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钢筋混凝土构件温度场的参数化有限元分析技术

2009-08-09 18:38  by:有限元  来源:广州有道有限元

  众所周知,混凝士和钢筋材料的性能与温度有非常密切的关系,随温度的不同而发生变化,而高温的作用不仅使结构的变形发生显著变化,而目使超静定结构体系发生剧烈的内力重分布。因此进行钢筋混凝十结构的抗火分析,了解高温下钢筋混凝土结构的强度和变形规律,首先必须分析钢筋混凝土结构的温度场。而有火灾的作用下,板截面内的温度分布是随时间变化的,混凝土的热传导系数、热容等不是常数,是温度的函数,因此板的热传导问题是一个非线性的瞬态热传导问题。
   
  ANSYS软件是融热、电、磁、流体、结构、声学于一体的大型通用有限元分析软件。具有强大的求解器和前、后处理功能,为解决复杂、庞大的工程项目提供了一个强有力的工具。

1 ISO标准时间-温度曲线
   
  为了模拟现场火灾发展情况,ISO国际标准组织制定了一条理想化了的理论试验曲线,称为标准时问一温度曲线。即火灾现场温度由下式来确定.
   
    T=345log10(8t+1)+20

    式中T为t时刻的试验温度,用℃表示;t为升温时间,单位为min。
   
    目前,世界上大多数国家都采用这条标准时间-温度曲线计算升温。在此,也采用这条升温曲线确定火灾环境的温度门
   
2 高温下钢筋混凝土材料的热工性能及换热系数的取值
   
    (1)导热系数
   
  影响混凝土导热系数的因素主要有骨料类型、水份含量以及混凝土的配合比等等。国外大量的试验表明,混凝土的热工性能由不同的试验室测得的结果差异较大,一般认为,导热系数随着温度升高而降低是普遍的规律。本文采用如下普通混凝土材料的导热系数随温度丁变化的关系式T≤740℃ λ=1.64~0.00075T W/m·℃.

    T>740℃ λ=1.09W/m·℃.
   
    (2)比热C
   
    混凝土的比热C随温度升高有微小的变化,并且变化呈现不规则性,建议取常数;
   
    C=900+80(T/120)-4(T/120)*2 J/Kg·℃
   
    (3)密度P
   
    混凝土的密度随温度下升高而略微减小,建议取:
   
    P=2400-0.56T kg/m3
   
    混凝土的密度和比热的取值是法国规范推荐式。

    (4)换热系数a
       
  影响换热过程的因素主要有:流动起因、流动状态、流体呈的种类和物性、固体的物性和表面的几何参数等等。这是一个复杂的物理现象,因此火焰热流体对钢筋混凝土板底的综合换热系数的取值不同的文献取值差别较大。本文采用值表示如表1.

3 ANSYS参数化设计语言(APDL)

  APDL是一种非常类似于FORTRAN的解释性语言,提供一般程序语言的功能,如参数、宏、缩写、标量、向量及矩阵运算、函数、流程控制(循环与分支)、重复执行命令、用户程序以及访问ANSYS有限元数据库等,另外还提供简单界面定制功能,实现参数交互输入、消息机制、界面驱动和运行应用程序等。
   
  利用APDL的程序语言与宏技术组织管理ANSYS的有限元分析命令,就可以实现参数化建模、参数化的网格划分与控制、参数化的材料定义、参数化载荷和边界条件定义、参数化的分析控制和求解以及参数化后处理结果的显示,从而实现参数化有限元分析的全过程,同时,这也是ANSYS批处理分析的最高技术。在参数化的分析过程中可以简单地修改其中的参数从而达到反复分析各种尺寸、不同载荷大小的多种设计方案或者序列性产品,极大地提高了分析效率,减少分析成本。同时,以APDL为基础用户可以开发专用有限元分析程序,或者编写经常重复使用的功能小程序,保存成宏文件以供用户随时调用或创建成按钮(缩写)放在工具条上。另外,APDL也是ANSYS设计优化的基础,只有创建参数化的分析流程才能对其中的设计参数执行优化改进,达到最优化设计目标。

4 钢筋混凝土构件温度场参数化数值分析
   
  基于上述理论,可以建立火灾下钢筋混凝土构件的参数化分析宏命令文件,文件中主要由以下一些步骤组成:
   
  定义钢筋和混凝土参数指定工程名和分析标题、定义单位、定义单元类型,定义单元实常数和定义材料参数;
   
  创建钢筋混凝土构件模型:一般可利用ANSYS内部已有的常用实体如六面体、球体等,结合必要的一些编辑运算,直接生成模型;
   
  划分单元网格:对一般图形可采用自由网格划分,对规则图形可采用映射网格划分;
   
  施加温度荷载数据:这里的载荷包括边界条件(约束、支撑或边界场的参数)和其他外部或内部温度载荷;
   
  运算求解:ANSYS提供了多种求解有限元方程的方法如直接解法、雅可比共辘梯度法等,在进行求解前要根据问题性质合理地选择适当的求解方法进行求解;
   
  结果分析显示完成计算后就可以利用后处理模块来查看计算得到的结果,如显示温度场图等。
   
  然后在ANSYS命令输入窗口输入命令文件,ANSYS执行又件中的命令,就可以得到最终计算结果。
   
  下面以火灾下钢筋混凝土梁温度场分析为例,建立相关命令文件,然后在ANSYS中运行命令文件,最终运算结果如图1所示。


    
  在上述过程中,只要修改一下参数就可以实现各类钢筋混凝土构件的各种情况的分析计算,从而大大提高了分析效率。

5 结论
   
  利用ANSYS进行钢筋混凝土构件温度场的参数化数值分析,实现ANSYS更高级的开发和应用,实践证明,这有效地提高了分析效率。同时,本文为钢筋混凝土构件温度场的参数化分析提供了一个模板,提高了此类模型的建模效率,方便了工程应用。

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