鋼筋混凝土構件溫度場的參數化有限元分析技術

2013-06-16 by:廣州有限元分析、培訓中心-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系,隨溫度的不同而發生變化,而高溫的作用不僅使結構的變形發生顯著變化,而目使超靜定結構體系發生劇烈的內力重分布。因此進行鋼筋混凝十結構的抗火分析,了解高溫下鋼筋混凝土結構的強度和變形規律,首先必須分析鋼筋混凝土結構的溫度場。而有火災的作用下,板截面內的溫度分布是隨時間變化的,混凝土的熱傳導系數、熱容等不是常數,是溫度的函數,因此板的熱傳導問題是一個非線性的瞬態熱傳導問題。

ANSYS軟件是融熱、電、磁、流體、結構、聲學于一體的大型通用有限元分析軟件。具有強大的求解器和前、后處理功能,為解決復雜、龐大的工程項目提供了一個強有力的工具。

1 ISO標準時間-溫度曲線

為了模擬現場火災發展情況,ISO國際標準組織制定了一條理想化了的理論試驗曲線,稱為標準時問一溫度曲線。即火災現場溫度由下式來確定.

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

    式中T為t時刻的試驗溫度,用℃表示;t為升溫時間,單位為min。

    目前,世界上大多數國家都采用這條標準時間-溫度曲線計算升溫。在此,也采用這條升溫曲線確定火災環境的溫度門

2 高溫下鋼筋混凝土材料的熱工性能及換熱系數的取值

    (1)導熱系數

影響混凝土導熱系數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。國外大量的試驗表明,混凝土的熱工性能由不同的試驗室測得的結果差異較大,一般認為,導熱系數隨著溫度升高而降低是普遍的規律。本文采用如下普通混凝土材料的導熱系數隨溫度丁變化的關系式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,并且變化呈現不規則性,建議取常數;

    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范推薦式。

(4)換熱系數a

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

鋼筋混凝土構件溫度場的參數化有限元分析技術+應用技術圖片圖片1

3 ANSYS參數化設計語言(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、宏、縮寫、標量、向量及矩陣運算、函數、流程控制(循環與分支)、重復執行命令、用戶程序以及訪問ANSYS有限元數據庫等,另外還提供簡單界面定制功能,實現參數交互輸入、消息機制、界面驅動和運行應用程序等。

利用APDL的程序語言與宏技術組織管理ANSYS的有限元分析命令,就可以實現參數化建模、參數化的網格劃分與控制、參數化的材料定義、參數化載荷和邊界條件定義、參數化的分析控制和求解以及參數化后處理結果的顯示,從而實現參數化有限元分析的全過程,同時,這也是ANSYS批處理分析的最高技術。在參數化的分析過程中可以簡單地修改其中的參數從而達到反復分析各種尺寸、不同載荷大小的多種設計方案或者序列性產品,極大地提高了分析效率,減少分析成本。同時,以APDL為基礎用戶可以開發專用有限元分析程序,或者編寫經常重復使用的功能小程序,保存成宏文件以供用戶隨時調用或創建成按鈕(縮寫)放在工具條上。另外,APDL也是ANSYS設計優化的基礎,只有創建參數化的分析流程才能對其中的設計參數執行優化改進,達到最優化設計目標。

4 鋼筋混凝土構件溫度場參數化數值分析

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

定義鋼筋和混凝土參數指定工程名和分析標題、定義單位、定義單元類型,定義單元實常數和定義材料參數;

創建鋼筋混凝土構件模型:一般可利用ANSYS內部已有的常用實體如六面體、球體等,結合必要的一些編輯運算,直接生成模型;

劃分單元網格:對一般圖形可采用自由網格劃分,對規則圖形可采用映射網格劃分;

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

運算求解: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,在進行求解前要根據問題性質合理地選擇適當的求解方法進行求解;

結果分析顯示完成計算后就可以利用后處理模塊來查看計算得到的結果,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執行又件中的命令,就可以得到最終計算結果。

下面以火災下鋼筋混凝土梁溫度場分析為例,建立相關命令文件,然后在ANSYS中運行命令文件,最終運算結果如圖1所示。