鋼筋混凝土構(gòu)件溫度場的參數(shù)化有限元分析技術(shù)

2013-06-16 by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM 來源:仿真在線

眾所周知,混凝士和鋼筋材料的性能與溫度有非常密切的關(guān)系,隨溫度的不同而發(fā)生變化,而高溫的作用不僅使結(jié)構(gòu)的變形發(fā)生顯著變化,而目使超靜定結(jié)構(gòu)體系發(fā)生劇烈的內(nèi)力重分布。因此進(jìn)行鋼筋混凝十結(jié)構(gòu)的抗火分析,了解高溫下鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和變形規(guī)律,首先必須分析鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的溫度場。而有火災(zāi)的作用下,板截面內(nèi)的溫度分布是隨時(shí)間變化的,混凝土的熱傳導(dǎo)系數(shù)、熱容等不是常數(shù),是溫度的函數(shù),因此板的熱傳導(dǎo)問題是一個(gè)非線性的瞬態(tài)熱傳導(dǎo)問題。

ANSYS軟件是融熱、電、磁、流體、結(jié)構(gòu)、聲學(xué)于一體的大型通用有限元分析軟件。具有強(qiáng)大的求解器和前、后處理功能,為解決復(fù)雜、龐大的工程項(xiàng)目提供了一個(gè)強(qiáng)有力的工具。

1 ISO標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間-溫度曲線

為了模擬現(xiàn)場火災(zāi)發(fā)展情況,ISO國際標(biāo)準(zhǔn)組織制定了一條理想化了的理論試驗(yàn)曲線,稱為標(biāo)準(zhǔn)時(shí)問一溫度曲線。即火災(zāi)現(xiàn)場溫度由下式來確定.

    T=345log10(8t+1)+20

    式中T為t時(shí)刻的試驗(yàn)溫度,用℃表示;t為升溫時(shí)間,單位為min。

    目前,世界上大多數(shù)國家都采用這條標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間-溫度曲線計(jì)算升溫。在此,也采用這條升溫曲線確定火災(zāi)環(huán)境的溫度門

2 高溫下鋼筋混凝土材料的熱工性能及換熱系數(shù)的取值

    (1)導(dǎo)熱系數(shù)

影響混凝土導(dǎo)熱系數(shù)的因素主要有骨料類型、水份含量以及混凝土的配合比等等。國外大量的試驗(yàn)表明,混凝土的熱工性能由不同的試驗(yàn)室測得的結(jié)果差異較大,一般認(rèn)為,導(dǎo)熱系數(shù)隨著溫度升高而降低是普遍的規(guī)律。本文采用如下普通混凝土材料的導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度丁變化的關(guān)系式T≤740℃ λ=1.64~0.00075T W/m·℃.

    T>740℃ λ=1.09W/m·℃.

    (2)比熱C

    混凝土的比熱C隨溫度升高有微小的變化,并且變化呈現(xiàn)不規(guī)則性,建議取常數(shù);

    C=900+80(T/120)-4(T/120)*2 J/Kg·℃

    (3)密度P

    混凝土的密度隨溫度下升高而略微減小,建議取:

    P=2400-0.56T kg/m3

    混凝土的密度和比熱的取值是法國規(guī)范推薦式。

(4)換熱系數(shù)a

影響換熱過程的因素主要有:流動(dòng)起因、流動(dòng)狀態(tài)、流體呈的種類和物性、固體的物性和表面的幾何參數(shù)等等。這是一個(gè)復(fù)雜的物理現(xiàn)象,因此火焰熱流體對鋼筋混凝土板底的綜合換熱系數(shù)的取值不同的文獻(xiàn)取值差別較大。本文采用值表示如表1.

