CN106021755A - 核电站核岛筏基大体积混凝土温度应力仿真分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了核电站核岛筏基大体积混凝土温度应力仿真分析方法，可以计算核岛筏基任意位置、仿真时间内任意时刻的温度应力，形成温度云图以及主应力云图，便于核岛筏基大体积混凝土整个浇筑过程中的温度控制，以及浇筑完成后的温控施工措施的制定，可有效地控制有害裂缝的发生，确保核岛筏基的施工质量。可以模拟核岛筏基大体积混凝土浇筑的施工过程模拟，能提取分析结果中的核岛筏基大体积混凝土水化热的视频动画，以便工程技术人员能直观了解不同阶段核岛筏基温度应力的变化情况。计算过程中温度应力中间参数少，减小了核岛筏基温度应力的计算工作量，简化了温度应力的计算过程，使用非常方便。
Description
技术领域
本发明涉及核电工程仿真技术领域，具体涉及核电站核岛筏基大体积混凝土温度应力仿真分析方法。
背景技术
“华龙一号”作为第三代百万千瓦级核电品牌，在能动安全的基础上采取了有效的非能动安全措施，兼顾了能动的成熟和非能动的优势，是当前世界范围内核电市场上接受度最高的核电机型之一。
核电是一种安全、清洁、经济的能源形式，核安全是政府和公众关注的焦点。“华龙一号”核电工程的建筑物、构筑物大多数为钢筋混凝土结构，其中不少为大体积混凝土结构。因此，保证大体积混凝土的施工质量是实现核安全的第一步。
“华龙一号”核岛筏基是由反应堆厂房(RX)筏基、电气厂房(LX)筏基、安全厂房(SR、SL)筏基、燃料厂房(KX)筏基形成的整体现浇钢筋混凝土筏形基础，厚度为2.2m～6.7m，属于大体积混凝土结构范畴。在大体积混凝土施工中，由于水泥水化热引起筏基内部温度剧烈变化，使筏基早期塑性收缩和混凝土硬化过程中的收缩增大，使其内部的温度-收缩应力剧烈变化，而导致筏基发生裂缝的现象时有发生。
如何防止大体积混凝土施工中出现有害裂缝是核岛筏基施工中的关键技术问题。因此，在核岛筏基施工方案阶段应进行温控计算，即对大体积混凝土浇筑前进行温度应力的验算分析，其目的是为了确定温控指标及制定温控施工的技术措施，以防止或者控制有害裂缝的发生，确保施工质量。
现有技术的缺点：
“华龙一号”核电堆型作为目前全球范围内最新堆型，国内外尚没有该堆型核岛筏基的温度应力分析方法。此外，以往其他核电堆型进行核岛筏基大体积混凝土温度应力计算方法主要是按照传统方法给定的公式进行计算，该方法存在以下缺点：
1、计算过程中涉及核岛筏基混凝土的绝热温升、混凝土收缩值的当量温度、混凝土的弹性模量、温升估算、温差计算、温度应力计算等多个计算环节，计算公式多、计算工作量大；
2、计算时通常只是在核岛筏基大体积混凝土上取几个关键点计算温度应力，这并不能完全反映整个核岛筏基底板上所有部位的温度、应力分布情况；
3、对于几何体型复杂的核岛筏基，尚不能准确确定用于计算温度应力的关键点的位置，进行温度应力计算时易造成计算结果与实际情况出现较大偏差。
4、不利于工程技术人员直观判断核岛筏基各部位不同时刻的温度应力是否达到混凝土的抗拉强度，因此不能有效地判断出核岛筏基裂缝出现的位置。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述技术缺陷，提供核电站核岛筏基大体积混凝土温度应力仿真分析方法，通过此仿真分析方法能够对核电站核岛筏基大体积混凝土浇筑开始至养护成龄整个阶段进行仿真模拟，使工程技术人员能够直观判断核岛筏基浇筑完成后各部位不同时刻的温度、应力变化情况。在核岛筏基施工前指导测温点的布设，并在完成混凝土浇筑后指导核岛筏基的保温敷设方案的调整，以控制核电站核岛筏基有害裂缝的产生，保证核电站核岛筏基的施工质量，为后续阶段核电站运营阶段的安全提供有力保障。
为了实现上述的技术特征，本发明的目的是这样实现的：核电站核岛筏基大体积混凝土温度仿真分析方法，它包括以下步骤：
S1：利用三维软件SolidWorks建立核岛筏基大体积混凝土及其底部基岩几何模型，在建立几何模型时，模型采用核岛筏基与基岩共同建模，并将厚度方向取为坐标系中的z轴，将建立完成后的核岛筏基及底部基岩的几何模型保存为后缀为.solidworks文件；
