稳态温度场问题与热应力分析
2014年3月5日星期三
1 前言
最近，本人需要做一个涉及热应力、疲劳分析的综合问题。之前对热应力分析没有接触，看了几天书后，根据前人的经验，动手做了一个简单的稳态温度场问题与热应力分析算例，小试牛刀一把，现拿出来晒晒，请高手过来拍砖指点。
2 问题描述
一块等厚的均质矩形薄板，如下图所示，其长20米，宽16米，厚1米。板顶面温度为22℃，底面温度为176.67 ℃，左、右面绝热，并且顶面、底面固定约束。板的材料是结构钢（系统默认），材料参数取系统默认，不做任何修改。
图1 问题描述
问题：
2.1 分析薄板内的温度分布；
2.2 分析薄板内的应力分布。
3 稳态温度场分布模拟
3.1 创建稳态温度场分析系统
进入ansys workbench后，在Project Schematic窗口中，单击右键，在弹出的菜单中，选择“New analysis systems->steady-state thermal(ANSYS)”，创建稳态温度场分析系统，见下图。
图2 创建稳态温度场分析系统
图3 创建好的稳态温度场分析系统
3.2创建薄板模型
在创建的稳态温度场分析系统中，材料采用默认的结构钢，材料参数不做任何修改。单击“Geometry”，进入MD系统，创建一个简单的等厚均质矩形薄板，几何尺寸见2问题描述。
创建好几何模型后，保存后退出。
图4 创建的薄板几何模型
3.3 创建稳态温度场模型
单击图3所示的系统中的“Model”，进入“Multiple Systems-Mechanical”系统中，单击“Steady-State Thermal”，在此处定义顶面、底面温度，定义左、右面为完全绝热状态。单击“Solution”，定义求取结果“Temperature”。单击右键，选择“solve”，进行分析。温度
场分布云图见下图。
图5 温度场分布云图
4 热应力分析
稳态温度场分析完成后，退出“Multiple systems-Mechanical”系统，在下图中“steady-state
thermal”的“solution”上，单击右键，在弹出的菜单中，选择“New analysis systems->static
structural(ANSYS)”，创建热应力分析系统。
图6 创建热应力分析系统
单击上图中“static structural(ANSYS)”下的“model”，进入“multiple systems-mechanical”中，定义顶面、底面为固定约束，定义计算结果为“von mises stress”，进行计算，可得到
如下应力分布云图、位移云图。
图7 薄板的热应力分布云图
图8 薄板的位移云图
超长建筑结构温度应力分析 夏云峰 (上海中交水运设计研究有限公司, 上海 200092) 摘要:以郑州第二长途电信枢纽工程为例,对超长建筑结构进行整体有限元建模。针对7种不同类型温度荷载的特点,利用有限元分析程序ANSYS计算。给出了结构整体变形特点、结构中各种构件(梁、楼板、柱子及剪力墙)的温度内力变化范围以及分布规律。通过比较得出超长建筑在各种温度作用下的最不利工况。可为超长建筑结构考虑温度作用进行设计和施工提供参考。 关键词:建筑 超长建筑物 温度荷载 温度应力 St udy on t he Te mperature Stress of Super-Lengt h Buil di ng X ia Yunfeng (Shanghai Zhongji a oW ater Transportation Design Institute Co.,L t d., Shanghai 200092) Abst ract:T aking the Second Long D istance Te leco mm unication H ub Pro ject of Zhengzhou for an exa m ple,t h is paperm akesm odels of so lid fi n ite e le m ent to super-length building.A ccord- i n g to characteristics o f te mperature l o ad of7different types and usi n g t h e ANSYS fi n ite e le- m ents ana l y sis progra m,it concl u des the characteristics of the integral structura l defor m ation, the scope and distribution o f ther m a l i n ner force o f different co mponents,such as bea m,floor slab,pillar and shear w a l.l A fter contrasti n g,it su m s up the w orse w orking cond ition for super -length bu il d i n g under d ifferent te m peratures,wh ich cou ld prov ide references to the design and constr uction o f super-length bu il d i n g by consi d ering te m perature acti o ns. K ey w ords:constructi o n super-leng t h buil d i n g te m perature load te m perature stress 建筑工程中,混凝土结构的裂缝较为普遍,类型也很多,按成因可归结为由外荷和变形引起的两大类裂缝。