（midas）热传导及热应力分析

一概要1分析概要对于混凝土结构的热传导分析大部分只用于大体积混凝土的水化热分析。很多工程师都认为硬化后混凝土的耐热性能比较强的，所以对于混凝土结构除水化热以外很少进行其它热应力详细分析。但从最近发生的工程火灾事例以及研究结果发现混凝土在高温状态下会发生化学、物理性的变化，同时会大大降低其强度。因此我们不仅要进行试验性研究，还有必要对结构进行热传导和热应力分析来预测结构在高温状态下的反应。本例题将介绍地铁车站的二维热传导分析以及热应力分析的方法。2分析步骤地铁车站模型采用八节点四边形平面应变单元（PLANESTRAINELEMENT）。二建立基本模型1导入模型2分析模型1操作步骤PROCEDURE文件打开1选择HEATTRANSFERFEB建立模型定义边界/荷载热应力分析热传导分析23456分析分析控制2勾选2D3勾选XZ平面分析特性2D4选择平面应变表单5材料混凝土6厚度1M分析控制2D如上图所示地铁车站横截面属于箱型截面，是纵向长度较长的结构，可以使用不存在面外应变的平面应变单元进行二维分析。建立平面应变单元，需要在分析控制里选择二维分析类型。当选择的分析类型为三维时，在定义“特性”对话框里无法定义平面应变单元特性。在MIDASFEA中定义平面应变单元时，需要定义平面应变单元的厚度。本例题输入单位长度（1M）作为厚度。一般情况下平面应变单元的厚度不会影响分析结果，但是在单元边界施加线压力荷载时，将受到厚度的影响，所以输入此类荷载时需要注意。3火灾时暴露在外面的表面发生火灾时直接暴露在外面的部位需要细分网格。如上图所示虚线部位就需要比其它部位细一点，这样才能更容易的查看这些位置上沿深度变化的温度分布以及应力分布情况。本例题对于虚线部分沿深度方向每4CM生成节点划分网格，且使用了八节点四边形的平面应变单元。MIDASFEA的八节点四边形单元应用了二次形函数，一般称它为二次QUADRATIC单元或高次单元，相对于四节点四边形单元的分析结果更加精确。在MIDASFEA里应用映射网格生成单元时，不能直接生成高阶单元。首先生成低次单元后，在“网格单元修改参数”里改为高次单元。三定义材料特性1定义随温度的变化的材料特性混凝土在高温状态下材料特性会发生变化。MIDASFEA程序可以考虑材料特性随温度的变化。本例题在进行热应力分析时，考虑弹性模量和热膨胀系数随温度的变化。12步骤PROCEDURE分析材料1选择混凝土3点击“5输入表格7点击“9输入表格2点击修改4名称ELASTIC6点击确认8名称EXPANSION10点击确认网格大小8675ECSYAXISECSXAXIS1234546379810随温度的变化的弹性模量温度弹性模量MPA2002500007002500003000125000600090000850060000随温度的变化的热膨胀系数温度热膨胀系数200000001700000001300000000160000000028500000002输入热传导特性值热传导分析时，需要输入材料的热传导率和比热值。在本例题里输入混凝土的一般热传导率和比热值。此时一定要注意比热的单位，比热的单位是单位质量的物体提高温度1所需热量。但MIDASFEA程序中不单独提供质量的单位，所以不得已利用荷载与重力加速度来表现质量。即，当长度单位为M时，1KG1N/G。由于此单位使用了加速度的单位，随着长度单位的变化而变化。当长度单位发生变化时，其值会按照长度单位的平方倍数变化。例如当长度单位为MM时，1KG1000000N/G。四定义边界条件和荷载工况1定义边界条件地基接触面边界条件假定地铁箱型结构的侧墙外表面以及底板下表面完全与地基对接，故设置固结边界条件。平面应变单元由于没有旋转自由度，只约束T1、T3即可。顶板连接部位的边界条件地铁箱型结构顶板上表面在与侧墙以及中间柱连接的部位需要定义边界条件。本例题中模型为三层结构中的最底层结构，所以需要反映处上一层侧墙与柱的刚度。操作步骤PROCEDURE分析约束1边界组支撑2选择标记为“”的节点3勾选T1,T34点击适用操作步骤PROCEDURE分析约束1选择标记为“”的节点2勾选T33点击确认1234231操作步骤PROCEDURE分析材料11点击热工参数12热传导率00023W/MMT13比热1200000JG/NT14点击确认15点击确义对流边界与大气接触的对流边界虚线标记的顶板上表面由于与大气接触，需定义为对流边界。二维平面应变单元的对流边界在单元的边上定义，选择二维单元。对流系数为12KCAL/M3HRT，温度为20。3火灾暴露面的温度发生火灾时对直接暴露于火灾中的部分和间接暴露的部分应输入不同的温度。本例题假定发生火灾时的最高温度为800，周边温度为200（如上图所示）。各个国家耐火分析时应用的最高温度和持续时间标准不同，可能与上图有所区别。