CN110442966B - 考虑温度时变效应的氧化镁混凝土温度应力模拟方法 - Google Patents

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Abstract

考虑温度时变效应的氧化镁混凝土温度应力模拟方法，属于混凝土温度控制仿真领域，涉及一种考虑温度时变效应的氧化镁混凝土温度应力模拟方法。本发明的方法在有限元中实现了全量型与增量型的转换，并将得到的自生体积变形增量转化为温度梯度，合并在温度场有限元计算中，并在计算过程中充分考虑了混凝土温度的时变过程，解决了外掺氧化镁重力坝中温度应力计算时，氧化镁导致的自生体积变形随浇筑过程产生的时变效应影响的问题，相比于传统不考虑时变效应的计算方法，本发明计算方法对温度应力的计算更准确，适应性更强。

Description

考虑温度时变效应的氧化镁混凝土温度应力模拟方法
技术领域
本发明属于混凝土温度控制仿真领域，涉及一种考虑温度时变效应的氧化镁混凝土温度应力模拟方法。
背景技术
氧化镁混凝土筑坝技术能极大的利用氧化镁掺和料独特的延迟性微膨胀的作用，减小和消除混凝土在降温过程中产生的拉应力和体积收缩，抵消因大体积混凝土在降温过程中自收缩引发的温度应力，起到防止开裂的作用，进而取代大部分传统温控防裂措施。但由于氧化镁混凝土的膨胀量与氧化镁掺量和养护过程中的混凝土温度息息相关，故对氧化镁混凝土进行精细化的温度应力仿真十分必要。
目前氧化镁混凝土微膨胀性应力补偿数学模型一般有全量型和增量型计算模型，全量型计算模型收敛性较好，但无法考虑混凝土温度发生变化过程中导致的自生体积变形速率的急剧变化，在实际混凝土温控仿真计算过程中不够准确，增量型计算模型表达式形式较为复杂，所需的参数较多，参数率定困难，在有限元中不易操作和实现，且存在不能全面考虑氧化镁掺量等因素的问题。
发明内容
为了解决上述的技术问题，本发明提出了一种结合全量法与增量法优点的新方法，在有限元中实现了全量型与增量型的转换，并将得到的自生体积变形增量转化为温度梯度，合并在温度场有限元计算中，并在计算过程中充分考虑了混凝土温度的时变过程，具有计算快速、准确的特点。
本发明的方法，使用到ANSYS系统，是美国ANSYS公司开发的一款大型通用有限元分析软件，软件中solid70单元和solid185单元均是ANSYS程序自带的单元，solid70用于计算温度场，solid185用于计算应力场。在ANSYS中用solid70 单元创建三维有限元模型，计算温度场，用solid185单元创建的三维有限元模型计算温度应力场，solid70单元可以在应力计算时转化为solid185。
考虑温度时变效应的氧化镁混凝土温度应力模拟方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
S1：按混凝土坝的特征，在ANSYS中创建三维有限元模型，用solid70单元创建三维有限元模型计算温度场，用solid185单元创建的三维有限元模型计算温度应力场；
S2：选用正交实验方法，采用氧化镁混凝土不同养护温度，以及不同氧化镁掺量作为正交变量因子，得出混凝土养护龄期内的自生体积变形实验数据；
S3：根据步骤S2的实验数据，采用归一化方法，建立氧化镁混凝土自生体积变形与氧化镁混凝土掺量和养护温度的映射关系，并建立多因素氧化镁混凝土自生体积变形增量方程；
映射关系的建立，包括如下步骤：
S3.1：建立氧化镁混凝土自生体积变形中，与温度和氧化镁掺量无关的基本方程F(τ)：
Figure GDA0003574308780000021
其中，ai和bi是自生体积变形基本方程复合指数参数，根据步骤S2的实验数据拟合得到；
S3.2：建立氧化镁含量修正系数函数k(M)；
k(M)＝Ka·M+Kb