其中由混凝土收缩和温度变形引起的收缩裂缝和温度裂缝,以及由这两种变形共同引起的温度收缩裂缝,则是实际工程中最常见的裂缝。随着建筑向大型化和多功能发展,超长(即超过温度伸缩缝间距)高层或大柱网建筑不断出现。对超长结构的温度变形与温度应力,若在结构设计中处理不当,将使结构产生裂损,严重影响建筑结构的正常使用。我国的建筑结构设计规范中不考虑温度作用[1],只做构造处理。因此,温度应力是超长建筑结构设计中的重要研究课题之一。1 超长高层建筑结构温度问题有限元建模研究 结合工程实例,分析建筑结构各个阶段温度作用的特点,完善温度作用和温差取值的计算原则,并选出在工程设计中起控制作用的温差取值,方便设计采用。根据实际情况建立超长建筑结构的有限元分析模型,采用有限元分析程序ANSYS 有限元计算程序,进行结构整体分析。 郑州第二长途电信枢纽工程主体为超长高层建筑结构。主楼地下1层,地上主体19层。19层之上局部突起2层。柱网9.6 12m,主体结构东西长134m。由于功能要求建筑中间不设缝,南 10 港口科技 港口建设
混凝土结构与砌体结构设计中册(第四版) 十一章思考题答案 现浇单向板肋梁楼盖中的主梁按连续梁进行内力分析的前提条件是什么？ 答：（ 1）次梁是板的支座，主梁是次梁的支座，柱或墙是主梁的支座。 （ 2）支座为铰支座--但应注意：支承在混凝土柱上的主梁，若梁柱线刚度比<3，将按框架梁计算。板、次梁均按铰接处理。由此引起的误差在计算荷载和内力时调整。 （ 3）不考虑薄膜效应对板内力的影响。 （ 4）在传力时，可分别忽略板、次梁的连续性，按简支构件计算反力。 （ 5）大于五跨的连续梁、板，当各跨荷载相同，且跨度相差大10%时，可按五跨的等跨连续梁、板计算。 计算板传给次梁的荷载时，可按次梁的负荷范围确定，隐含着什么假定？ 答： 为什么连续梁内力按弹性计算方法与按塑性计算方法时，梁计算跨度的取值是不同的？ 答：两者计算跨度的取值是不同的,以中间跨为例,按考虑塑性内力重分布计算连续梁内力时其计算跨度是取塑性铰截面之间的距离,即取净跨度;而按弹性理论方法计算连续梁内力时，则取支座中心线间的距离作为计算跨度，即取。 试比较钢筋混凝土塑性铰与结构力学中的理想铰和理想塑性铰的区别。 答：1）理想铰是不能承受弯矩，而塑性铰则能承受弯矩（基本为不变的弯矩）； 2）理想铰集中于一点，而塑性铰有一定长度； 3）理想铰在两个方向都能无限转动，而塑性铰只能在弯矩作用方向作一定限度的转动，是有限转动的单向铰。 按考虑塑性内力重分布设计连续梁是否在任何情况下总是比按弹性方法设计节省钢筋？ 答：不是的 试比较内力重分布和应力重分布 答：适筋梁的正截面应力状态经历了三个阶段： 弹性阶段--砼应力为弹性，钢筋应力为弹性； 带裂缝工作阶段--砼压应力为弹塑性，钢筋应力为弹性； 破坏阶段--砼压应力为弹塑性，钢筋应力为塑性。 上述钢筋砼由弹性应力转为弹塑性应力分布，称为应力重分布现象。由结构力学知，静定结构的内力仅由平衡条件得，故同截面本身刚度无关，故应力重分布不会引起内力重分布，而对超静定结构，则应力重分布现象可能会导： ①截面开裂使刚度发生变化，引起内力重分布； ②截面发生转动使结构计算简图发生变化，引起内力重分布。 下列各图形中，哪些属于单向板，哪些属于双向板？图中虚线为简支边，斜线为固定边，没有表示的为自由边。
ANSYS稳态热分析的基本过程 ANSYS热分析可分为三个步骤： ?前处理：建模、材料和网格 ?分析求解：施加载荷计算 ?后处理：查看结果 1、建模 ①、确定jobname、title、unit； ②、进入PREP7前处理，定义单元类型，设定单元选项； ③、定义单元实常数； ④、定义材料热性能参数，对于稳态传热，一般只需定义导热系数，它可 以是恒定的，也可以随温度变化； ⑤、创建几何模型并划分网格，请参阅《ANSYS Modeling and Meshing Guide》。 2、施加载荷计算 ①、定义分析类型 ●如果进行新的热分析： Command: ANTYPE, STATIC, NEW GUI: Main menu>Solution>-Analysis Type->New Analysis>Steady-state ●如果继续上一次分析，比如增加边界条件等： Command: ANTYPE, STATIC, REST GUI: Main menu>Solution>Analysis Type->Restart ②、施加载荷 可以直接在实体模型或单元模型上施加五种载荷(边界条件) ： a、恒定的温度 通常作为自由度约束施加于温度已知的边界上。 Command Family: D GUI：Main Menu>Solution>-Loads-Apply>-Thermal-Temperature b、热流率 热流率作为节点集中载荷，主要用于线单元模型中(通常线单元模型不能施加对流或热流密度载荷)，如果输入的值为正，代表热流流入节点，即单元获取热量。如果温度与热流率同时施加在一节点上则ANSYS读取温度值进行计算。 注意：如果在实体单元的某一节点上施加热流率，则此节点周围的单元要
