基于ANSYS实现大体积混凝土施工仿真及温度应力计算

唐誉兴

摘要：近10年来水电设计水平不断提高，有限元分析已经成为水电设计行业不可缺少的设计依据，Ansys软件是一个以有限元分析为基础的大型通用CAE软件，运用ANSYS的参数化编程（AnsysParameterDesignLanguage，APDL），设计人员可以实现大体积混凝土施工仿真计算，从而实现对施工过程和质量的及时跟踪和把握，及时调整温控措施和方案，提高设计质量和效率。

关键词：大体积混凝土；施工仿真；有限元分析；ANSYS温度应力计算

一、引言

虽然目前国内许多科研单位均有强大的实力进行温控计算，一些大项目可委托科研单位进行详细的温控计算。但是温控计算结果与混凝土浇筑时的外部气候条件、采取的温控措施有关，在工程实施时，往往是实际浇筑时的外部条件与委托计算的外部条件相差很大。基于ANSYS平台自行研发编写一些计算程序，可以紧跟施工实际情况，及时的把握浇筑施工过程的温度及应力变化情况，从而避免出现前期委托计算与实际施工不符，导致温控计算结果与实际差别过大，无法为设计人员采取温控措施提供有效依据。

目前国内很多科研单位均有自己的计算程序，但是非温控设计人员自己计算而委托科研单位计算，存在以下问题：

a）委托计算周期长，需在工程实施前委托，并提出计算成果；

b）计算成果不便于设计人员对其结果是否合理进行迅速的判断；

c）不能紧跟工程实际施工时的外部条件的变化，随时掌握大体积混凝土的温度及应力情况，无法合理调整温控措施；

大体积混凝土温控措施的采取需要一定的温度应力计算作为依据，设计人员自己可以进行计算是大势所趋，是设计院设计水平的体现，不仅能使设计更有说服力，还能够节约设计时间，提高设计效率，节约设计成本。

二、ANSYS简介

近10年来水电设计水平不断提高，有限元分析已经成为水电设计行业不可缺少的设计依据，例如结构稳定计算，结构应力计算等等，都离不开有限元分析。水电设计行业发展到今天，有限元分析已经相当成熟并得到了业内人士的广泛认可。与学习有限元理论并完全自己编制程序相比，学习使用市面上已有的有限元软件要简单得多。

ANSYS软件是一个以有限元分析为基础的大型通用CAE软件，具有良好的前、后处理功能和强大的计算内核，已得到了全球工业界的认可。它在水电行业的使用也并非新鲜事物，我院相当多的年轻设计人员都掌握了ANSYS软件，经常使用ANSYS进行应力分析。对水电结构设计来说，ANSYS可以做到a）建立结构模型，b）加载结构荷载，c）进行结构热、力学有限元分析，d）显示分析结果并可对结果进行运算。

三、利用ANSYS实现大体积混凝土施工仿真计算

3.1 基于ANSYS实现施工仿真计算的思路

对于温控设计人员需要的大体积混凝土施工仿真计算，ANSYS软件可以进行模型建立，并使用ANSYS的计算内核进行有限元分析，并显示最后的结果。但由于软件开发商更重视软件的通用性，因此软件的专业性能一般不好，需要对软件进行二次开发，运用ANSYS的参数化编程（AnsysParameterDesignLanguage，APDL）解决以下问题：

模拟施工浇筑过程

模拟环境温度变化

模拟水管冷却过程

模拟混凝土的徐变

我们编写程序的目标是能够自动读取施工环境及混凝土热、力学性能，施工过程模拟等参数加载于计算之中，并对已建好的模型进行仿真计算，最后显示结果。

3.2关键技术及实现

3.2.1结构建模

3.2.1.1模拟施工过程的建模

计算过程由程序进行引导之后，建模成为用时较多的步骤之一，经过对计算程序的不断改进，对建立模型的要求越来越容易，但所建立的模型必须要达到一定的要求，以求反映真实的结构的同时，方便程序调用，进行施工过程的模拟。