M为氧化镁掺量；
Ka为氧化镁含量拟合参数，由S2的实验数据拟合得到；
Kb为氧化镁含量拟合参数，由S2的实验数据拟合得到；
S3.3：建立混凝土温度修正系数函数f(h(T)，τ0)；
f(h(T)，τ0)＝A·T+B
T为τ0时刻的混凝土温度，单位℃；
A为氧化镁自生体积变形温度相关项参数，由步骤S2的实验数据拟合得到；
B为氧化镁自生体积变形温度相关项参数，由步骤S2的实验数据拟合得到；
S3.4：建立多因素氧化镁混凝土自生体积变形增量方程；
Figure GDA0003574308780000031
G(M，T，τ)为混凝土自生体积变形；
k(M)为氧化镁含量修正系数；
f(h(T)，τ)为混凝土温度修正系数，与混凝土的龄期有关，其中h(T)为τ时刻的温度值；
F(τ)为混凝土自生体积变形基本式；
C为混凝土自生体积变形整体修正系数；
式中，混凝土自生体积变形整体修正系数C根据实验参数及已确定的函数形式，采用回归分析确定，得出：
Figure GDA0003574308780000041
其中：
Figure GDA0003574308780000042
式中，各参数的取值采用将氧化镁自生体积变形量归一化处理后，根据 matlab拟合软件，套入自生体积变形基本方程中拟合得到；
S4：导出τ时刻有限元计算模型的节点温度场，并作为自变量输入到氧化镁混凝土自生体积变形增量方程中，求解出τ时刻的氧化镁混凝土自生体积变形增量ΔG(M，T，τ)；
S5：将τ时刻的氧化镁混凝土自生体积变形增量通过体积变形增量与温度转换函数转换为τ时刻的附加温度梯度，τ时刻的附加温度梯度可用如下式子表示：
Figure GDA0003574308780000043
τ混凝土龄期；
ΔG(M，T，τ)为龄期τ的自生体积变形增量，此时混凝土环境温度为T；
α为线膨胀系数；
ΔT为等效温差；
S6：将τ时刻的附加温度梯度叠加到τ时刻的有限元模型节点温度场中，并在有限元软件中计算出τ时刻的温度应力场；
S7：执行τ＝τ+1，重复S4、S5、S6，直至有限元计算结束。
所述的混凝土坝的特征包括混凝土坝体型、混凝土材料分区，以及浇筑情况；其中，创建的三维有限元模型中，按照坝体材料分区情况赋予不同区各自的材料参数用于有限元计算。
本发明的有益效果在于，提出了考虑温度时变效应的氧化镁混凝土温度应力模拟方法，解决了外掺氧化镁重力坝中温度应力计算时，氧化镁导致的自生体积变形随浇筑过程产生的时变效应影响的问题，相比于传统不考虑时变效应的计算方法，本发明计算方法对温度应力的计算更准确，适应性更强。
附图说明
图1为本发明的流程图。
图2为本发明实施例的某氧化镁混凝土重力坝坝体分区示意图。
图3为本发明实施例中某氧化镁混凝土重力坝三维有限元模型图。
图4为本发明实施例中三级配混凝土20℃不同掺量氧化镁混凝土试验值拟合曲线。
图5为本发明实施例中三级配混凝土30℃不同掺量氧化镁混凝土试验值拟合曲线。
图6为本发明实施例中三级配混凝土40℃不同掺量氧化镁混凝土试验值拟合曲线。
图7为本发明实施例中三级配混凝土50℃不同掺量氧化镁混凝土试验值拟合曲线。
图8为本发明实施例中全坝外掺6％氧化镁混凝土的坝体第一主应力包络图。
图9为本发明实施例中全坝外掺8％氧化镁混凝土的坝体第一主应力包络图。
图10为本发明实施例中全坝外掺10％氧化镁混凝土的坝体第一主应力包络图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1：发明以广东省某氧化镁混凝土重力坝为例，提出一种考虑温度时变效应的氧化镁混凝土温度应力模拟方法，包括以下步骤：
S1：按混凝土坝的特征，在ANSYS中创建三维有限元模型，用solid70单元创建三维有限元模型计算温度场，用solid185单元创建的三维有限元模型计算温度应力场；