11121314123451015678967891234510操作步骤PROCEDURE分析热传导分析单元对流边界1边界组AMBIENT2类型线对流3对象类型2D单元4选择标记为“单元线5点击函数6函数名称边界7函数类型常量8对流系数129点击确认10点击函数11函数名称AMBIENT12函数类型常量13温度2014点击确认15点击确认操作步骤PROCEDURE分析热传导分析固定温度1边界组火灾区2类型节点3选择标记为“的节点4选择随时间变化5点击函数6函数名称火7函数类型用户设定8输入表格9点击确认10点击确认火灾暴露面位置上温度随时间的变化TIMEHOURTEMPERATURE00200058000108000240200火灾周边区域温度随时间变化TIMEHOURTEMPERATURE002000520001020002402004定义结构的自重和施工阶段定义施工阶段对随时间变化的热传导和热应力分析，需定义施工阶段。本例题对发生火灾后的48小时进行分析。因为火灾初期温度会发生急剧变化，初期时间步骤要分得细一些。施工阶段分析不仅适用于热传导分析，同时适用于热应力分析，还需要定义对流边界、外部温度以及自重等静力荷载。定义了施工阶段后，在分析工况里依次定义热传导分析和热应力分析两个分析工况。程序在运行分析时，首先进行热传导分析，然后利用计算的温度分布进行一般静力施工阶段分析计算热应力结果。操作步骤PROCEDURE分析自重1荷载组自重2自重因子Z13点击确认67894510123操作步骤PROCEDURE分析热传导分析固定温度1边界组周边区域2类型节点3选择标记为“的节点4选择随时间变化5点击函数6函数名称间接区域7函数类型用户设定8输入表格9点击确认10点击确认567123489五定义分析工况1定义热传导分析工况定义热传导分析工况。MIDASFEA的一般热传导分析适用于计算1D、2D、3D单元的热传导效应。可查看外部温度以及特定热源引起的随时间变化的温度分布情况，且可根据温度分布情况计算相应的热应力结果。水化热分析作为热传导分析的一种，只能对于3D单元进行线性分析，相对于一般热传导分析有一定的限制。对混凝土进行水化热分析时，使用反映混凝土水化程度的等价材龄进行热应力分析，且徐变的计算方法也与一般的施工阶段分析不同。通过一般的热传导分析来进行水化热分析还是有些局限性。所以MIDASFEA程序中将一般热传导分析和水化热分析区分成了两种不同的分析工况。水化热分析虽然属于一般热传导分析的一种，但是为了更好地考虑混凝土的发热特性及徐变特性，将其单独分为一个分析功能。分析输出控制进行热传导分析后会如下图所示输出温度、温度梯度、热通量/热流量结果。若想选择性地输出热通量/热流量的计算结果可以勾选热通量/热流量计算位置的单元中心及节点的选项。分析控制定义热传导分析所需的条件。操作步骤PROCEDURE分析施工阶段定义施工阶段1点击新建2选择HOURS单位3期间484查看点击附加步骤5生成步骤自定义HOUR05,1,15,2,25,3,4,5,6,12,24,486点击生成步骤7点击确认8拖放所有网格组9点击确认操作步骤PROCEDURE分析分析工况1点击添加2名称热传导3选择一般热传导123拖放所有边界组拖放自重荷载组初始阶段在施工阶段中选择开始进行热传导分析的阶段。程序默认为从起始阶段开始进行热传导分析，但如果需要从中间阶段开始时，勾选“中间阶段”选项后选择相应阶段即可。最终阶段在施工阶段中选择结束热传导分析阶段。程序默认最后阶段为结束阶段，但如果需要在中间阶段结束时，勾选“中间阶段”选项后选择相应的施工阶段即可。时间差分因子进行随时间变化的热传导分析时，与时间增量相关的系数。输入05时，虽然能够得到精确的结果，但收敛性也会降低。保存施工阶段分析结果进行热传导分析后，可以查看各施工阶段及各步骤的温度分布结果。为了在进行热应力施工阶段分析时考虑温度分布情况，在这里必须要勾选此项。热传导阶段控制作为稳态需要查看热传导施工阶段的稳定状态结果，需要给对流条件及热源条件以无限长时间，这样会影响计算效率，而勾选此项程序会自动输出这个阶段的稳态结果。2定义热应力分析工况定义施工阶段分析类型时，为了导入热传导分析的温度分布结果选择此项。为了进行热应力分析，在分析工况中必须先定义热传导分析。56234718操作步骤PROCEDURE分析分析工况1点击添加2名称热应力3选择施工阶段4点击分析控制5应用将热传递结果作为热工荷载1CASE热传导6点击确认7点击确认12六查看分析结果1分析结果1热传导分析结果分析结果成分工作树形菜单的结果表单分析结束后，可在程序界面左侧的工作树形菜单中查看分析结果。热传导分析后输出以下三个结果。即结构的温度、温度梯度及热流结果。成分标记内容温度温度温度结果温度梯度TGIIX,Y,Z,各方向温度梯度结果热流HFIIX,Y,Z,各方向热流结果查看温度结果查询结果通过热传导分析可以查看结构的详细温度分布情况，需要查看沿构件深度方向多个位置的温度情况时，可利用查询结果功能查看。曲线上结果使用“线上图”功能，按图表形式查看构件表面的温度分布情况。1234步骤PROCEDURE后处理查询结果1选择节点2选择标记为“的节点操作步骤PROCEDURE后处理线上图1选择标记为“O”的两点2名称TEMPERATURE3分割数量204点击添加5勾选TEMPERATURE6图形颜色BLACK7比例028点击曲线图12345678PROCEDURE步骤工具条结果1选择热传导分析工况2选择STAGE1STEP53点击数据过滤4点击节点其他5选择温度6点击适用5610010203040501020304050TIMEHOURSTRESMPA2热应力分析结果分析结