超长结构温度应力分析与控制措施 摘要：随着人们对建筑物使用功能的要求越来越高，一些公共建筑正逐渐向大 型化、舒适化发展，大量超长、超宽的大型公共建筑随之涌现。由于季节变化的 影响，超长结构的温度应力问题会导致混凝土楼板产生裂缝，严重影响建筑的使 用功能和结构安全，因此温度作用在设计中必须予以考虑。本文以某钢筋混凝土 框架-剪力墙结构为例，对超长结构的温度应力问题采用有限元分析程序MidasGen进行了计算分析并给出了控制措施。 关键词：超长结构；温度应力；后浇带；有限元分析 1、前言 超长结构，由于季节变化等因素的影响，会让超长结构的混凝土发生变形， 当混凝土的变形受到墙体等构件的约束，楼板内便会产生较大的温度应力，当温 度应力高出混凝土的抗拉强度时，就会导致混凝土楼板会产生裂缝，通常情况下，若在结构中采用低收缩混凝土材料、设置后浇带以及采用预应力钢筋等措施时， 温度应力及收缩应力对结构的影响一般可以忽略。但超长混凝土结构中，如若不 进行合理的温度效应控制，柱、墙等竖向构件将产生显著的温度内力，影响结构 的承载能力；楼板则很有可能开裂并形成有害的贯通裂缝，对建筑防水和结构的 耐久性很不利，影响建筑的正常使用，因此，如何降低温度应力的影响是超长结 构设计的关键问题。 2、工程概况 某五星级酒店主楼部分采用钢筋混凝土框架－剪力墙结构，楼盖采用现浇钢 筋混凝土梁板体系，底部裙楼为两层宴会大厅，并设有斜圆柱形主出入口。框架 柱截面尺寸600mmx600mm～900mmx1200mm，墙截面尺寸200～500mm。 现行GB50010－2010《混凝土结构设计规范》中对房屋建筑工程结构伸缩缝 的最大间距做如下规定：对于现浇式结构，普通砖混结构50m，框架结构55m， 剪力墙结构45m，框架-剪力墙结构根据框架和剪力墙的具体布置情况取45~55m 之间，通常可取50m。该酒店结构不设缝轴线尺寸为167.2m，超过了规范要求。 3、温度工况 (1)温度荷载。假设该建筑从当年7月开始地上部分施工，第1～3层施工分 别需要一个月，从4层开始每层半个月，至次年二月半完工。按照该假定施加的 温度荷载始终为降温作用，为最不利工况。 (2)有限元模型。针对温度应力建立四组模型(M0、M1、M2、M3)，均考虑施 工模拟和收缩徐变的作用；其中，部分模型考虑了地下室顶板的转动弹性嵌固， 弹簧刚度计算按照柱所连接的梁柱刚度进行计算，为近似值。模型的具体设计参 数见表1所示。 结构二层的后浇带设置如图1所示，其余各层M0、M1、M2后浇带设置均同；M3与 M2相比，仅在结构第二层增设后浇带c，其余部位后浇带设置均同M0～M2模型。温度有 限元模型为保证结构成立，将一跨内的所有次梁和板均设置为后浇带。 4、温度应力分析 本工程采用有限元分析程序MidasGen对本模型进行温度应力计算分析，分别探讨温度应力对框剪结构中的柱、剪力墙、梁板等主要构件的影响，并给出控制措施及建议。 (1)柱内力。通过对比框架柱主要集中区域的温度应力，其中：①主楼最外侧柱(区域1)；
墙体破坏原因和特点： 抗弯、抗拉、抗剪强度不能满足时墙体出现裂缝 横墙水平裂缝——横墙平面外受弯，楼盖传力给横墙； 横墙斜裂缝、交叉裂缝——剪切，底层比上层严重； 纵墙水平裂缝——平面外受弯，横墙间距过大，楼盖刚度不足，中部较端部严重；纵墙斜裂缝、交叉裂缝——剪切，窗间墙、窗肚墙，两端较中部严重 山墙（横墙）水平裂缝——屋盖和墙体的拉结不可靠 山墙倒八字裂缝——不均匀沉降 墙角的破坏原因和特点： 建筑物四角及突出部分的阳角，纵横两个方向出现裂缝，形成V字形，甚至局部倒塌； 扭转效应造成、墙角空间刚度较大、使地震作用效应明显增大，应力复杂造成应力集中，而两个方向的约束较少使得抗震能力降低。 纵横墙连接处破坏原因和特点： 竖向裂缝、严重时纵墙外闪倒塌； 施工时不同时咬槎砌筑，留有马牙槎，缺乏拉结； 纵墙平面外刚度和横墙平面内刚度差别很大，振动不同步，产生较大拉力。 地基不均匀沉降。 楼盖与屋盖的破坏原因和特点： 楼盖是水平传力构件，要求有较好的刚度，一般现浇楼盖刚度大于预制楼盖；预制板缝偏小时，混凝土不易灌实，易于散开； 墙体错位，楼、屋盖预制板搭接长度不够，拉结措施不可靠，易造成楼屋盖的某一端坠落。 房屋附属物的破坏原因和特点： 女儿墙、出屋面烟囱、附墙烟囱、垃圾道、屋顶小间都是竖向悬臂构件，震时易于坠落造成人员伤亡； 雨蓬、挑檐、阳台等属于水平悬挑构件，震时也易于坠落造成人员伤亡； 局部突出的构件存在鞭梢效应，地震反应强烈，破坏率高，更要引起重视。 楼梯间的破坏原因和特点 楼梯间的墙体（尤其是横墙）易于开裂； 横墙间距较小，水平抗剪刚度较大，分担过多的地震剪力； 楼梯间没有形成楼板和墙体的相互支撑，空间刚度相对较小； 上层楼梯间破坏比下层重； 若楼梯间布置在端部或转角处更为严重； 楼梯间的外纵墙也是易于破坏的部位。
第一章 简 介 一、热分析的目的 热分析用于计算一个系统或部件的温度分布及其它热物理参数，如热量的获取或损失、热梯度、热流密度（热通量〕等。 热分析在许多工程应用中扮演重要角色，如内燃机、涡轮机、换热器、管路系统、电子元件等。 二、ANSYS的热分析 ?在ANSYS/Multiphysics、ANSYS/Mechanical、ANSYS/Thermal、ANSYS/FLOTRAN、ANSYS/ED五种产品中包含热分析功能,其中 ANSYS/FLOTRAN不含相变热分析。 ?ANSYS热分析基于能量守恒原理的热平衡方程，用有限元法计算各节点的温度，并导出其它热物理参数。 ?ANSYS热分析包括热传导、热对流及热辐射三种热传递方式。此外，还可以分析相变、有内热源、接触热阻等问题。 三、ANSYS 热分析分类 ?稳态传热：系统的温度场不随时间变化 ?瞬态传热：系统的温度场随时间明显变化 四、耦合分析 ?热－结构耦合 ?热－流体耦合 ?热－电耦合 ?热－磁耦合 ?热－电－磁－结构耦合等