混凝土坝的特征包括混凝土坝体型、混凝土材料分区，以及浇筑情况；
其中，创建的三维有限元模型中，按照坝体材料分区情况赋予不同区各自的材料参数用于有限元计算，所建的模型如附图2、图3。
S2：选用正交实验方法，采用20℃、30℃、40℃、50℃的氧化镁混凝土养护温度，以及6％、8％、10％的氧化镁掺量作为正交变量因子，得出200天内混凝土养护龄期的自生体积变形实验数据，如下表1所示；
表1
Figure GDA0003574308780000071
S3：根据步骤S2的实验数据，采用归一化方法，建立氧化镁混凝土自生体积变形与氧化镁混凝土掺量和养护温度的映射关系，并建立多因素氧化镁混凝土自生体积变形增量方程；
映射关系的建立，包括如下步骤：
S3.1：建立氧化镁混凝土自生体积变形中，与温度和氧化镁掺量无关的基本方程F(τ)：
Figure GDA0003574308780000081
式中，氧化镁自生体积变形为随时间不断延长和稳定增长，不存在回缩和无限膨胀现象，因而基本方程选为收敛方程；
其中，ai和bi是自生体积变形基本方程复合指数参数，根据步骤S2的实验数据拟合得到；
S3.2：建立氧化镁含量修正系数函数k(M)；
k(M)＝Ka·M+Kb
M为氧化镁掺量；
Ka为氧化镁含量拟合参数，由步骤S2的实验数据拟合得到；
Kb为氧化镁含量拟合参数，由步骤S2的实验数据拟合得到；
式中，氧化镁混凝土的自生体积膨胀随氧化镁掺量M的增大而增大，由于自生体积变形膨胀存在着温度应力补偿点，即存在一M值使得k(M)＝0，故考虑线性函数作为k(M)的函数形式；
S3.3：建立混凝土温度修正系数函数f(h(T)，τ0)；
f(h(T)，τ0)＝A·T+B
T为τ0时刻的混凝土温度，单位℃；
A为氧化镁自生体积变形温度相关项参数，由步骤S2的实验数据拟合得到；
B为氧化镁自生体积变形温度相关项参数，由步骤S2的实验数据拟合得到；
式中，氧化镁混凝土自生体积膨胀随温度的升高而增大。养护温度对氧化镁混凝土自生体积变形的影响以某一温度下的实验值为基准值，以线性函数作为混凝土龄期τ0恒定下的f(h(T)，τ0)修正系数；
S3.4：建立多因素氧化镁混凝土自生体积变形增量方程；
Figure GDA0003574308780000091
G(M，T，τ)为混凝土自生体积变形；
k(M)为氧化镁含量修正系数；
f(h(T)，τ)为混凝土温度修正系数，与混凝土的龄期有关，其中h(T)为τ时刻的温度值；
F(τ)为混凝土自生体积变形基本式；
C为混凝土自生体积变形整体修正系数；
式中，混凝土自生体积变形整体修正系数C根据实验参数及已确定的函数形式，采用回归分析确定，得出：
Figure GDA0003574308780000092
其中：
Figure GDA0003574308780000042
式中，各参数的取值采用将氧化镁自生体积变形量归一化处理后，根据matlab 等拟合软件，套入自生体积变形基本方程中拟合得到；
不同温度条件下物理实验与该映射关系的对比如图4、图5、图6、图7。
S4：导出τ时刻有限元计算模型的节点温度场，并作为自变量输入到氧化镁混凝土自生体积变形增量方程中，求解出τ时刻的氧化镁混凝土自生体积变形增量ΔG(M，T，τ)。
S5：将τ时刻的氧化镁混凝土自生体积变形增量通过体积变形增量与温度转换函数转换为τ时刻的附加温度梯度，τ时刻的附加温度梯度可用如下式子表示：
Figure GDA0003574308780000101
τ混凝土龄期；
ΔG(M，T，τ)为龄期τ的自生体积变形增量，此时混凝土环境温度为T；
α为线膨胀系数；
ΔT为等效温差。
S6：将τ时刻的附加温度梯度叠加到τ时刻的有限元模型节点温度场中，并在有限元软件中计算出τ时刻的温度应力场；
S7：执行τ＝τ+1，重复S4、S5、S6，直至有限元计算结束。
