基于ANSYSAPDL的混凝土氯盐双时变扩散分析方法技术

本发明专利技术提供了基于ANSYSAPDL的混凝土氯盐双时变扩散分析方法，包括以下步骤：步骤S1，进入热分析模块并设定单元类型；步骤S2，根据扩散系数时变函数关系建立二维数组，一列为荷载步并作为材料属性编号，另一列为对应的时变扩散系数，按材料属性编号循环定义时变扩散系数；步骤S3，循环定义混凝土结构件的时变表面氯离子浓度作为时变边界条件；步骤S4，设定混凝土结构件的几何模型参数和非时变的材料属性，构建几何模型；步骤S5，进行网格划分；步骤S6，设定分析类型与求解方法；步骤S7，设定混凝土构件中初始氯离子浓度值，按荷载步循环加载时变边界条件，并在荷载步间改变单元的材料属性，循环连续荷载步进行计算求解；步骤S8，计算结果后处理。结果后处理。结果后处理。

【技术实现步骤摘要】
基于ANSYS APDL的混凝土氯盐双时变扩散分析方法


[0001]本专利技术涉及一种混凝土中氯离子扩散的分析方法，具体涉及一种基于ANSYS APDL的混凝土氯盐双时变扩散分析方法。

技术介绍

[0002]混凝土结构耐久性一直以来都是土木工程领域受广泛关注的热点问题，影响混凝土耐久性的原因错综复杂，主要因素有冻融循环、碱―集料反应以及由碳化、氯盐引起的钢筋锈蚀等。其中，对位于非寒冷地区的混凝土结构可不考虑冻融循环对混凝土的破坏作用；碱―集料反应可通过掺加抑制碱―集料反应的掺合料加以预防；碳化对混凝土耐久性有一定影响但可以通过加强施工质量予以控制。而氯离子侵蚀引起的钢筋锈蚀是造成钢筋混凝土结构耐久性能劣化的主要原因。因此，建立适当的模拟方法来预测混凝土结构件中氯离子浓度的分布情况，对钢筋混凝土结构耐久性设计与评估具有重要的理论意义与工程应用价值。
[0003]外界氯离子向混凝土内输运是一个复杂的物理化学过程，涉及许多机理，主要有扩散作用、毛细管作用、渗流作用与电迁移作用，同时还受到混凝土中胶凝材料对自由氯离子的结合作用。氯离子侵入混凝土内部则是上述几种作用的组合，而在某特定的环境条件下，又将以某种输运方式作为主导。对处于近海环境中的混凝土结构，在规定厚度的保护层中，混凝土的含水量可能很高，在多数情况下，氯离子侵蚀混凝土的传输机制以扩散为主。因此，有关氯离子侵入混凝土的研究，大多是建立在这种传输方式的基础上。
[0004]目前多采用Fick第二定律及其一维扩散数学模型的解析解对混凝土中氯离子浓度进行预测与耐久性评价。上述Fick扩散定律假设扩散系数为常值，即描述的是稳态扩散过程，而实际上氯离子在混凝土中的扩散系数是时变的，反映在混凝土的龄期越长，氯离子扩散系数越小，尤其在混凝土暴露初期的数年内氯离子扩散速率降幅尤为明显，因此，在氯离子扩散分析中须考虑氯离子扩散系数的时变性。再者，常规扩散预测模型的解析解均基于常值浓度表面，而实际上当混凝土暴露于氯盐环境中时，环境中的氯离子并非阶跃地以浓度终期值直接作用于混凝土表面，而是随时间逐渐累积的过程。因此，目前较多采用Fick第二定律及其一维扩散数学模型的解析解用于预测混凝土中氯离子浓度分布与耐久性评价显然与混凝土氯盐扩散的实际情况出入较大。
[0005]此外，Fick第二定律及其一维扩散数学模型的解析解难以准确预测混凝土中不同时间、位置的氯离子扩散分布情况，特别是在构件角部等几何构造较为复杂区域。而有限元法能适应复杂几何形状和边界条件问题的求解。但由于实际工程混凝土结构件几何模型、材料特性及边界条件较为复杂，若再同时考虑其时变影响，个人编写的有限元程序往往考虑不够全面、运算效率较低，程序的正确性有待验证且后处理功能也相对薄弱，如能借助通用有限元软件模拟氯离子的时变扩散问题对于评估混凝土结构的耐久性能无疑是一种重要的分析手段。
[0006]目前已有学者提出了基于通用有限元软件ANSYS的混凝土内氯离子扩散模拟方
法，但是均未能同时考虑扩散系数与边界条件的双时变性，通过这些既有的模拟方法得到的分析结果与实际氯离子的扩散分布存在较大差异。