第二章 基础知识 一、符号与单位 项目 国际单位 英制单位 ANSYS 代号 长度 m ft 时间 s s 质量 Kg lbm 温度 ℃ o F 力 N lbf 能量（热量） J BTU 功率（热流率） W BTU/sec 热流密度 W/m 2 BTU/sec-ft 2 生热速率 W/m 3 BTU/sec-ft 3 导热系数 W/m-℃ BTU/sec-ft-o F KXX 对流系数 W/m 2-℃ BTU/sec-ft 2-o F HF 密度 Kg/m 3 lbm/ft 3 DENS 比热 J/Kg-℃ BTU/lbm-o F C 焓 J/m 3 BTU/ft 3 ENTH 二、传热学经典理论回顾 热分析遵循热力学第一定律，即能量守恒定律: z 对于一个封闭的系统（没有质量的流入或流出〕 PE KE U W Q Δ+Δ+Δ=? 式中: Q —— 热量; W —— 作功; ΔU ——系统内能; ΔKE ——系统动能； ΔPE ——系统势能； z 对于大多数工程传热问题：0＝＝PE KE ΔΔ； z 通常考虑没有做功：0=W , 则：U Q Δ=； z 对于稳态热分析：0=Δ=U Q ，即流入系统的热量等于流出的热量； z 对于瞬态热分析：dt dU q = ，即流入或流出的热传递速率q 等于系统内能的变化。 三、热传递的方式 1、热传导 热传导可以定义为完全接触的两个物体之间或一个物体的不同部分之间由于温
砌体结构常见问题分析与设计 新疆建筑标准设计办公室 多层砌体房屋建筑以剪切变形为主，纵横墙布置应基本均匀、对称以体现规则性原则；结构的基本周期一般在0.3S以内，结构的初裂水平侧移约为1/4000，大震时的破坏主要依靠抗震构造措施来抗御。 1 一般规定及结构布置 1.1一般规定 1.1.1 砌体结构的材料指烧结普通砖、多孔砖、蒸压类的实心砖、标准的混凝土小型砌块，其他如：非蒸压粉煤灰混凝土标砖、多孔砖、蒸压类的空心或多孔砖在地震区不能采用。 1.1.2 横墙很少指大于4.2m开间的房间占该层面积的80％以上者，如：全为教室的教学楼或食堂、俱乐部和会议楼等。 1.1.3 关于嵌固条件好的半地下室：指埋深较多或形成扩大半地下室底盘，对半地下室作为上部结构的嵌固端有利，抗震验算可不计作一层。 不论全地下室或半地下室，抗震强度验算时均应当作一层并应满足墙体承载要求。凡有质量就有地震作用，楼层集中了各层的主要质量，不论房屋高度如何变化，有多少楼盖也就有多少个计算质点，一个质点只考虑一个自由度，这是底部剪力法计算的基本前提。 1.1.4 坡屋面的最低处高度≤1.5m时，可与顶板合并成一层计算；当阁楼层面积≤1／2顶层楼面积、最低处高度≤1.8m时，阁楼层可不作一层计算，高度不计入总高度之内。将其作为局部突出构件（荷载并放大）进行抗震强度验算（抗规5. 2.4条），除轻钢、木屋盖外，放大
亦可将阁楼层当作普通楼层输入验算做比较（面积比≤0.714时PMCAD程序判定为屋顶间，自动放大地震作用）。 1.1.5 横墙错位：现浇楼盖≤500mm，预制板≤300mm以内可以认为是连续的横墙。 1.1.6 计算房屋宽度：单面悬挑走廊、局部突出楼梯间不计入。 1.1.7 转角窗：转角窗的设置使砌体墙的连续性和封闭性中断，地震作用不能传递；鉴于低层房屋其震害与平面规则性的差异不明显，8度区≤3层，6、7度区≤4层时，在采取加强措施后可设置转角窗。1.1.8 现浇板沿外墙（含内墙楼梯间）楼板支座宽度内设置2ф12的加强筋。 1.1.9 房屋错层：现浇楼板高度大于750mm预制楼板大于600时，宜设缝。复式结构房屋原则上应按楼板标高作为集中质点计算层数。1.1.10 局部地下室不宜采用，地基土质较好时（稍密砂砾地基土、中密砂土），若不便分开，两者基底差不宜过大且按1：2放坡。 1.2多层砌体 1.2.1 砌体结构房屋原则上不能设局部内框架（结构动力特性不同，不同材料的结构处于同一结构单元内的变形、刚度不一致，地震时易造成连接部位的破坏）。仅限于在门厅部位设置一、二层的梁柱结构，可不认为是“内框架”，但在构造上应予以重视，尽量不使其承载过大，加强门厅侧边墙体的布置及两者连接处的节点构造。 1.2.2 纵横墙在结构平面布置中不能分别对齐时应采取措施。 1.横墙不对齐：一般一个五开间的住宅结构单元内，有3～4道对
【问题描述】 一个保温桶，由4层组成。从外到内依次是：钢，铝，复合材料，铝。桶内是热水，而桶外是空气。需要确定桶壁的温度场分布。已知：桶内半径是0.1米，桶长度为0.1米，从内到外，4层厚度分别是0.01米，0.02米，0.01米，0.005米，钢，复合材料，铝的导热系数分别是60.5(瓦/米度),0.055(瓦/米度),236(瓦/米度)，水温80摄氏度，空气温度为摄氏度，空气对流系数是12.5（瓦/平方米度）. （《注》该例子来自于许京荆编著的《ANSYS 13.0 WORKBENCH数值模拟技术》，2012年） 【建模分析】 1.这是一个稳态热分析问题，需要使用steady-state thermal模块。 2. 这是一个轴对称问题，只需要分析其一个径向截面，然后用2D分析的轴对称进行处理。 3.几何建模。在DM中创建四个草图，然后分别形成四个面体，再形成一个多体构件。 4.边界条件。对里层使用温度边界条件，对外层设置对流换热边界条件。 【求解过程】 1. 打开ANSYS WORKBNCH14.5。 2. 创建稳态热分析系统。
