RFPA2D温度版培训教程

1、初级培训教程初级培训教程RFPA2D-Thermo温度版温度版主要内容主要内容 RFPA-Thermo温度版简介温度版简介 热弹性力学基本理论和概念热弹性力学基本理论和概念 RFPA-Thermo温度版功能按钮与工具条介绍温度版功能按钮与工具条介绍 RFPA-Thermo温度版分析问题的流程温度版分析问题的流程 工程中有关热应力问题的工程中有关热应力问题的RFPA模拟计算举例模拟计算举例一、一、RFPA-Thermo温度版简介温度版简介 RFPA-Thermo温度版简介温度版简介 RFPA-Thermo温度版温度版是继是继RFPA2D-Basic基本版推出的，利用基本版推出的，利用该版本可广泛

2、开展岩石、混凝土、复合材料热载下的变形、破该版本可广泛开展岩石、混凝土、复合材料热载下的变形、破坏试验，亦可对实际工程中的热载荷进行数值计算分析，计算坏试验，亦可对实际工程中的热载荷进行数值计算分析，计算分析可直观的得到实验及工程实体中的温度场、应力场、位移分析可直观的得到实验及工程实体中的温度场、应力场、位移场及声发射（微震）场的时空演化规律。场及声发射（微震）场的时空演化规律。观看均匀升温下温度致裂混凝土过程观看均匀升温下温度致裂混凝土过程混凝土材料温度致裂演化过程（破坏模式）混凝土材料温度致裂演化过程（破坏模式）混凝土材料温度致裂演化过程（应力演化）混凝土材料温度致裂演化过程（应力演化）

3、二、热弹性力学基本理论和概念二、热弹性力学基本理论和概念温度应力（热应力）的概念温度应力（热应力）的概念温度应力：温度应力：温度应力也叫变温应力或热应力。当弹性体的温温度应力也叫变温应力或热应力。当弹性体的温 度有所改变时，它的每一部分都将由于温度的升高或降低而处度有所改变时，它的每一部分都将由于温度的升高或降低而处于膨胀或收缩。但是由于弹性体所受的外在约束，以及各个部于膨胀或收缩。但是由于弹性体所受的外在约束，以及各个部分之间的相互约束，这种膨胀或收缩并不能自由的发生，于是分之间的相互约束，这种膨胀或收缩并不能自由的发生，于是就产生了应力，即所谓的变温应力。就产生了应力，即所谓的变温应力。产

4、生温度应力的条件：产生温度应力的条件： 温度的变化（升高或降低）温度的变化（升高或降低） 约束（外界约束或各部分之间的约束）约束（外界约束或各部分之间的约束）温度应力的平面问题温度应力的平面问题两类场的问题：两类场的问题： 决定温度场：决定温度场：按照热传到理论，根据弹性体的热学性质、按照热传到理论，根据弹性体的热学性质、内部热源、初始条件和边界条件，计算弹性体内各点在各瞬时内部热源、初始条件和边界条件，计算弹性体内各点在各瞬时的温度，即所谓的温度，即所谓“决定温度场决定温度场”，而前后两个温度场之差就是，而前后两个温度场之差就是弹性体的变温。弹性体的变温。 决定应力场：决定应力场：按照按照“

5、热弹性力学热弹性力学”，根据弹性体的变温来，根据弹性体的变温来求出体内各点的温度应力，即所谓求出体内各点的温度应力，即所谓“决定应力场决定应力场”。 为了决定弹性体内的温度应力，须进行这两方面的计算。为了决定弹性体内的温度应力，须进行这两方面的计算。关于温度场和热传递的一些概念关于温度场和热传递的一些概念热传递：热传递：热从温度高的物体传到温度低的物体，或者从物体的高温热从温度高的物体传到温度低的物体，或者从物体的高温部分传到低温部分，这种现象叫做热传递。发生热传递的唯一条件是部分传到低温部分，这种现象叫做热传递。发生热传递的唯一条件是存在温度差，与物体的状态，物体间是否接触都无关。热传递的结