a）混凝土模型的尺寸与实际工程大体一致，并模拟出混凝土浇筑的实际形态。

b）为混凝土结构模拟地基，一般要求根据实际开挖情况建立地基模型，深度應大于混凝土结构高度的两倍。

c）按照实际施工的浇筑分层、分块将模型分层不同的块体，并进行标识。

d）对各个浇筑块体、地基等进行网格划分，可定义ANSYS中用于温度计算的八面体单元，在应力计算时程序会自动将网格变换为结构计算单元。

3.2.1.2约束条件

在实际工程中，往往会截取复杂结构的一部分进行计算分析，因此，需事先在模型上加载约束。主要约束包括

a）地基底部三向应力全约束（相当于固端）及温度约束（固定地基底部温度为基础温度）。

b）模型结构与非计算的相连结构之间的温度约束（即绝热面）。

3.2.2参数化数据模拟施工过程

3.2.2.1数据输入

要模拟施工过程，并模拟结构温度及应力的变化，需要输入必要的参数，这一部分由参数化编程（APDL）对事先输入于文本文档的参数进行调用，供程序模拟计算每天的温度应力变化时使用。

图3.2-1为参数输入的文本示例

图3.2-1参数输入文本示意

其中包括以下数据：

第一行：浇筑总层数，水管间距、半径，水管一期、二期通水时间等参数

第二行：各浇筑块浇筑温度

第三行：各浇筑块浇筑日期

第四行：各月平均温度

第五行：各月平均水温

第六行：计算时间步长，浇筑块开浇日期，混凝土施工期，混凝土运行期

第七行：基础弹模，密度，线胀系数，泊松比，导温系数，比热，散热系数

第八行：混凝土弹模，密度，线胀系数，泊松比，导温系数，比热，散热系数

第九行：绝热温升公式相关系数

第十行：徐变公式相关系数

3.2.2.2施工过程模拟

由参数化编程（APDL）实现对文本输入的参数导入ANSYS，并进行施工过程的模拟，模拟的精度由计算时间步长决定，ANSYS将首先进行瞬态温度有限元分析，利用ANSYS的单元生死功能，程序会自动加载计算时间段内已经浇筑的混凝土，从而实现施工过程的模拟。

3.2.2.3环境温度变化模拟

由参数化编程（APDL）实现对文本输入的参数导入ANSYS，并进行施工过程的模拟，模拟的精度由计算时间步长决定，ANSYS将首先进行瞬态温度有限元分析，利用ANSYS的单元生死功能，程序会自动加载计算时间段内已经浇筑的混凝土，从而实现施工过程的模拟。

3.2.3结果显示及分析

程序计算结束后，可以方便的使用ANSYS的后处理功能，对模拟结构每一时段的温度及应力计算结果进行调看，也可进行数值计算和进一步分析，并形成图表。

四、程序实际应用

程序先后运用水电站厂房和泄水闸坝，双曲拱坝，施工阶段填塘，岩锚梁等等，其计算耗时主要是建模阶段和成果检查阶段，对于模型比较简单的工程问题，温度计算可在2到3天完成，计算用时不足半小时。应力计算的时间较长，但对于较为简单的结构，计算时间也在1天以内，总用时间大约一周。对于较为复杂的结构，以及施工过程较复杂的情况，则需要一个月左右的时间。

在工程试用中程序得到了许多改进，程序由原来对建模要求单元编号要求连续且与浇筑时间顺序相同改为对单元编号无特殊要求，节省了大量的建模時间；在冷却水管的效果模拟上，增加了水管半径及间距的输入，由程序自己计算冷却效果等等。

五、总结

总的来说，基于ANSYS系统大体积混凝土温度应力计算程序已经可以应用于水电行业温控设计计算当中，这一技术可以提高设计人员的设计水平，也可以节约设计经费，期望该程序在大体积混凝土温控防裂设计方面发挥作用，为温控设计提供有效的计算依据。

参考文献

[1]朱伯芳《大体积混凝土温度应力与温度控制》.中国电力出版社，1999.3

[2]龚曙光，谢桂兰 《ANSYS操作命令与参数化编程》，机械工业出版社，2004.4