3. 设置三种材料的导热系数。 双击engineering data，打开工程数据，新创建三种材料，分别是STEEL,AL,compound,并分别设置其导热系数。 钢材的导热系数 铝的导热系数 复合材料的导热系数 创建完毕，退回到项目中。 4.创建几何模型。 双击geometry，进入到DM中。选择长度的单位是米。 在XOY面内创建四个草图。 这四个草图是四个相邻的矩形，其位置及尺寸如下图。
分别由这4个草图生成4个面。 其图形如下 将上述四个物体生成一个多体构件。
温度应力对超长混凝土结构的影响 温度应力对超长混凝土结构的影响 摘要：近十几年来，随着我国经济的快速发展，人民对建筑的外观及使用功能更高的要求，在建筑过程中，出现了越来越多的平面超长的结构，而根据国家结构的相关规范，平面尺寸超过55m即需要设置伸缩缝，如果严格按照规范要求对所有超长建筑设置伸缩缝，将会在很长程度上影响建筑美观及功能使用。而不设置伸缩缝，在温度效应的作用下，产生较大的温度收缩裂缝，从而影响建筑的使用年限。因此从实际角度出发，需要我们结构工程师在结构设计上，解决不设伸缩缝而带来的减少建筑使用年限问题，进而满足超长建筑的功能使用需求。 关键字：钢筋混凝土，超长建筑，温度应力，相应措施 中图分类号：TU37 文献标识码： A 为了满足建筑功能的需要，越来越多的超长结构应运而生，不能设置伸缩缝就成为结构工程师的需要面对的重要问题：既要满足建筑的使用功能要求，又要保证结构使用及耐久性。根据温度应力理论及相关资料，对温度应力作用进行初步的分析，并结合工程实践经验做出几点相应的措施。 温度裂缝的特点： 混凝土在搅拌时产生水化反应，在水化反应的过程中，混凝土发生干缩，混凝土自身具有热胀冷缩的性质，当把混凝土浇筑入模版中时，因受到模版及钢筋的约束，会在混凝土内部产生收缩裂缝或者温度裂缝。在通常的超长建筑中，多见的是收缩应力与温度应力共同作用而产生的温度裂缝。其特点是早期收缩快，6个月即可完成全部收缩量的90%，在一年以后趋于稳定，变形极小。收缩的主要部位是底层和顶层。结构的梁板以及外露的挑檐，女儿墙等构件。 产生温度作用分析： 建筑工程的温差应包括竖向温差和水平温差效应，而对于高度不
Abaqus： ABAQUS 是一套功能强大的工程模拟的有限元软件，其解决问题的范围从相对简单的线性分析到许多复杂的非线性问题。ABAQUS 包括一个丰富的、可模拟任意几何形状的单元库。并拥有各种类型的材料模型库，可以模拟典型工程材料的性能，其中包括金属、橡胶、高分子材料、复合材料、钢筋混凝土、可压缩超弹性泡沫材料以及土壤和岩石等地质材料，作为通用的模拟工具。 模块： ABAQUS/?ba:kjus/有两个主求解器模块— ABAQUS/Standard 和ABAQUS/Explicit。ABAQUS 还包含一个全面支持求解器的图形用户界面，即人机交互前后处理模块—ABAQUS/CAE。 ABAQUS 对某些特殊问题还提供了专用模块来加以解决。ABAQUS 被广泛地认为是功能最强的有限元软件，可以分析复杂的固体力学结构力学系统，特别是能够驾驭非常庞大复杂的问题和模拟高度非线性问题。ABAQUS 不但可以做单一零件的力学和多物理场的分析，同时还可以做系统级的分析和研究。ABAQUS 的系统级分析的特点相对于其他的分析软件来说是独一无二的。由于ABAQUS 优秀的分析能力和模拟复杂系统的可靠性使得ABAQUS 被各国的工业和研究中所广泛的采用。ABAQUS 产品在大量的高科技产品研究中都发挥着巨大的作用。 功能：
静态应力/位移分析：包括线性，材料和几何非线性，以及结构断裂分析等 动态分析粘弹性/粘塑性响应分析：粘塑性材料结构的响应分析热传导分析：传导，辐射和对流的瞬态或稳态分析 质量扩散分析：静水压力造成的质量扩散和渗流分析等 耦合分析：热/力耦合，热/电耦合，压/电耦合，流/力耦合，声/力耦合等 非线性动态应力/位移分析：可以模拟各种随时间变化的大位移、接触分析等 瞬态温度/位移耦合分析：解决力学和热响应及其耦合问题 准静态分析：应用显式积分方法求解静态和冲压等准静态问题 退火成型过程分析：可以对材料退火热处理过程进行模拟 海洋工程结构分析： 对海洋工程的特殊载荷如流载荷、浮力、惯性力等进行模拟 对海洋工程的特殊结构如锚链、管道、电缆等进行模拟 对海洋工程的特殊的连接，如土壤/管柱连接、锚链/海床摩擦、管道/管道相对滑动等进行模拟 水下冲击分析： 对冲击载荷作用下的水下结构进行分析 柔体多体动力学分析：对机构的运动情况进行分析，并和有限元功能结合进行结构和机械的耦合分析，并可以考虑机构运动中的接触和摩擦
第7 章非稳态热分析及实例详解 本章向读者介绍非稳态热分析的基本知识，主要包括非稳态热分析的应用、非稳态热分析单元、非稳态热分析的基本步骤。 本章要点 非稳态导热的基本概念 非稳态热分析的应用 非稳态热分析单元 分析的基本步骤 本章案例 钢球非稳态传热过程分析 不同材料金属块水中冷却的非稳态传热过程分析 高温铜导线冷却过程分析