6、果存在温度差，与物体的状态，物体间是否接触都无关。热传递的结果是温差消失，即发生热传递的物体间或物体的不同部分达到相同的温是温差消失，即发生热传递的物体间或物体的不同部分达到相同的温度。度。热传递的三种方式：热传递的三种方式： 热传导：热传导：传导热从物体温度较高的部分沿着物体传到温度较低的传导热从物体温度较高的部分沿着物体传到温度较低的部分，叫做传导。热传导是固体中热传递的主要方式部分，叫做传导。热传导是固体中热传递的主要方式 。 对流：对流：对流靠液体或气体的流动来传热的方式叫做对流。对流是对流靠液体或气体的流动来传热的方式叫做对流。对流是液体和气体中热传递的主要方式，气体的对流现象比液体

7、更明显。液体和气体中热传递的主要方式，气体的对流现象比液体更明显。 辐射：辐射：辐射热由物体沿直线向外射出，叫做辐射。用辐射方式传辐射热由物体沿直线向外射出，叫做辐射。用辐射方式传递热，不需要任何介质，因此，辐射可以在真空中进行。地球上得到递热，不需要任何介质，因此，辐射可以在真空中进行。地球上得到太阳的热，就是太阳通过辐射的方式传来的。一般情况下，热传递的太阳的热，就是太阳通过辐射的方式传来的。一般情况下，热传递的三种方式往往是同时进行的。三种方式往往是同时进行的。热量：热量：指的是由于温差的存在而导致的能量转化过程中所转化的能指的是由于温差的存在而导致的能量转化过程中所转化的能量。转化的过

8、程叫做热交换或热传递。量。转化的过程叫做热交换或热传递。 热量的计算公式：热量的计算公式：Q=cmT ；物体物体(质量质量m)经某一过程温度由变经某一过程温度由变化为，它吸收化为，它吸收(或放出或放出)的热量的热量 。其中。其中C是与这个过程相关的比热是与这个过程相关的比热(容容)热量的单位与功、能量的单位相同在国际单位制中热量的单位为焦热量的单位与功、能量的单位相同在国际单位制中热量的单位为焦耳耳(简称焦，符号为简称焦，符号为J)。热容：热容：热容的标准定义是：热容的标准定义是：“当一系统由于加给一微小的热量当一系统由于加给一微小的热量Q而而温度升高温度升高dT时，时，Q/dT 这个量即是热

9、容。这个量即是热容。”（GB3102.4-93）热膨胀系数：热膨胀系数：即在一定温度范围内每升高即在一定温度范围内每升高1度，线尺寸的增加量与其度，线尺寸的增加量与其在在0度时的长度的比值，这就是线膨胀系数，简称膨胀系数度时的长度的比值，这就是线膨胀系数，简称膨胀系数关于温度场和热传递的一些概念关于温度场和热传递的一些概念热传导方程热传导方程温度场：温度场：在热传导的过程中，物体内各点的温度随着各点的位置不同和时间在热传导的过程中，物体内各点的温度随着各点的位置不同和时间的经过而变化，介质内部的温度分布用函数的经过而变化，介质内部的温度分布用函数T(x,y,z,t)表示；即在任一瞬时，所表示；

10、即在任一瞬时，所有各点的温度值的总体，称为温度场。有各点的温度值的总体，称为温度场。热流密度的定义：热流密度的定义：在单位时间内通过单位等温面面积的热量，用在单位时间内通过单位等温面面积的热量，用q(x,y,z,t)表示；表示；q=dQ/dt/S，它的量纲为，它的量纲为:热量热量/时间时间/面积面积。Fourier定理：定理：热流密度热流密度q与温度函数与温度函数u的梯度成正比，比例系数的梯度成正比，比例系数k称称为为导热系数 ；q= -kT 温度边界条件温度边界条件第一类边界条件：第一类边界条件：若已知区域边界上温度分布，可归结为第一类边界条件，也若已知区域边界上温度分布，可归结为第一类边界

11、条件，也称温度边界条件。称温度边界条件。第二类边界条件：第二类边界条件：若已知区域边界上每一点的热流密度。由若已知区域边界上每一点的热流密度。由Fourier定律，这定律，这实际上表示温度实际上表示温度T沿界面的法向导数是已知的，则可归结为第二类边界条件沿界面的法向导数是已知的，则可归结为第二类边界条件,也称也称热流密度边界条件。热流密度边界条件。注意：若物体界面绝热，即物体与周围介质无热交换，则注意：若物体界面绝热，即物体与周围介质无热交换，则T=0，即得第二类齐次边界条件。又称为绝热条件，即得第二类齐次边界条件。又称为绝热条件第三类边界条件：第三类边界条件：设已知周围介质在物体表面的温度为

