL）解決以下問(wèn)題：

模擬施工澆筑過(guò)程

模擬環(huán)境溫度變化

模擬水管冷卻過(guò)程

模擬混凝土的徐變

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

3.2關(guān)鍵技術(shù)及實(shí)現(xiàn)

3.2.1結(jié)構(gòu)建模

3.2.1.1模擬施工過(guò)程的建模

計(jì)算過(guò)程由程序進(jìn)行引導(dǎo)之后，建模成為用時(shí)較多的步驟之一，經(jīng)過(guò)對(duì)計(jì)算程序的不斷改進(jìn)，對(duì)建立模型的要求越來(lái)越容易，但所建立的模型必須要達(dá)到一定的要求，以求反映真實(shí)的結(jié)構(gòu)的同時(shí)，方便程序調(diào)用，進(jìn)行施工過(guò)程的模擬。

a）混凝土模型的尺寸與實(shí)際工程大體一致，并模擬出混凝土澆筑的實(shí)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(shí)際開(kāi)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(shí)際施工的澆筑分層、分塊將模型分層不同的塊體，并進(jìn)行標(biāo)識(shí)。

d）對(duì)各個(gè)澆筑塊體、地基等進(jìn)行網(wǎng)格劃分，可定義ANSYS中用于溫度計(jì)算的八面體單元，在應(yīng)力計(jì)算時(shí)程序會(huì)自動(dòng)將網(wǎng)格變換為結(jié)構(gòu)計(jì)算單元。

3.2.1.2約束條件

在實(shí)際工程中，往往會(huì)截取復(fù)雜結(jié)構(gòu)的一部分進(jìn)行計(jì)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(jì)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(guò)程

3.2.2.1數(shù)據(jù)輸入

要模擬施工過(guò)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(duì)事先輸入于文本文檔的參數(shù)進(jìn)行調(diào)用，供程序模擬計(jì)算每天的溫度應(yīng)力變化時(shí)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(shí)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(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)，澆筑塊開(kāi)澆日期，混凝土施工期，混凝土運(yùn)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(guò)程模擬

由參數(shù)化編程（APDL）實(shí)現(xiàn)對(duì)文本輸入的參數(shù)導(dǎo)入ANSYS，并進(jìn)行施工過(guò)程的模擬，模擬的精度由計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)決定，ANSYS將首先進(jìn)行瞬態(tài)溫度有限元分析，利用ANSYS的單元生死功能，程序會(huì)自動(dòng)加載計(jì)算時(shí)間段內(nèi)已經(jīng)澆筑的混凝土，從而實(shí)現(xiàn)施工過(guò)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(shí)現(xiàn)對(duì)文本輸入的參數(shù)導(dǎo)入ANSYS，并進(jìn)行施工過(guò)程的模擬，模擬的精度由計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)決定，ANSYS將首先進(jìn)行瞬態(tài)溫度有限元分析，利用ANSYS的單元生死功能，程序會(huì)自動(dòng)加載計(jì)算時(shí)間段內(nèi)已經(jīng)澆筑的混凝土，從而實(shí)現(xiàn)施工過(guò)程的模擬。

3.2.3結(jié)果顯示及分析

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

四、程序?qū)嶋H應(yīng)用

程序先后運(yùn)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(jì)算耗時(shí)主要是建模階段和成果檢查階段，對(duì)于模型比較簡(jiǎn)單的工程問(wèn)題，溫度計(jì)算可在2到3天完成，計(jì)算用時(shí)不足半小時(shí)。應(yīng)力計(jì)算的時(shí)間較長(zhǎng)，但對(duì)于較為簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，計(jì)算時(shí)間也在1天以內(nèi)，總用時(shí)間大約一周。對(duì)于較為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，以及施工過(guò)程較復(fù)雜的情況，則需要一個(gè)月左右的時(shí)間。

在工程試用中程序得到了許多改進(jìn)，程序由原來(lái)對(duì)建模要求單元編號(hào)要求連續(xù)且與澆筑時(shí)間順序相同改為對(duì)單元編號(hào)無(wú)特殊要求，節(jié)省了大量的建模時(shí)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(jì)算冷卻效果等等。

五、總結(jié)

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

參考文獻(xiàn)

[1]朱伯芳《大體積混凝土溫度應(yīng)力與溫度控制》.中國(guó)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(jī)械工業(yè)出版社，2004.4