鋼筋混凝土構(gòu)件溫度場的參數(shù)化有限元分析技術(shù)+應(yīng)用技術(shù)圖片圖片1

3 ANSYS參數(shù)化設(shè)計(jì)語言(APDL)

APDL是一種非常類似于FORTRAN的解釋性語言,提供一般程序語言的功能,如參數(shù)、宏、縮寫、標(biāo)量、向量及矩陣運(yùn)算、函數(shù)、流程控制(循環(huán)與分支)、重復(fù)執(zhí)行命令、用戶程序以及訪問ANSYS有限元數(shù)據(jù)庫等,另外還提供簡單界面定制功能,實(shí)現(xiàn)參數(shù)交互輸入、消息機(jī)制、界面驅(qū)動(dòng)和運(yùn)行應(yīng)用程序等。

利用APDL的程序語言與宏技術(shù)組織管理ANSYS的有限元分析命令,就可以實(shí)現(xiàn)參數(shù)化建模、參數(shù)化的網(wǎng)格劃分與控制、參數(shù)化的材料定義、參數(shù)化載荷和邊界條件定義、參數(shù)化的分析控制和求解以及參數(shù)化后處理結(jié)果的顯示,從而實(shí)現(xiàn)參數(shù)化有限元分析的全過程,同時(shí),這也是ANSYS批處理分析的最高技術(shù)。在參數(shù)化的分析過程中可以簡單地修改其中的參數(shù)從而達(dá)到反復(fù)分析各種尺寸、不同載荷大小的多種設(shè)計(jì)方案或者序列性產(chǎn)品,極大地提高了分析效率,減少分析成本。同時(shí),以APDL為基礎(chǔ)用戶可以開發(fā)專用有限元分析程序,或者編寫經(jīng)常重復(fù)使用的功能小程序,保存成宏文件以供用戶隨時(shí)調(diào)用或創(chuàng)建成按鈕(縮寫)放在工具條上。另外,APDL也是ANSYS設(shè)計(jì)優(yōu)化的基礎(chǔ),只有創(chuàng)建參數(shù)化的分析流程才能對其中的設(shè)計(jì)參數(shù)執(zhí)行優(yōu)化改進(jìn),達(dá)到最優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)。

4 鋼筋混凝土構(gòu)件溫度場參數(shù)化數(shù)值分析

基于上述理論,可以建立火災(zāi)下鋼筋混凝土構(gòu)件的參數(shù)化分析宏命令文件,文件中主要由以下一些步驟組成:

定義鋼筋和混凝土參數(shù)指定工程名和分析標(biāo)題、定義單位、定義單元類型,定義單元實(shí)常數(shù)和定義材料參數(shù);

創(chuàng)建鋼筋混凝土構(gòu)件模型:一般可利用ANSYS內(nèi)部已有的常用實(shí)體如六面體、球體等,結(jié)合必要的一些編輯運(yùn)算,直接生成模型;

劃分單元網(wǎng)格:對一般圖形可采用自由網(wǎng)格劃分,對規(guī)則圖形可采用映射網(wǎng)格劃分;

施加溫度荷載數(shù)據(jù):這里的載荷包括邊界條件(約束、支撐或邊界場的參數(shù))和其他外部或內(nèi)部溫度載荷;

運(yùn)算求解:ANSYS提供了多種求解有限元方程的方法如直接解法、雅可比共轆梯度法等,在進(jìn)行求解前要根據(jù)問題性質(zhì)合理地選擇適當(dāng)?shù)那蠼夥椒ㄟM(jìn)行求解;

結(jié)果分析顯示完成計(jì)算后就可以利用后處理模塊來查看計(jì)算得到的結(jié)果,如顯示溫度場圖等。

然后在ANSYS命令輸入窗口輸入命令文件,ANSYS執(zhí)行又件中的命令,就可以得到最終計(jì)算結(jié)果。

下面以火災(zāi)下鋼筋混凝土梁溫度場分析為例,建立相關(guān)命令文件,然后在ANSYS中運(yùn)行命令文件,最終運(yùn)算結(jié)果如圖1所示。

鋼筋混凝土構(gòu)件溫度場的參數(shù)化有限元分析技術(shù)+應(yīng)用技術(shù)圖片圖片2

在上述過程中,只要修改一下參數(shù)就可以實(shí)現(xiàn)各類鋼筋混凝土構(gòu)件的各種情況的分析計(jì)算,從而大大提高了分析效率。

5 結(jié)論

利用ANSYS進(jìn)行鋼筋混凝土構(gòu)件溫度場的參數(shù)化數(shù)值分析,實(shí)現(xiàn)ANSYS更高級(jí)的開發(fā)和應(yīng)用,實(shí)踐證明,這有效地提高了分析效率。同時(shí),本文為鋼筋混凝土構(gòu)件溫度場的參數(shù)化分析提供了一個(gè)模板,提高了此類模型的建模效率,方便了工程應(yīng)用。

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