7.1 非稳态热分析概述 物体的温度随时间而变化的导热过程称为非稳态导热。根据物体温度随着时间的推移而变化的特性可以区分为两类非稳态导热：物体的温度随时间的推移逐渐趋于恒定的值以及物体的温度随时间而作周期性的变化。无论在自然界还是工程实际问题中，绝大多数传热过程都是非稳态的。许多工程实际问题需要确定物体内部的温度场随时间的变化，或确定其内部温度达到某一限定值所需要的时间。例如：在机器启动、停机及变动工况时，急剧的温度变化会使部件因热应力而破坏，因此需要确定物体内部的瞬时温度场；钢制工件的热处理是一个典型的非稳态导热过程，掌握工件中温度变化的速率是控制工件热处理质量的重要因素。再例如，金属在加热炉内加热时，需要确定它在加热炉内停留的时间，以保证达到规定的中心温度。可见，非稳态热分析是有相当大的应用价值的。ANSYS 11.0及其相关的下属产品均支持非稳态的热分析。非稳态热分析确定了温度以及其它随时间变化的热参数。 7.1.1 非稳态热分析特性 瞬态热分析用于计算一个系统的随时间变化的温度场及其它热参数。在工程上一般用瞬态热分析计算温度场，并将之作为热载荷进行应力分析。 瞬态热分析的基本步骤与稳态热分析类似。主要的区别是瞬态热分析中的载荷是随时间变化的。为了表达随时间变化的载荷，首先必须将载荷-时间曲线分为载荷步。对于每一个载荷步，必须定义载荷值及时间值，同时必须选择载荷步为渐变或阶越。 7.1.2 非稳态热分析的控制方程 热储存项的计入将稳态系统变为非稳态系统，计入热储存项的控制方程的矩阵形式如下： []{}[]{}{}C T K T Q += 其中，[]{} C T 为热储存项。 在非稳态分析时，载荷是和时间有关的函数，因此控制方程可表示如下： []{}[]{}(){}C T K T Q t += 若分析为分线性，则各参数除了和时间有关外，还和温度有关。非线性的控制方程可表示如下： (){}(){}(){},C T T K T T Q T t +=???????? 7.1.3 时间积分与时间步长 1、时间积分 从求解方法上来看，稳态分析和非稳态分析之间的差别就是时间积分。利用ANSYS 11.0分析问题时，只要在后续载荷步中将时间积分效果打开，稳态分析即转变为非稳态分析；同样，只要在后续载荷步中将时间积分关闭，非稳态分析也可转变为稳态分析。 2、时间步长 两次求解之间的时间称为时间步，一般来说，时间步越小，计算结果越精确。确定时间步长的方法有两种： （1）指定裕度较大的初始时间步长，然后使用自动时间步长增加时间步。
某超长框架结构温度应力分析及设计 摘要：超长结构是当代商业社会下的常见结构类型，而其温度应力的处理和减弱，也是广大建筑项目建设者都需要着重考虑的问题。基于此，本文结合某大型 商业综合体项目实际，分析了在温度应力影响下，如何对结构进行设计。从而实 现建筑项目的稳定性和安全性，促进区域居民生活水平的提升。 关键词：超长框架结构；温度应力；工程；温差 0 引言 超长混凝土框架结构的特点是其结构单元的长度较大，比混凝土结构规范中 限定的一般伸缩缝间距要更大，所以在设计时需要考虑更多因素，从而加强建造 建筑的结构能够满足使用的稳定性和安全性要求。在一般的建筑结构中，设计的 混凝土框架选择低收缩的混凝土材料、钢筋加固、后浇带加强养护等措施，都能 够一定程度的降低材料所受到的温度应力、收缩应力等因素对结构的影响[1]。但 在超长框架结构中，对这些应力作用的处理则是结构设计的重要部分，也是设计 和建造过程中需要重点处理的部分。以下结合笔者参与的具体工程实例，对如何 设计超长框架结构温度应力的内容展开探讨。 1 超长结构温度应力作用对工程建设的影响 1.1温差分析 在自然环境的作用下引起钢混凝土结构中的温差荷载的主要因素包括三点： 季节温差、骤降温差以及日照温差。一般情况下，长期稳定荷載作用下的温度效 应对整个结构的内力起到挖制作用，而骤降温差和日照温差引起的的短期温度作 用-一般只考虑温度场趋于稳定后的温度效应。温度作用是由结构材料“热胀冷缩” 效应被结构内、外约束阻碍而在结构内产生的内力作用。出现温差时梁板等水平 构件变形受到竖向构件的约束而产生应力，同时竖向构件会受到相应的水平剪力[2]。施工阶段后浇带未封闭以前，温差对结构的影响忽略。施工阶段后浇带封闭，建筑隔墙及装修完成以前，受外界温度影响最大，极容易出现开裂。使用阶段由 于外围有幕墙，屋顶有保温，可考虑温差效应作用打折。 1.2 温度应力计算 参考王梦铁的《工程结构裂缝控制》中的相关计算方法，混凝土收缩应变的 形式和发展与混凝土龄期密切相关，任意时间t（天数）时混凝土已完成的收缩 应变为： （1） 其中为各种修正系数[3]。混凝土收缩是一个长期的过程，影响最终收缩量的 因素有水泥成分、温度、骨料材质、级配、含泥量、水灰比、水泥浆量、养护时间、环境温度和气流场、构件的尺寸效应、混凝土振捣质量、配筋率、外加剂等。由于竖向构件的约束，水平构件的混凝土收缩会产生拉应变，这种收缩应变可以 和混凝土因温度变化产生的应变等效，可用产生等量应变的温度差（当量温差） 计入混凝土收缩效应的影响。 2 对温度应力的一般解决措施 2.1施工材料的标准化设计 本工程利用的混凝土材料是由低收缩低水泥、碎石骨料和外加剂等材料均匀 混合而成。要求综合各原材料剂量，在软件中进行统计计算。基本需求是外加剂、水泥和骨料都能够满足项目建设的质量要求，且使用时严控各原材料的剂量，从 而确保配比混合后的材料性质能够贴合降低温度应力的需求。例如降低水灰比，