S2：将S1中几何模型导入到有限元软件中进行有限元网格划分，将后缀为.solidworks文件通过import geometry的方式导入到有限元软件Hypermesh中，在Hypermesh中先将核岛筏基几何模型沿电气厂房(LX)、安全厂房(SR、SL)、燃料厂房(KX)、反应堆厂房(RX)以及特殊截面处进行分块、切割，完成分块、切割后再对整个核岛筏基及其底部基岩几何模型进行几何清理，以便于有限元网格的划分，具体包括以下几个步骤：
S21：在几何模型上建立相应的特征线；
S22：利用上述几何特征线，先对反应堆厂房(RX)六边形凹槽底面所在平面进行面网格划分，面网格尺寸设定为0.7m，面网格类型设定为四边形和三角形的混合类型；
S23：利用上述已创建面网格的核岛筏基划分有限元体网格，分别将上述创建的面网格沿反应堆厂房(RX)向核岛筏基顶部和底部通过拉伸方式生成有限元体网格。网格拉伸方向的尺寸设定为0.7m；
S24：建立完成核岛筏基及其底部基岩的有限元网格后，再利用这些体网格在有对流传热的表面生成面网格，作为对流传热界面；
S25：上述核岛筏基及其底部基岩的体网格、对流传热界面的面网格划分完成后在hypermesh软件中的nastran模块下保存为后缀为.bdf文件；
S3：将上述有限元网格导入到另一种有限元软件Adina中进行分析类型定义，时间步定义，时间函数定义，初始条件定义，材料参数定义，单元生(死)定义，荷载定义(内热、环境温度)，单元组定义以及单元节点定义，具体定义过程如下：
S31：分析类型定义：
在有限元软件Adina中，把分析类型设置成热计算(ADINA Thermal)模块下的瞬态分析(Transient)模式，采用Euler Backward Integration算法，将上述后缀为.bdf文件通过“导入Nastran文件”的方式导入到该有限元软件中，在导入有限元网格的同时应设置将有限元网格中的面单元转换成ADINA-T中的对流单元；
S32：时间步定义、时间函数定义：
时间步定义包括筏基温度仿真的时间步数和时间步长的定义；时间函数定义包括筏基大体积混凝土内的内热变量时间函数定义、对流元环境温度时间函数定义，此过程中所有的时间单位取为小时(h)，热量单位取为千焦(KJ)，温度取为摄氏度(℃)；仿真时长取为60天(d)，即1440小时(h)，为了使仿真分析与将来大体积混凝土现场测温点的测温时间相对应，核岛筏基温度仿真的时间步数取为720步，时间步长取为2小时；
定义混凝土内热变量时间函数时，按照下列函数的导数定义：
式中，Q0为单位体积内胶凝材料水化热放热总量(KJ)，m取0.5；
定义对流元环境温度时间函数时应统计核岛筏基施工所在地近3年的历史温度，将该3年温度的平均作为平均值并拟合成正弦函数作为昼夜温差的变化；
S33：初始条件定义：
定义核岛筏基初始的温度作为初始条件定义，该初始温度应为核岛筏基施工所在地FCD(the first concrete date)(核岛第一罐混凝土浇筑日，核电站建设的重要里程碑)时间的温度；
S34：材料参数定义：
定义筏基和基岩的材料属性。包括筏基和基岩的导热系数、比热容、密度等以及核岛筏基大体积混凝土表面的保温层等效放热系数的定义，不同的保温层等效放热系数就代表了相应的大体积混凝土浇筑完成后养护措施中的保温层敷设方案，核岛筏基不同部位、不同养护阶段计算涉及到的计算参数如下：
S35：单元生(死)定义：
核岛筏基及边界对流单元生死定义，通过核岛筏基有限元体单元生的定义，可模拟不同阶段大体积混凝土的浇筑情况，同时，通过边界对流元生死的定义，可模拟不同阶段大体积混凝土表面的散热条件，核岛筏基混凝土浇筑过程中，某部分混凝土完成浇筑，则对应仿真分析过程中该部分有限元单元的生；
S36：荷载定义(内热、环境温度)：
混凝土施工及养护阶段，荷载主要为核岛筏基混凝土内部因水泥水化热产生的内热以及混凝土表面与环境温度的热交换。主要施加方式为，指定有限元模型中的混凝土部分并以步骤S32中时间函数进行输入；
S37：单元组定义以及单元节点定义：
定义核岛筏基大体积混凝土、基岩以及对流边界的单元组。指定有限元模型中基岩、混凝土以及对流交换面，并定义成不同的单元组；
S4：提交仿真分析计算，完成上述定义后即可提交仿真分析计算；