图8、图9、图10分别为某氧化镁混凝土重力坝考虑氧化镁不同掺量和温度时变效应的三维有限元模型计算温度应力场。

Claims (2)

1.考虑温度时变效应的氧化镁混凝土温度应力模拟方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
S1：按混凝土坝的特征，在ANSYS中创建三维有限元模型，用solid70单元创建三维有限元模型计算温度场，用solid185单元创建的三维有限元模型计算温度应力场；
S2：选用正交实验方法，采用氧化镁混凝土不同养护温度，以及不同氧化镁掺量作为正交变量因子，得出混凝土养护龄期内的自生体积变形实验数据；
S3：根据步骤S2的实验数据，采用归一化方法，建立氧化镁混凝土自生体积变形与氧化镁混凝土掺量和养护温度的映射关系，并建立多因素氧化镁混凝土自生体积变形增量方程；
映射关系的建立，包括如下步骤：
S3.1：建立氧化镁混凝土自生体积变形中，与温度和氧化镁掺量无关的基本方程F(τ)：
Figure FDA0003550845960000011
其中，ai和bi是自生体积变形基本方程复合指数参数，根据步骤S2的实验数据拟合得到；
S3.2：建立氧化镁含量修正系数函数k(M)；
k(M)＝Ka·M+Kb
M为氧化镁掺量；
Ka为氧化镁含量拟合参数，由S2的实验数据拟合得到；
Kb为氧化镁含量拟合参数，由S2的实验数据拟合得到；
S3.3：建立混凝土温度修正系数函数f(h(T)，τ0)；
f(h(T)，τ0)＝A·T+B
T为τ0时刻的混凝土温度，单位℃；
A为氧化镁自生体积变形温度相关项参数，由步骤S2的实验数据拟合得到；
B为氧化镁自生体积变形温度相关项参数，由步骤S2的实验数据拟合得到；
S3.4：建立多因素氧化镁混凝土自生体积变形增量方程；
Figure FDA0003550845960000021
G(M，T，τ)为混凝土自生体积变形；
k(M)为氧化镁含量修正系数；
f(h(T)，τ)为混凝土温度修正系数，与混凝土的龄期有关，其中h(T)为τ时刻的温度值；
F(τ)为混凝土自生体积变形基本式；
C为混凝土自生体积变形整体修正系数；
式中，混凝土自生体积变形整体修正系数C根据实验参数及已确定的函数形式，采用回归分析确定，得出：
Figure FDA0003550845960000022
其中：
Figure FDA0003550845960000023
式中，各参数的取值采用将氧化镁自生体积变形量归一化处理后，根据matlab拟合软件，套入自生体积变形基本方程中拟合得到；
S4：导出τ时刻有限元计算模型的节点温度场，并作为自变量输入到氧化镁混凝土自生体积变形增量方程中，求解出τ时刻的氧化镁混凝土自生体积变形增量ΔG(M，T，τ)；
S5：将τ时刻的氧化镁混凝土自生体积变形增量通过体积变形增量与温度转换函数转换为τ时刻的附加温度梯度，τ时刻的附加温度梯度可用如下式子表示：
Figure FDA0003550845960000031
τ混凝土龄期；
AG(M，T，τ)为龄期τ的自生体积变形增量，此时混凝土环境温度为T；
α为线膨胀系数；
ΔT为等效温差；
S6：将τ时刻的附加温度梯度叠加到τ时刻的有限元模型节点温度场中，并在有限元软件中计算出τ时刻的温度应力场；
S7：执行τ＝τ+1，重复S4、S5、S6，直至有限元计算结束。
2.权利要求1所述的考虑温度时变效应的氧化镁混凝土温度应力模拟方法，其特征在于，所述的混凝土坝的特征包括混凝土坝体型、混凝土材料分区，以及浇筑情况；其中，创建的三维有限元模型中，按照坝体材料分区情况赋予不同区各自的材料参数用于有限元计算。
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