某平面不规则教学楼楼板温度应力分析 发表时间：2020-04-09T03:09:02.249Z 来源：《防护工程》2020年1期作者：徐方舟 [导读] 本文通过有限元分析软件，主要分析了温度作用下楼板平面内应力分布情况，并提出了可行的技术应对措施，以供类似工程参考。中信建筑设计研究总院有限公司湖北武汉 430014 摘要：本工程为某学院教学楼，由于平面尺寸较大并且存在凹凸不规则，在进行楼板设计时需要考虑温度作用的影响。本文通过有限元分析软件，主要分析了温度作用下楼板平面内应力分布情况，并提出了可行的技术应对措施，以供类似工程参考。关键词：混凝土楼板；温度作用；应力分析 1 工程概况 本工程位于湖北省孝感地区，主要建筑功能为教学楼，层数为地上4层，采用框架结构，平面尺寸约为83.15m×86.80m，标准层布置如图1所示，楼板厚度为100~140mm，结构梁板混凝土强度等级采用C30，钢筋采用HRB400。结构平面尺寸较大，超出《混凝土结构设计规范》[1]中伸缩缝最大间距限值，而且结构中部存在细腰部位，属于平面凹凸不规则，因此有必要对楼板温度应力进行计算分析。计算软件采用YJK，楼板采用弹性膜单元，楼板最大单元尺寸为1m。 图1 标准层平面布置图 2 温度作用取值 本工程地面以上结构为冬季采暖夏季空调的教室，结构使用温度取10~26℃（室外温度取值：-5℃~37℃）；后浇带的合拢温度取20±5℃，即15~25℃。混凝土结构的温度作用取值如下： （1）均匀温度作用标准值： 结构最大温升工况：ΔTk=结构最高平均温度Ts，max－结构最低初始平均温度T0，min=26-15=11℃结构最大温降工况：ΔTk=结构最低平均温度Ts，min－结构最高初始平均温度T0，max=10-25=-15℃（2）混凝土收缩当量温差ΔTs
薄层混凝土结构的温度应力分析 黎清岳[1] ，戴跃华[1] （1.广东省水利电力勘测设计研究院；广东,广州,510635） 摘 要：本文以某地下厂房安装间的薄层混凝土结构为算例，通过计算混凝土浇筑后28天龄期内的温度场，在此 基础上分别计算未分缝、设置分缝两种不同工况下的温度应力。计算结果表明：对于浇筑高宽比较小的薄层混凝土结构，其基础约束系数大，由水化热引起的温度应力将导致基础进入全断面受拉状态，因此，有必要设置分缝，以降低基础约束系数、减少裂缝的产生。 关 键 词：薄层 基础约束 温度场 温度应力 分缝 1 前言 混凝土浇筑以后，由于水泥水化热，混凝土温度逐步升高，表面与空气接触，向空气散热，底面与基岩接触，由于基岩无水化热，混凝土中的一部分热量向基岩传导。对于基础浇筑块，若平面尺寸较大，而高度方向较小，则在这样的薄浇筑块内（本文简称为薄层混凝土结构），基础约束作用大，温度荷载引起的应力往往是全断面受拉，容易发展为贯穿性裂缝，危害较大。因此，有必要对这样的薄层混凝土结构进行温度应力分析，确定分缝的合理位置，从而最大程度的降低温度应力引起的裂缝[1]。 2 计算原理 2.1非稳定温度场有限元计算原理 1) 非稳定温度场的热传导方程[2]为： 2 2 2 22 2 ( )T T T T a x y z θτ τ ?????=+ + + ????? (1) a 为导温系数(m 2/h)；T 为温度(℃)；τ为时间 (h)；θ为混凝土绝热温升(℃)。 2) 初始条件为: T(x ，y ，z,0)=T 0(x ，y ，z),τ=0 3) 边界条件为: (1)第一类边界条件: W T T = (2) (2)第二类边界条件: 0=??n T (3) (3)第三类边界条件: )(a T T x T --=??βλ (4) 其中β为表面散热系数,kJ/(m 2·h ·℃) λ为导热系数kJ/ ( m ·h ·℃)，a T 为环境温度，℃， W T 为水温，℃。 4) 将求解区域R 划为有限个单元Ωe ，引入单元形函i N ，则单元内任意点的温度可由构成单元m 个节点温度插值： ∑== m i i i T N T 1 （5） 5) 根据变分原理,可导出满足热传导基本方程和边界条件的有限元支配方程： []{}[]{ }{ }0T H T R F τ ?++=? （6） ∑= e ij ij h H = i F ∑ e i f Ω ????+????+????= ? Ωd z N z N a y N y N a x N x N a h j i z e j i y j i x e ij ][（7） ij i j R N N d = Ω ∑? （8） ??Ω?+ Ω-=e ds qN d N f s i i e i ω （9） 式中][H 、[R]为系数矩阵；}{F 为边界温度荷载列阵。 2.2温度应力的有限元计算基本原理 在求解温度应力场时，采用有限元法进行仿真计算，混凝土结构内由于不均匀温度产生线性应变，但不产生剪切应变，故这种应变可视做结构内存在的初应变，将其转化为等效节点温度荷载。故温度应力的有限元方程可以表示如下： {}[]({}{})D σεε=- 00 []{}[]{}[][]{}[]{}e D D D B D εεδε=-=- （10）
A N S Y S热分析指南——A N S Y S稳态热分析
ANSYS热分析指南(第三章) 第三章稳态热分析 3.1稳态传热的定义 ANSYS/Multiphysics，ANSYS/Mechanical，ANSYS/FLOTRAN和 ANSYS/Professional这些产品支持稳态热分析。稳态传热用于分析稳定的热载荷对系统或部件的影响。通常在进行瞬态热分析以前，进行稳态热分析用于确定初始温度分布。也可以在所有瞬态效应消失后，将稳态热分析作为瞬态热分析的最后一步进行分析。 稳态热分析可以计算确定由于不随时间变化的热载荷引起的温度、热梯度、热流率、热流密度等参数。这些热载荷包括： 对流 辐射 热流率 热流密度（单位面积热流） 热生成率（单位体积热流） 固定温度的边界条件