S5：提取分析结果。经过仿真分析后，可提取核岛筏基浇筑过程中以及浇筑完成后计算时长范围内任意时刻的核岛筏基上任意部位的温度，以及核岛筏基的温度分布情况。同时，还能够提取核岛筏基浇筑过程以及浇筑完成后的混凝土生热过程的视频动画。通过得到的任意部位温度，可得到核岛筏基任意部位的里表温差以及绝热温升等参数。
2、核电站核岛筏基大体积混凝土应力仿真分析方法，其特征在于，它包括以下步骤：
F1：将上述温度仿真步骤S2中得到的有限元网格导入到另一种有限元软件Adina中进行分析类型的定义，时间步定义，温度荷载来源定义，边界条件定义，材料定义，单元组定义，具体如下：
F11：分析类型定义：
将温度仿真过程中得到的后缀为.bdf的有限元网格文件导入到有限元软件Adina中，把分析类型设置成结构计算(ADINA Structure)模块下的静力分析(Statics)模式；
F12：时间步定义：
应力仿真的时间步定义与上述温度仿真的时间步定义完全一致，以便于计算过程中计算同步，即核岛筏基应力仿真的时间步数取为720步，时间步长取为2小时；
F13：温度荷载来源定义：
由于计算核岛筏基大体积混凝土时，荷载主要来源于两部分，即水泥水化热产生的温度荷载以及混凝土的收缩。混凝土的收缩可等效成当量温度作用在计算模型上，因此温度荷载包括水泥水化热产生的温度荷载和混凝土收缩相对变形值的当量温度。温度荷载定义时温度荷载来源设置为从文件读取和插入温度荷载方式，即“Read and Interpolate”，将温度仿真中计算的温度文件作为荷载施加到应力仿真中进行计算。其中，混凝土收缩相对变形值的当量温度可按照下式计算：
Ty(t)＝εy(t)/1×10-5
式中，εy(t)为混凝土收缩引起的相对变形值，按照《大体积混凝土施工规范》(GB50496)取值。
F14：边界条件定义：
将上述有限元模型的基岩设置为固结边界条件，将核岛筏基的底部平面上的网格节点全部定义为x、y、z三个方向上的固结，形成核岛筏基底部的边界条件；
F15：材料定义：
定义核岛筏基和基岩的材料参数，包括杨氏模量、泊松比以及热膨胀系数，计算涉及到的计算参数如下：
F16：单元组定义：
定义核岛筏基大体积混凝土和基岩的单元组；
F2：指定温度文件。将温度仿真计算得到的温度结果文件指定为应力仿真计算的荷载输入，即步骤F13中的指向文件；
F3：提交仿真分析计算。完成上述定义后即可提交仿真分析计算；
F4：提取分析结果。经过仿真分析后，可提取核岛筏基浇筑过程中以及浇筑完成后计算时长范围内任意时刻的核岛筏基上任意部位的应力，以及核岛筏基的应力分布情况。
F5：通过比较计算得到的核岛筏基主应力与规范给定的混凝土抗拉强度的大小，从而判断核岛筏基大体积混凝土表面是否出现有害裂缝。对于强度等级为C40的混凝土，其抗拉强度容许值为ftk＝1.71Mpa。混凝土龄期为t时的抗拉强度标准值按下式计算：
ftk(t)＝ftk(1-e-0.3t)
若核岛筏基上某点的应力σ≥λftk(t)/1.15，则核岛筏基可能会出现裂缝，应增强养护措施或者抗裂措施，防止裂缝的出现；
若核岛筏基上某点的应力σ＜λftk(t)/1.15，则核岛筏基不会出现裂缝，表明当前的养护措施可以满足施工条件，达到施工质量要求；
λ为掺合料对混凝土抗拉强度影响系数，λ＝λ1λ2，其中λ1、λ2可按下表取值：
本发明有如下有益效果：
1、可以计算核岛筏基任意位置、仿真时间内任意时刻的温度应力，形成温度云图以及主应力云图，便于核岛筏基大体积混凝土整个浇筑过程中的温度控制，以及浇筑完成后的温控施工措施的制定，可有效地控制有害裂缝的发生，确保核岛筏基的施工质量。
2、可以模拟核岛筏基大体积混凝土浇筑的施工过程模拟，能提取分析结果中的核岛筏基大体积混凝土水化热的视频动画，以便工程技术人员能直观了解不同阶段核岛筏基温度应力的变化情况。
3、计算过程中温度应力中间参数少，减小了核岛筏基温度应力的计算工作量，简化了温度应力的计算过程，使用非常方便。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1是“华龙一号”核岛筏基温度应力仿真分析流程图。
图2是“华龙一号”核岛筏基的平面图。
图3是图2的A-A剖面图。
图4是图2的B-B剖面图。
图5是采用SolidWorks生成的“华龙一号”核岛筏基几何模型图(俯视图)。