12、设已知周围介质在物体表面的温度为T1(x,y,z,t) 。在表面，。在表面，物体和外部介质间有温度差物体和外部介质间有温度差T(x,y,z,t)-T1(x,y,z,t)，从而就有热量的流动，它满，从而就有热量的流动，它满足足Newton ( 牛顿牛顿 )热交换定律：在无穷小时段内，经物体表面上的无穷小面积流热交换定律：在无穷小时段内，经物体表面上的无穷小面积流到周围介质中去的热量和物体与介质在接触面上的温度差成正比。即到周围介质中去的热量和物体与介质在接触面上的温度差成正比。即dQ=H(T-T1)dsdt 其中其中H是比例常数，称为热交换系数。可归结为第三类边界条件，也称混合边界是比例常数，称

13、为热交换系数。可归结为第三类边界条件，也称混合边界条件。条件。当研究有界区域当研究有界区域内温度分布，边界条件通常有三大类：内温度分布，边界条件通常有三大类：三、三、RFPA-Thermo温度版功能按钮温度版功能按钮与工具条介绍与工具条介绍基本工具条基本工具条New新建新建Open打开打开Save保存保存Print打印打印Copy复制复制Zoom缩放缩放Full Screen全屏显示全屏显示Mesh dividing网格划分网格划分Boundary conditions边界条件边界条件Control conditions控制条件控制条件Self defining系统自定义系统自定义Seepag

14、e boundary conditions渗流边界条件渗流边界条件Run step by step单步运行单步运行Auto run 自动连续运行自动连续运行Stop run强制停止运行强制停止运行Thermal boundary condition 温度边界条件温度边界条件Draw by mouse鼠标键盘输入切换鼠标键盘输入切换Material property材料类型选择材料类型选择Select area区域选择区域选择Rectangle矩形矩形Circle圆圆Line单直线单直线Double line双直线双直线Polyline多线多线Polygon任意多边形任意多边形Composite

15、material复合材料复合材料Closed Arc封闭弧封闭弧Arc圆弧圆弧Anchor支护支护复合材料增强复合材料增强介质颗粒设置介质颗粒设置Shear stress剪应力图剪应力图Max. principal stress最大主应力图最大主应力图Min. principal stress最小主应力图最小主应力图Elastic弹性模量图弹性模量图Acoustic Emission声发射图声发射图e/AE弹模和声发射图弹模和声发射图Load-step curve载荷与加载步曲线载荷与加载步曲线AE curve声发射曲线声发射曲线Area AE圈定声发射图圈定声发射图Multi-Element

16、 Information多单元信息多单元信息Slide play幻灯播放幻灯播放Displacement vector位移矢量图位移矢量图Stress vector应力矢量图应力矢量图Seepage information 渗流多单元信息渗流多单元信息Flow volume流量分布图流量分布图Water head水位等值线分布图水位等值线分布图Security curve安全系数曲线安全系数曲线 01mmme Weibull分布函数：分布函数：网格划分网格划分 Y Length(mm),X length(m): Y方向和方向和X方向的尺寸均为所研究问题的实际尺寸，单位为毫米，建立模型的时方向的

17、尺寸均为所研究问题的实际尺寸，单位为毫米，建立模型的时候需要将实际尺寸换算成毫米，单元尺寸为实际候需要将实际尺寸换算成毫米，单元尺寸为实际 尺寸除单元个数。尺寸除单元个数。Rows(Elements),Cols(Elements): 单元列数和行数，单元尺寸的划分原则前面已讲述。单元列数和行数，单元尺寸的划分原则前面已讲述。Heterogeneity Index行：行：为均质度，为均质度，weibull统计分布函数中的参数统计分布函数中的参数m，反映岩石介质的均质性。若模拟地下，反映岩石介质的均质性。若模拟地下工程等必须考虑模型本身的重力的工程问题时，需要输入自重的参数，注意自重的单位：工程等