技术实现思路

[0007]本专利技术是为了解决上述问题而提出的，目的在于提供一种基于ANSYS APDL的混凝土氯盐双时变扩散分析方法。
[0008]本专利技术提供了基于ANSYS APDL的混凝土氯盐双时变扩散分析方法，通过有限元分析软件ANSYS对混凝土结构件中的氯离子扩散进行分析，包括以下步骤：
[0009]步骤S1，基于ANSYS的热分析模块模拟混凝土结构件内氯离子的双时变扩散，进入热分析模块并设定分析用的单元类型；
[0010]步骤S2，根据扩散系数时变函数关系建立二维数组，该二维数组中一列为荷载步并作为材料属性编号，另一列为荷载步对应的材料属性中的时变扩散系数，按材料属性编号循环定义时变扩散系数；
[0011]步骤S3，按荷载步循环定义时变的混凝土结构件的时变表面氯离子浓度作为时变边界条件；
[0012]步骤S4，设定混凝土结构件的几何模型参数，并设定时变扩散系数及时变表面氯离子浓度之外的材料属性，构建混凝土结构件的几何模型；
[0013]步骤S5，对混凝土结构件的几何模型进行网格划分；
[0014]步骤S6，设定分析类型与求解方法；
[0015]步骤S7，设定混凝土结构件中的初始氯离子浓度值，按荷载步循环加载时变边界条件，并在荷载步间改变单元的材料属性，循环连续荷载步进行计算求解；
[0016]步骤S8，对计算结果进行后处理，得到给定参数下的混凝土结构件内任意位置处随时间变化的氯离子浓度值。
[0017]在本专利技术提供的基于ANSYS APDL的混凝土氯盐双时变扩散分析方法中，还可以具有这样的特征：其中，步骤S7中，通过ANSYS APDL程序的MPCHG命令在荷载步间改变单元的材料属性；或者在步骤S5对几何模型进行网格划分后，通过ANSYS APDL程序的EGEN命令复制生成总荷载步数倍的单元，相应的命令参数MINC取1，指定每次新生成的单元的材料属性编号的增量为1，此时步骤S7的具体操作为：设定混凝土结构件中初始氯离子浓度值，按荷载步循环加载时变边界条件，通过ANSYS APDL程序的单元生死命令EALIVE和EKILL，仅激活与相应荷载步对应的材料属性的单元，再通过循环连续荷载步进行计算求解。
[0018]在本专利技术提供的基于ANSYS APDL的混凝土氯盐双时变扩散分析方法中，还可以具有这样的特征：其中，通过热分析模块模拟混凝土结构件内氯离子的时变扩散的具体过程如下：
[0019]在热分析模块中，非稳态条件下的三维热传导微分方程为：
[0020][0021]公式(1)中，k
x
，k
y
和k
z
分别表示x，y和z方向的导热系数，表示单位体积生热量，ρ,c分别代表介质的密度和比热容，T表示温度。
[0022]将公式(1)中的温度T等代为浓度C，并令k
x
＝k
y
＝k
z
＝D(t)，ρ＝c＝1，来通过热分析模块模拟氯离子的时变扩散，得到三维非稳态条件下的氯离子时变扩散控制微分方程如下：
[0023][0024]公式(2)中，D(t)为时变扩散系数，C为浓度。