图6是采用SolidWorks生成的“华龙一号”核岛筏基几何模型图(仰视图)。
图7是“华龙一号”核岛筏基底部基岩三维示意图(俯视)。
图8是“华龙一号”核岛筏基底部基岩三维示意图(仰视)。
图9是“华龙一号”核岛筏基及其底部基岩三维示意图(仰视)。
图10是分块、切割完成后的核岛筏基及其底部基岩的几何模型。
图11是图10隐藏了RX部分结构的几何模型。
图12是完成了“华龙一号”核岛筏基RX部分网格划分的模型图。
图13是采用Hypermesh生成的“华龙一号”核岛筏基及基岩网格图。
图14是采用Hypermesh生成的“华龙一号”核岛筏基网格图(俯视图)。
图15是采用Hypermesh生成的“华龙一号”核岛筏基网格图(仰视图)。
图16是采用Hypermesh生成的“华龙一号”核岛筏基底部基岩网格图(俯视图)。
图17是采用Hypermesh生成的“华龙一号”核岛筏基底部基岩网格图(仰视图)。
图18是划分完成的基岩上表面的对流传热界面的面网格。
图19是划分完成的核岛筏基表面的对流传热界面的面网格。
图20是采用Adina计算的“华龙一号”核岛筏基温度仿真结果图。
图21是图20的x向的剖面图。
图中：1、电气厂房(LX)筏基，2、安全厂房(SR)筏基，3、基岩，4、燃料厂房(KX)筏基，5、安全厂房(SL)筏基，6、反应堆厂房(RX)筏基，7、整个核岛筏基(为1～6的总和)。
具体实施方式
按照本发明，提供了一种“华龙一号”核岛筏基温度应力仿真分析方法，其主要包括两部分内容，即温度仿真和应力仿真。下面结合图1以“华龙一号”筏基为例介绍如下：
实施例1：
1、“华龙一号”核电站核岛筏基大体积混凝土温度仿真分析方法，步骤如下：
S1：利用三维软件SolidWorks建立“华龙一号”核岛筏基大体积混凝土及其底部基岩几何模型，“华龙一号”核岛筏基建立几何模型前，应收集相关图纸、技术规格书、施工方案、变更、FCD(the first concrete date)(核岛第一罐混凝土浇筑日，核电站建设的重要里程碑)时间等资料；将收集的资料整理得到“华龙一号”核岛筏基相关的几何参数如下：“华龙一号”核岛筏基为一块厚度为2.2m的不规则多边形平板与一个半径为28m的圆柱体相贯组成，其最长边长的尺寸为80.4m。核岛筏基中反应堆厂房(RX)筏基底部存在平均半径为20.4m、深度为2.7m的圆锥台孔洞。整个核岛筏基混凝土的体积约为26057m3(未扣除核岛筏基内的钢筋、预埋设备管道的体积)，核岛筏基的平面图、剖面图如图2-4所示，三维图如图5-6所示；
考虑到“华龙一号”核岛筏基和基岩的散热条件以及基岩对核岛筏基的约束条件，模型采用核岛筏基与基岩共同建模。通过上述“华龙一号”核岛筏基几何参数并利用三维软件Solidworks建立“华龙一号”核岛筏基大体积混凝土及其底部基岩的几何模型，其中核岛筏基底部基岩厚度取5m，边缘宽出核岛筏基2m，平面形状与筏基相同。为方便后续有限元计算参数设置，建立几何模型时，应将厚度方向取为坐标系中的z轴。由于核岛筏基底部存在圆锥台孔洞，因此在建立基岩几何模型时尚应考虑与该孔洞部分接触的基岩，核岛筏基底部基岩的三维示意图如下图7～8所示。将建立完成后的核岛筏基及底部基岩的几何模型保存为后缀为.solidworks文件，核岛筏基及其底部基岩的三维示意图如下图9所示。
S2：将上述几何模型导入到有限元软件中进行有限元网格划分。
将上述后缀为.solidworks文件通过import geometry的方式导入到有限元软件Hypermesh中，在Hypermesh中先将核岛筏基几何模型沿电气厂房(LX)、安全厂房(SR、SL)、燃料厂房(KX)、反应堆厂房(RX)以及特殊截面处进行分块、切割，完成分块、切割后再对整个核岛筏基及其底部基岩几何模型进行几何清理，以便于有限元网格的划分，分块、切割完成后的核岛筏基及其底部基岩的几何模型如图10所示。
S21：由于核岛筏基及其底部基岩组成的整体几何模型较为复杂，因此需要在几何模型上建立相应的特征线以便于有限元网格的划分。将核岛筏基上所有的孔洞、六边形凹槽、圆环形凹槽等的几何线投影到反应堆厂房(RX)六边形凹槽底面所在的平面上。隐藏反应堆厂房(RX)上部的几何模型，即可看到反应堆厂房(RX)六边形凹槽底面所在的平面生成的特征线，如图11所示。