18、必须考虑模型本身的重力的工程问题时，需要输入自重的参数，注意自重的单位：N/mm3。Mean Value: 为单元物理力学参数的平均值。为单元物理力学参数的平均值。温度特性设置温度特性设置Kx：是是X向的热传导系数。向的热传导系数。Ky：是是Y向的热传导系数。向的热传导系数。Thermal Capacity：是密度和比热的乘积。是密度和比热的乘积。Heat Rate：是（能量生成率），是考虑有没有热源的，一般少用，暂时不管。是（能量生成率），是考虑有没有热源的，一般少用，暂时不管。Swell Coeff：热膨胀系数。热膨胀系数。Const Temperature：已知温度。已知温度。Initi

19、al Temperature：初始温度。初始温度。温度边界条件设置温度边界条件设置如果涉及温度计算问题，则必须初始化模型的温度边界条件，主要操作：先按下如果涉及温度计算问题，则必须初始化模型的温度边界条件，主要操作：先按下再按下渗流边界类型再按下渗流边界类型，选择温度边界条件：，选择温度边界条件：温度时间选项温度时间选项: 如果计算需要考虑温度时间问题如果计算需要考虑温度时间问题,需要进行此项设置：勾选需要进行此项设置：勾选Dynamic problem.时间选项时间选项Times Span(Day)：是时间尺度，即在非稳态计算的时候，每一个计算步所代表的是时间尺度，即在非稳态计算的时候，每一

20、个计算步所代表的时间，这个计算步就是时间，这个计算步就是rfpa控制中的步，我们非稳态计算采用的时间差分法。控制中的步，我们非稳态计算采用的时间差分法。控制边界条件设置控制边界条件设置执行完网格划分命令就要对用户的模拟区进行控制条件赋值。控制条件涉及的是一些基本条件如：求解的执行完网格划分命令就要对用户的模拟区进行控制条件赋值。控制条件涉及的是一些基本条件如：求解的类型是平面应力还是平面应变问题；加载总步数、是否为温度问题以及重力方向等如下图所示：类型是平面应力还是平面应变问题；加载总步数、是否为温度问题以及重力方向等如下图所示：其中其中Cavity element 和和 Equivalent

21、 force两种计算方法，一般计算采用空单元法，如果考虑两种计算方法，一般计算采用空单元法，如果考虑的问题和分步开挖加支护的话，选择等效节点力法。的问题和分步开挖加支护的话，选择等效节点力法。 系统自定义系统自定义(self define)图片类型和尺寸图片类型和尺寸(Picture Type Size)结果图类型结果图类型(Type)：此命令主要是定义此命令主要是定义在模型计算完成后要显示图形的类型和在模型计算完成后要显示图形的类型和尺寸。根据研究问题的需要将相应的结尺寸。根据研究问题的需要将相应的结果图选项上钩上即可。果图选项上钩上即可。图形尺寸图形尺寸(Size)：对系统生成的结果图对系

22、统生成的结果图进行大小设置，选进行大小设置，选Default默认，系统默认，系统根据窗口大小随机生成。根据窗口大小随机生成。矢量单元间隔矢量单元间隔(Vector element intervals)：因为要表示矢量场，用箭因为要表示矢量场，用箭头表示矢量的大小方向，箭头方向为矢头表示矢量的大小方向，箭头方向为矢量方向，箭头长短表示矢量大小。量方向，箭头长短表示矢量大小。位移矢量放大系数位移矢量放大系数 (Displacement vector amplified coeff)：为了计算结为了计算结果显示的我们能更好的看清以说明问题果显示的我们能更好的看清以说明问题，对原始矢量大小给予适当的放

23、大。，对原始矢量大小给予适当的放大。应力矢量放大系数应力矢量放大系数(Stress vector amplified coeff)：解释同位移放大系解释同位移放大系数。数。注：这些参数定义可在计算运行命令之前执行，也可注：这些参数定义可在计算运行命令之前执行，也可在计算命令之后执行。在计算命令之后执行。显示步显示步(Show step)显示步显示步(Show step)：此命令在设置重此命令在设置重画计算结果图时候设置，设置重画计画计算结果图时候设置，设置重画计算步的间隔。也可在算步的间隔。也可在input redraw step 下面直接输入要重画的计算步，用英下面直接输入要重画的计算步，用