[0025]在本专利技术提供的基于ANSYS APDL的混凝土氯盐双时变扩散分析方法中，还可以具有这样的特征：其中，步骤S1中，应用热分析模块进行三维扩散分析时，设定热分析模块的单元类型为SOLID90单元，该SOLID90单元为20节点六面体热实体单元；或者步骤S1中，应用热分析模块进行二维扩散分析时，设定热分析模块的单元类型为PLANE35单元或PLANE77单元，PLANE35单元为6节点三角形热平面单元，PLANE77单元为8节点四边形热平面单元。
[0026]在本专利技术提供的基于ANSYS APDL的混凝土氯盐双时变扩散分析方本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于ANSYS APDL的混凝土氯盐双时变扩散分析方法，通过有限元分析软件ANSYS对混凝土结构件中的氯离子扩散进行分析，其特征在于，包括以下步骤：步骤S1，基于ANSYS的热分析模块模拟所述混凝土结构件内氯离子的双时变扩散，进入所述热分析模块并设定分析用的单元类型；步骤S2，根据扩散系数时变函数关系建立二维数组，该二维数组中一列为荷载步并作为材料属性编号，另一列为所述荷载步对应的材料属性中的时变扩散系数，按所述材料属性编号循环定义所述时变扩散系数；步骤S3，按所述荷载步循环定义时变的所述混凝土结构件的时变表面氯离子浓度作为时变边界条件；步骤S4，设定所述混凝土结构件的几何模型参数，并设定所述时变扩散系数及所述时变表面氯离子浓度之外的所述材料属性，构建所述混凝土结构件的几何模型；步骤S5，对所述混凝土结构件的几何模型进行网格划分；步骤S6，设定分析类型与求解方法；步骤S7，设定所述混凝土结构件中的初始氯离子浓度值，按荷载步循环加载所述时变边界条件，并在所述荷载步间改变单元的所述材料属性，循环连续所述荷载步进行计算求解；步骤S8，对计算结果进行后处理，得到给定参数下的所述混凝土结构件内任意位置处随时间变化的氯离子浓度值。2.根据权利要求1所述的基于ANSYS APDL的混凝土氯盐双时变扩散分析方法，其特征在于：其中，步骤S7中，通过ANSYS APDL程序的MPCHG命令在所述荷载步间改变单元的所述材料属性；或者在步骤S5对所述几何模型进行网格划分后，通过ANSYS APDL程序的EGEN命令复制生成总荷载步数倍的单元，相应的命令参数MINC取1，指定每次新生成的单元的所述材料属性编号的增量为1，此时步骤S7的具体操作为：设定所述混凝土结构件中初始氯离子浓度值，按所述荷载步循环加载所述时变边界条件，通过ANSYS APDL程序的单元生死命令EALIVE和EKILL，仅激活与相应所述荷载步对应的所述材料属性的单元，再通过循环连续所述荷载步进行计算求解。3.根据权利要求1所述的基于ANSYS APDL的混凝土氯盐双时变扩散分析方法，其特征在于：其中，通过所述热分析模块模拟所述混凝土结构件内氯离子的时变扩散的具体过程如下：在所述热分析模块中，非稳态条件下的三维热传导微分方程为：公式(1)中，k
x
，k
y
和k
z
分别表示x，y和z方向的导热系数，表示单位体积生热量，ρ,c分别代表介质的密度和比热容，T表示温度，
将公式(1)中的温度T等代为浓度C，并令k
x
＝k
y
＝k
...

【专利技术属性】
技术研发人员：滕丽，彭崇梅，赵辛玮，杨伟，王嘉祺，
申请(专利权)人：上海市政养护管理有限公司，
类型：发明
国别省市：