S22：利用上述几何特征线，先对反应堆厂房(RX)六边形凹槽底面所在平面进行面网格划分，面网格尺寸设定为0.7m，面网格类型设定为四边形和三角形的混合类型，面网格划分完成后的几何模型如图12所示。
S23：利用上述已创建面网格的核岛筏基划分有限元体网格，分别将上述创建的面网格沿反应堆厂房(RX)向核岛筏基顶部和底部通过拉伸方式生成有限元体网格。网格拉伸方向的尺寸设定为0.7m。划分完成的核岛筏基及其底部基岩体单元网格如图13所示，其中核岛筏基单元网格如图14～15所示，基岩单元网格如图16～17所示。
S24：建立完成“华龙一号”核岛筏基及其底部基岩的有限元网格后，再利用这些体网格在有对流传热的表面生成面网格，作为对流传热界面。划分完成的基岩上表面及核岛筏基表面的对流传热界面的面网格分别如图18～19所示。
S25：上述“华龙一号”核岛筏基及其底部基岩的体网格、对流传热界面的面网格划分完成后在hypermesh软件中的nastran模块下保存为后缀为.bdf文件。
S3：将上述有限元网格导入到另一种有限元软件中进行分析类型的定义，时间步定义，时间函数定义，初始条件定义，材料参数定义，单元生(死)定义，荷载定义(内热、环境温度)，单元组定义以及单元节点定义。具体如下：
S31：分析类型定义
在有限元软件Adina中，把分析类型设置成热计算(ADINA Thermal)模块下的瞬态分析(Transient)模式，采用Euler Backward Integration算法。将上述后缀为.bdf文件通过“导入Nastran文件”的方式导入到该有限元软件中，在导入有限元网格的同时应设置将有限元网格中的面单元转换成ADINA-T中的对流单元，以保证后续的计算工作顺利进行。
S32：时间步定义、时间函数定义
时间步定义包括筏基温度仿真的时间步数和时间步长的定义。时间函数定义包括筏基大体积混凝土内的内热变量时间函数定义、对流元环境温度时间函数定义。应注意的是，此过程中所有的时间单位取为小时(h)，热量单位取为千焦(KJ)，温度取为摄氏度(℃)。
为了充分模拟核岛筏基大体积混凝土的内热变化、热传导过程以及充分反映筏基养护阶段的温度、应力变化情况，仿真时长取为60天(d)，即1440小时(h)。为了使仿真分析与将来大体积混凝土现场测温点的测温时间相对应，核岛筏基温度仿真的时间步数取为720步，时间步长取为2小时。
值得注意的是，定义混凝土内热变量时间函数时，按照下列函数的导数定义：
式中，Q0为单位体积内胶凝材料水化热放热总量，m取0.5。
此外还应注意，定义对流元环境温度时间函数时应统计核岛筏基施工所在地近3年的历史温度，将该3年温度的平均作为平均值并拟合成正弦函数作为昼夜温差的变化。
S33：初始条件定义
定义核岛筏基初始的温度作为初始条件定义，该初始温度应为核岛筏基施工所在地FCD(the first concrete date)(核岛第一罐混凝土浇筑日，核电站建设的重要里程碑)时间的温度，设置为15℃。
S34：材料参数定义
定义筏基和基岩的材料属性。包括筏基和基岩的导热系数、比热容、密度等以及核岛筏基大体积混凝土表面的保温层等效放热系数的定义，不同的保温层等效放热系数就代表了相应的大体积混凝土浇筑完成后养护措施中的保温层敷设方案，核岛筏基不同部位、不同养护阶段计算涉及到的计算参数如下：
S35：单元生(死)定义
核岛筏基及边界对流单元生死定义。通过核岛筏基有限元体单元生的定义，可模拟不同阶段大体积混凝土的浇筑情况。同时，通过边界对流元生死的定义，可模拟不同阶段大体积混凝土表面的散热条件。核岛筏基混凝土浇筑过程中，某部分混凝土完成浇筑，则对应仿真分析过程中该部分有限元单元的生。
S36：荷载定义(内热、环境温度)
混凝土施工及养护阶段，荷载主要为核岛筏基混凝土内部因水泥水化热产生的内热以及混凝土表面与环境温度的热交换。主要施加方式为，指定有限元模型中的混凝土部分并以步骤三b)中时间函数进行输入。
S37：单元组定义以及单元节点定义
定义核岛筏基大体积混凝土、基岩以及对流边界的单元组。指定有限元模型中基岩、混凝土以及对流交换面，并定义成不同的单元组。
S4：提交仿真分析计算。完成上述定义后即可提交仿真分析计算。