24、英文状态下的逗号相隔。文状态下的逗号相隔。重画重画(Redraw)：是系统对计算数据进是系统对计算数据进行重新生成图像的操作，原计算数据行重新生成图像的操作，原计算数据不变化，只是新生成的结果图将覆盖不变化，只是新生成的结果图将覆盖和上次生成的名称相同的图形。不同和上次生成的名称相同的图形。不同于系统重置于系统重置(reset)。系统自定义系统自定义(self define) 声发射图设置声发射图设置(AE Picture Setting)声发射圆大小声发射圆大小(Type size)：设置声设置声发射圆大小（代表相对能量或震发射圆大小（代表相对能量或震级大小），级大小），Amplified

25、radius是指是指在原能量圆大小的基础上放大的在原能量圆大小的基础上放大的倍数。倍数。所有步所有步(For all steps)：显示当前显示当前所有步的声发射圆。所有步的声发射圆。当前步当前步(For current step)：显示当显示当前单步的声发射圆。前单步的声发射圆。发射圆颜色发射圆颜色(AE color)：用声发射用声发射圆颜色进行区别单元的破坏是抗圆颜色进行区别单元的破坏是抗拉破坏、抗压破坏、还是抗剪破拉破坏、抗压破坏、还是抗剪破坏。双击颜色框进行调节。坏。双击颜色框进行调节。系统自定义系统自定义(self define)高级设置高级设置(Advanced Setting)主

26、要对破坏后和空气单元的参数进行调整主要对破坏后和空气单元的参数进行调整(初初学者将词项默认学者将词项默认)。分离系数分离系数(Detached coeff)：主要为了处理破主要为了处理破坏后单元的显示状态，当破坏单元的变形坏后单元的显示状态，当破坏单元的变形(受受拉拉)达到分离系数指定的变形量时，认为单元达到分离系数指定的变形量时，认为单元已彻底分离，将不在显示此单元，值为已彻底分离，将不在显示此单元，值为1-100。设置为。设置为5时，表示当单元的最大变形超过时，表示当单元的最大变形超过5倍单元原始尺寸时，不再显示此单元。倍单元原始尺寸时，不再显示此单元。灰度系数灰度系数(Gray degr

27、ee coeff)：是通过去掉高：是通过去掉高亮度单元来调整总体的亮度范围，值在亮度单元来调整总体的亮度范围，值在01之间，其意义为：假设模型单元数为之间，其意义为：假设模型单元数为10，000个，灰度系数为个，灰度系数为0.01，则表示在显示时去掉，则表示在显示时去掉10，0000.01=100个最亮的个单元级别。个最亮的个单元级别。大位移大位移(Large displacement)：是在处理自重是在处理自重问题时，当破坏的单元下落的位移超过设置问题时，当破坏的单元下落的位移超过设置值时，则认为破坏单元脱离母体单元，值为值时，则认为破坏单元脱离母体单元，值为单元边长的倍数。单元边长的倍数。

28、系统自定义系统自定义(self define)变形放大系数变形放大系数(Deformation)：对破模型对破模型的尺寸在显示时做放大处理，如有时计的尺寸在显示时做放大处理，如有时计算完成后发现模型没有变化则可能是放算完成后发现模型没有变化则可能是放大系数设置的太小；反之，当计算完成大系数设置的太小；反之，当计算完成后显示的图形出现全黑时，则有可能是后显示的图形出现全黑时，则有可能是因为放大系数设置过大的缘故。因为放大系数设置过大的缘故。计算精度系数计算精度系数(Accurate of stress)：表示表示控制计算精度，如设置为控制计算精度，如设置为0.0001时，则时，则表示当破坏单元达

29、到总单元数万分之一表示当破坏单元达到总单元数万分之一时，系统不再做当前不的循环计算。时，系统不再做当前不的循环计算。系统自定义系统自定义(self define)其他设置其他设置(Others setting)四、四、RFPA-Thermo温度版分析问题流程温度版分析问题流程RFPA计算步骤计算步骤（三大步）（三大步）构造模型构造模型 （前处理）（前处理）1建立工程文档建立工程文档2网格划分和参数赋值网格划分和参数赋值3插入模型结构插入模型结构4边界条件边界条件(力、位移、温度力、位移、温度)5控制条件控制条件(选择温度问题）选择温度问题）计算计算单步运行连续运行结果分析结果分析（后处理）（后处理）选择温度图选择温度图五、工程中有关热应力问题的五、工程中有关热应力问题的RFPA模拟计算举例模拟计算举例均匀升温过程