稳态热分析可用于材料属性固定不变的线性问题和材料性质随温度变化的非线性问题。事实上，大多数材料的热性能都随温度变化，因此在通常情况下，热分析都是非线性的。当然，如果在分析中考虑辐射，则分析也是非线性的。 3.2热分析的单元 ANSYS和ANSYS/Professional中大约有40种单元有助于进行稳态分析。有关单元的详细描述请参考《ANSYS Element Reference》，该手册以单元编号来讲述单元，第一个单元是LINK1。单元名采用大写，所有的单元都可用于稳态和瞬态热分析。其中SOLID70单元还具有补偿在恒定速度场下由于传质导致的热流的功能。这些热分析单元如下： 表3-1二维实体单元 表3-2三维实体单元 表3-3辐射连接单元
表3-4传导杆单元 表3-5对流连接单元 表3-6壳单元 表3-7耦合场单元 表3-8特殊单元
砌体结构现浇混凝土楼板温度应力分布研究 张珂峰1 曹青来2 (1.南通市广播电视大学;2.南通市建筑质量检测中心,江苏 南通226001) 摘 要:砌体结构是目前我国住宅建筑的主要结构形式之一,现浇混凝土楼板温度裂缝问题是其常见而又亟待解决的问题.国内外专家、学者对砌体结构的温度裂缝问题进行了大量的科学研究,有不同观点,但基本上局限于砌体结构温度裂缝的定性分析,对温度应力的分布还缺乏深入的研究.文章对砌体结构温度场进行了仿真分析得出了温度应力分布规律.关键词:砌体结构;现浇楼板;裂缝;温度效应中图分类号:TU398 文献标识码:A 文章编号:1008-293X(2009)07-0065-05 0 引言 目前,砖(砌体)墙和现浇钢筋混凝土楼板相结合的混合结构在我国是比较常见的一种结构形式,尤其在多层住宅中更为普遍.但使用中也存在着一些问题.其中最普遍的问题是混合结构房屋易出现裂缝,这些裂缝产生的部位除了顶层墙体和屋面板之外,楼面板也经常出现裂缝,特别是板角45度斜裂缝出现概率极高.现在,住宅现浇楼板的裂缝是一种常见的建筑质量垢病,也是住户投诉较多的热点问题.虽然许多裂缝并不影响结构的承载力,但是它直接影响用户对住房的美观和使用功能的要求,更由于开裂造成渗漏、钢筋锈蚀,降低了建筑的使用寿命.因此,防治现浇楼板开裂己成为住宅建设中一个十分重要和迫切的问题. 但是目前砌体结构还主要集中在墙体和屋面板,对楼板虽有提及,却研究甚少.裂缝产生原因研究也主要集中在施工和混凝土收缩.国内对现浇楼板温度裂缝的研究还不多,处于探讨阶段.所以本文研究砌体结构现浇混凝土楼板的温度应力的分布,为现浇楼板温度的防治提供设计依据. 1 砌体结构现浇混凝土板裂缝实验调查 目前砌体结构混凝土裂缝主要有以下几种形式:1.1 结构现浇楼板45 角裂缝 角裂缝发现大多数发生在房屋二端山墙的转角处,房屋四角及内外墙交接角部,且大多数裂缝穿透楼板,裂缝形态一般呈中段宽,两端窄裂缝呈45 走向,裂缝宽度肉眼可以明显观察到(一般肉眼可见裂缝宽度约0.03~0 05mm),且上下贯通.发生原因分析:(1)收缩特性和温差双重作用所引起的;(2)板角负弯距筋配置不当.1.2 横向裂缝和纵向裂缝 横向裂缝是指平行于楼板的短边,垂直于楼板长边的裂缝.纵向裂缝是平行于长边,垂直于短边的裂缝.由于现在房屋大部分是双向板在我们调查过程中发现在楼板中部会出现及墙边会出现横向和竖向裂缝.在调查中发现横向裂缝和纵向裂缝发生贯穿裂缝较多.发生原因分析:(1)水泥随意添加,用量过大,水灰比控制失当.混凝土养护不当,失水过多.(2)室内外温差过大.1.3 放射型裂缝 放射型缝是指多条裂缝汇交于一点的情况.从工程资料可以发现这些裂缝通常出现在天花板上的吊灯周围,是由于吊灯的安装不当造成的.发生原因分析:(1)PVC 管设置不合理,穿管过密,使用过多;(2)楼板厚度为够,保护层不符合要求.1.4 其他裂缝 除了上述三种裂缝之外,现浇板裂缝还有其他形态的裂缝.这些裂缝可看作斜裂缝、横向裂缝和纵向 第29卷第7期2009年3月 绍 兴 文 理 学 院 学 报JOURNAL OF S HAOXING UNIVERSITY Vol.29No.7Mar.2009 收稿日期:2008-10-15 作者简介:张珂峰(1979-),男,江苏南通人,讲师,研究方向:建筑物资鉴定与加固.
1.1基于ABAQUS的热应力分析 1.1.1 温度场数据处理 (1)打开INP_Generator.exe，出现如下软件界面： 图1.数据处理软件 (2)点击“浏览”按钮，选择由FLUENT导出的inp文件所在路径，如下图 所示： 图2.路径选择 (3)点击“生成”按钮，则在inp文件所在路径下自动生成包含多个温度场的 ABAQUS输入文件ABAQUSinputfile.inp。 图3.生成包含连续温度场INP文件
1.1.2 复材工装模板热应力分析 (1)打开ABAQUS，导入inp文件后，打开Tools菜单下“Set - Manager”， 如下图所示。检查是否有名为“PID6”的set，若没有则创建一个名为 “PID*”的set，set为模板整体。（“*”为任意数字或字母） 图4.创建SET (2)打开Plug-ins菜单下“CAC Project - Composite Analyse”，弹出如下界面。 在Step1标签中输入用到的材料名称并选择工作路径；在Step2中定义铺 层信息，可通过右键删除或添加行；按照Step3和Step4的提示，使用 ABAQUS/CAE自身功能完成剩余分析工作。 (a)
(b) (c) 图5.定义材料及铺层 (3)进入Load模块，定义垂直于模板表面平面部分的局部坐标系。选择“Tools” 菜单下“Datum”，Type选择“CSYS”Method选择“3Points”，然后默认点击“Continue”按钮。依次在模板表面选择坐标原点、X轴上点和XY面上的点，生成局部坐标。 图6.定义模板局部坐标系 (4)点击“Create Boundary Condition”按钮，弹出边界条件定义对话框。