S5：提取分析结果。经过仿真分析后，可提取核岛筏基浇筑过程中以及浇筑完成后计算时长范围内任意时刻的核岛筏基上任意部位的温度，以及核岛筏基的温度分布情况。同时，还能够提取核岛筏基浇筑过程以及浇筑完成后的混凝土生热过程的视频动画。通过得到的任意部位温度，可得到核岛筏基任意部位的里表温差以及绝热温升等参数。温度计算结果如图20～21所示。
实施例2：
2、“华龙一号”核电站核岛筏基大体积混凝土应力仿真分析方法，步骤如下：
F1：将上述温度仿真步骤二得到的有限元网格导入到另一种有限元软件中进行分析类型的定义，时间步定义，温度荷载来源定义，边界条件定义，材料定义，单元组定义。具体如下：
F11：分析类型定义
将温度仿真过程中得到的后缀为.bdf的有限元网格文件导入到有限元软件Adina中，把分析类型设置成结构计算(ADINA Structure)模块下的静力分析(Statics)模式。
F12：时间步定义
应力仿真的时间步定义与上述温度仿真的时间步定义完全一致，以便于计算过程中计算同步。即核岛筏基应力仿真的时间步数取为720步，时间步长取为2小时。
F13：温度荷载来源定义
由于计算核岛筏基大体积混凝土时，荷载主要来源于两部分，即水泥水化热产生的温度荷载以及混凝土的收缩。混凝土的收缩可等效成当量温度作用在计算模型上，因此温度荷载包括水泥水化热产生的温度荷载和混凝土收缩相对变形值的当量温度。温度荷载定义时温度荷载来源设置为从文件读取和插入温度荷载方式，即“Read and Interpolate”，将温度仿真中计算的温度文件作为荷载施加到应力仿真中进行计算。其中，混凝土收缩相对变形值的当量温度可按照下式计算：
Ty(t)＝εy(t)/1×10-5
式中，εy(t)为混凝土收缩引起的相对变形值，按照《大体积混凝土施工规范》(GB50496)取值。
F14：边界条件定义
将上述有限元模型的基岩设置为固结边界条件，将“华龙一号”核岛筏基的底部平面上的网格节点全部定义为x、y、z三个方向上的固结，形成“华龙一号”核岛筏基底部的边界条件。
F15：材料定义
定义核岛筏基和基岩的材料参数，包括杨氏模量、泊松比以及热膨胀系数。计算涉及到的计算参数如下：
F16：单元组定义
定义核岛筏基大体积混凝土和基岩的单元组。
F2：指定温度文件。将温度仿真计算得到的温度结果文件指定为应力仿真计算的荷载输入，即步骤F13中的指向文件。
F3：提交仿真分析计算。完成上述定义后即可提交仿真分析计算。
F4：提取分析结果。经过仿真分析后，可提取核岛筏基浇筑过程中以及浇筑完成后计算时长范围内任意时刻的核岛筏基上任意部位的应力，以及核岛筏基的应力分布情况。
F5：通过比较计算得到的核岛筏基主应力与规范给定的混凝土抗拉强度的大小，从而判断核岛筏基大体积混凝土表面是否出现有害裂缝。对于强度等级为C40的混凝土，其抗拉强度容许值为ftk＝1.71Mpa。混凝土龄期为t时的抗拉强度标准值按下式计算：
ftk(t)＝ftk(1-e-0.3t)
若核岛筏基上某点的应力σ≥λftk(t)/1.15，则核岛筏基可能会出现裂缝，应增强养护措施或者抗裂措施，防止裂缝的出现；
若核岛筏基上某点的应力σ＜λftk(t)/1.15，则核岛筏基不会出现裂缝，表明当前的养护措施可以满足施工条件，达到施工质量要求；
λ为掺合料对混凝土抗拉强度影响系数，λ＝λ1λ2，其中λ1、λ2可按下表取值：
本发明的具体工作过程和工作原理为：
本发明利用“华龙一号”核岛筏基建立了有限元模型，考虑到核岛筏基和其底部基岩的散热条件以及基岩对筏基的约束条件，同时还建立了基岩的有限元模型。根据定义热相关的材料属性、混凝土因水化热产生的内热及边界对流元的环境温度等荷载，计算得到核岛筏基大体积混凝土在浇筑过程中及浇筑完成后的温度分布。将上述温度仿真计算得到的温度结果作为荷载输入，并定义结构相关的材料属性，得到核岛筏基大体积混凝土在浇筑过程中及浇筑完成后的应力分布。通过比较计算得到的核岛筏基最大应力与规范给定的混凝土抗拉强度大小，判断核岛筏基大体积混凝土表面是否出现有害裂缝，从而提出相关措施防止裂缝的产生。
附图说明：
由于本仿真过程采用了有限元分析软件辅助进行，因此，仿真所得到的温度应力云图和应力云图都是彩色图，这些彩色的仿真图是本领域普遍接受的，不同的颜色区域代表不同的应力大小，为了更加真实的反应本仿真方法所得出的效果，所有的关于仿真的附图都采用彩色图，而没有处理成灰度图。
上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。
Claims (2)
1.核电站核岛筏基大体积混凝土温度仿真分析方法，其特征在于，它包括以下步骤：
S1：利用三维软件SolidWorks建立核岛筏基大体积混凝土及其底部基岩几何模型，在建立几何模型时，模型采用核岛筏基与基岩共同建模，并将厚度方向取为坐标系中的z轴，将建立完成后的核岛筏基及底部基岩的几何模型保存为后缀为.solidworks文件；
S2：将S1中几何模型导入到有限元软件中进行有限元网格划分，将后缀为.solidworks文件通过import geometry的方式导入到有限元软件Hypermesh中，在Hypermesh中先将核岛筏基几何模型沿电气厂房(LX)、安全厂房(SR、SL)、燃料厂房(KX)、反应堆厂房(RX)以及特殊截面处进行分块、切割，完成分块、切割后再对整个核岛筏基及其底部基岩几何模型进行几何清理，以便于有限元网格的划分，具体包括以下几个步骤：
S21：在几何模型上建立相应的特征线；
S22：利用上述几何特征线，先对反应堆厂房(RX)六边形凹槽底面所在平面进行面网格划分，面网格尺寸设定为0.7m，面网格类型设定为四边形和三角形的混合类型；
S23：利用上述已创建面网格的核岛筏基划分有限元体网格，分别将上述创建的面网格沿反应堆厂房(RX)向核岛筏基顶部和底部通过拉伸方式生成有限元体网格。网格拉伸方向的尺寸设定为0.7m；
S24：建立完成核岛筏基及其底部基岩的有限元网格后，再利用这些体网格在有对流传热的表面生成面网格，作为对流传热界面；
S25：上述核岛筏基及其底部基岩的体网格、对流传热界面的面网格划分完成后在hypermesh软件中的nastran模块下保存为后缀为.bdf文件；
S3：将上述有限元网格导入到另一种有限元软件Adina中进行分析类型定义，时间步定义，时间函数定义，初始条件定义，材料参数定义，单元生(死)定义，荷载定义(内热、环境温度)，单元组定义以及单元节点定义，具体定义过程如下：
S31：分析类型定义：
在有限元软件Adina中，把分析类型设置成热计算(ADINA Thermal)模块下的瞬态分析(Transient)模式，采用Euler Backward Integration算法，将上述后缀为.bdf文件通过“导入Nastran文件”的方式导入到该有限元软件中，在导入有限元网格的同时应设置将有限元网格中的面单元转换成ADINA-T中的对流单元；
S32：时间步定义、时间函数定义：
时间步定义包括筏基温度仿真的时间步数和时间步长的定义；时间函数定义包括筏基大体积混凝土内的内热变量时间函数定义、对流元环境温度时间函数定义，此过程中所有的时间单位取为小时(h)，热量单位取为千焦(KJ)，温度取为摄氏度(℃)；仿真时长取为60天(d)，即1440小时(h)，为了使仿真分析与将来大体积混凝土现场测温点的测温时间相对应，核岛筏基温度仿真的时间步数取为720步，时间步长取为2小时；
定义混凝土内热变量时间函数时，按照下列函数的导数定义：
式中，Q0为单位体积内胶凝材料水化热放热总量(KJ)，m取0.5；
定义对流元环境温度时间函数时应统计核岛筏基施工项目所在地近3年的历史温度，将该3年温度的平均作为平均值并拟合成正弦函数作为昼夜温差的变化；
S33：初始条件定义：
定义核岛筏基初始的温度作为初始条件定义，该初始温度应为核岛筏基施工所在地FCD(the first concrete date)(核岛第一罐混凝土浇筑日，核电站建设的重要里程碑)时间的温度；
S34：材料参数定义：
定义筏基和基岩的材料属性。包括筏基和基岩的导热系数、比热容、密度等以及核岛筏基大体积混凝土表面的保温层等效放热系数的定义，不同的保温层等效放热系数就代表了相应的大体积混凝土浇筑完成后养护措施中的保温层敷设方案，核岛筏基不同部位、不同养护阶段计算涉及到的计算参数如下：
S35：单元生(死)定义：
核岛筏基及边界对流单元生死定义，通过核岛筏基有限元体单元生的定义，可模拟不同阶段大体积混凝土的浇筑情况，同时，通过边界对流元生死的定义，可模拟不同阶段大体积混凝土表面的散热条件，核岛筏基混凝土浇筑过程中，某部分混凝土完成浇筑，则对应仿真分析过程中该部分有限元单元的生；
S36：荷载定义(内热、环境温度)：
混凝土施工及养护阶段，荷载主要为核岛筏基混凝土内部因水泥水化热产生的内热以及混凝土表面与环境温度的热交换。主要施加方式为，指定有限元模型中的混凝土部分并以步骤S32中时间函数进行输入；
S37：单元组定义以及单元节点定义：
定义核岛筏基大体积混凝土、基岩以及对流边界的单元组。指定有限元模型中基岩、混凝土以及对流交换面，并定义成不同的单元组；
S4：提交仿真分析计算，完成上述定义后即可提交仿真分析计算；
S5：提取分析结果。经过仿真分析后，可提取核岛筏基浇筑过程中以及浇筑完成后计算时长范围内任意时刻的核岛筏基上任意部位的温度，以及核岛筏基的温度分布情况。同时，还能够提取核岛筏基浇筑过程以及浇筑完成后的混凝土生热过程的视频动画。通过得到的任意部位温度，可得到核岛筏基任意部位的里表温差以及绝热温升等参数。
2.核电站核岛筏基大体积混凝土应力仿真分析方法，其特征在于，它包括以下步骤：
F1：将上述温度仿真步骤S2中得到的有限元网格导入到另一种有限元软件Adina中进行分析类型的定义，时间步定义，温度荷载来源定义，边界条件定义，材料定义，单元组定义，具体如下：
F11：分析类型定义：
将温度仿真过程中得到的后缀为.bdf的有限元网格文件导入到有限元软件Adina中，把分析类型设置成结构计算(ADINA Structure)模块下的静力分析(Statics)模式；
F12：时间步定义：
应力仿真的时间步定义与上述温度仿真的时间步定义完全一致，以便于计算过程中计算同步，即核岛筏基应力仿真的时间步数取为720步，时间步长取为2小时；
F13：温度荷载来源定义：
由于计算核岛筏基大体积混凝土时，荷载主要来源于两部分，即水泥水化热产生的温度荷载以及混凝土的收缩。混凝土的收缩可等效成当量温度作用在计算模型上，因此温度荷载包括水泥水化热产生的温度荷载和混凝土收缩相对变形值的当量温度。温度荷载定义时温度荷载来源设置为从文件读取和插入温度荷载方式，即“Read and Interpolate”，将温度仿真中计算的温度文件作为荷载施加到应力仿真中进行计算。其中，混凝土收缩相对变形值的当量温度可按照下式计算：
Ty(t)＝εy(t)/1×10-5
式中，εy(t)为混凝土收缩引起的相对变形值，按照《大体积混凝土施工规范》(GB50496)取值。
F14：边界条件定义：
将上述有限元模型的基岩设置为固结边界条件，将核岛筏基的底部平面上的网格节点全部定义为x、y、z三个方向上的固结，形成核岛筏基底部的边界条件；
F15：材料定义：
定义核岛筏基和基岩的材料参数，包括杨氏模量、泊松比以及热膨胀系数，计算涉及到的计算参数如下：
F16：单元组定义：
定义核岛筏基大体积混凝土和基岩的单元组；
F2：指定温度文件。将温度仿真计算得到的温度结果文件指定为应力仿真计算的荷载输入，即步骤F13中的指向文件；
F3：提交仿真分析计算。完成上述定义后即可提交仿真分析计算；
F4：提取分析结果。经过仿真分析后，可提取核岛筏基浇筑过程中以及浇筑完成后计算时长范围内任意时刻的核岛筏基上任意部位的应力，以及核岛筏基的应力分布情况。
F5：通过比较计算得到的核岛筏基主应力与规范给定的混凝土抗拉强度的大小，从而判断核岛筏基大体积混凝土表面是否出现有害裂缝。对于强度等级为C40的混凝土，其抗拉强度容许值为ftk＝1.71Mpa。混凝土龄期为t时的抗拉强度标准值按下式计算：
ftk(t)＝ftk(1-e-0.3t)
若核岛筏基上某点的应力σ≥λftk(t)/1.15，则核岛筏基可能会出现裂缝，应增强养护措施或者抗裂措施，防止裂缝的出现；
若核岛筏基上某点的应力σ＜λftk(t)/1.15，则核岛筏基不会出现裂缝，表明当前的养护措施可以满足施工条件，达到施工质量要求；
λ为掺合料对混凝土抗拉强度影响系数，λ＝λ1λ2，其中λ1、λ2可按下表取值：
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| GR01 | Patent grant | ||
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