基于Abaqus的混凝土箱梁热力耦合分析

关键词： Abaqus；混凝土箱梁；热传导；辐射散热；热力耦合
在桥梁工程范畴，混凝土箱梁因其结构稳固性和承载本事而广泛应用于当代桥梁筹划中。随着举世天气厘革和极度天气变乱的频发，混凝土箱梁在服役过程中面临的热力耦合效应日益受到器重。热力耦合分析是指在结构分析中同时思量温度场和力学场的相互作用，这对于确保桥梁在差异情况条件下的恒久性能和安全性至关紧张。
袒露在天然情况下的混凝土箱梁受到太阳辐射，对流换热和辐射换热的作用，在Abaqus中可以通过热传导、辐射和散射的设置实现此过程。本文致力于将传热分析后的应力/温度效果与加上辐射散热后的应力/温度效果举行对比，探究热力耦合分析举行辐射散热的须要性。

图1 箱梁日照热边界表现图


根据《Abaqus资助文档》第16.1.2和16.1.3节，Abaqus可以举行次序耦合传热分析，即先辈行传热分析，再举行应力/变形分析。此时节点温度作为时间的函数存储在传热效果(. fi1)文件或输出数据库. odb)文件中，要在传热、温度－位移耦合或应力／位移分析中界说载荷，可以从 abaqus emload实用步伐创建的输出数据库. odb)文件中读取节点会合热通量和点载荷。
【模子信息】箱梁截面尺寸信息如下图所示，混凝土节段取3m，混凝土强度品级为C60。热膨胀系数取10^-5C^-1oi，比热容取960J/(kg*C)，导热系数取1.62W/(m*C)，导热系数取1.62W/(m*C)。

图2混凝土箱梁尺寸图（单元：cm）


【瞬态热传导分析】设置瞬态热分析步，设置分析步时长为24000（按照一天24h设置，使其具有肯定的物理意义），同时修改每个增量最大可改变温度为120℃，设置完成情况如下图所示。

（a）分析步时长设置

（b）分析步增量设置
图3瞬态热分析步设置
分析步设置完成后，将场变量设置为每隔1h（即1000个时间步长）输出一次效果。接着在load模块根据盘算或实行数据对各外貌（包罗顶底板表里外貌以及腹板）输入差异热流密度巨细以及幅值曲线（此处仅为简单示例）。

图4差异外貌的热流密度幅值表现


同时在预界说场中为混凝土箱梁设置初始温度25.5℃，如下图所示。

图5混凝土箱梁初始温度设置


【辐射&散热分析】在瞬态热分析的步调根本上另存一个模子Model-2，右键点击填写模子关键字，为此中物理常数中的Stefan-Boltzmann常数和绝对零度设置相应值。

图6 模子关键常数设置


在相互作用模块中，界说热沉温度为22℃的外貌散热，幅值为Amp-7，表明在0时候到达最大值1。

图7 外貌散热设置表现图


设置完散热后，通过下图方式创建辐射率为0.8，情况温度为25.5℃的外貌辐射，幅值曲线依然采取Amp-7。

图8 外貌辐射设置表现图


【热力次序耦合分析】另存新模子Model-3，设置静力通用分析步，在场变量输出中增长NT节点温度输出，在Load模块将上述瞬态热传导分析和辐射&散热分析的温度场效果文件分别插值进预应力场中。

图9 预应力场变量设置


【效果对比】将瞬态热传导分析和辐射&散热分析的位移，应力云图相干指标举行对比分析如下图所示。

（a）仅热传导的热力耦合效果云图

（b）加上辐射&散热的热力耦合效果云图

图10 最大主应力和位移云图对比


由上图可以清晰地看到，仅热传导的热力耦合效果中最大主应力为1.25Mpa，而思量了辐射和散热的热力耦合效果中最大主应力为0.97Mpa；不但仅是应力厘革较大，仅热传导的热力耦合效果中位移最大值为3.47mm，而思量了辐射和散热的热力耦合效果中位移最大值仅为0.69mm。而且二者的应力和位移分布图也有明显差异。
接下来，我们提取热传导分析和辐射&换热分析的下倒角某一点的温度-时间曲线和应力-时间曲线举行对比分析。

图11 节点温度-时间曲线

图12 节点mises应力-时间曲线
由上图可知，仅举行热传导分析时无论是温度场抑或是应力场，均会比加上辐射和散热后的效果大，就实际情况而言，处于天然情况下的混凝土箱梁不但会举行热传导，还会举行得当的散热和辐射运动，因此在对箱梁举行温度场和温度效应分析时，辐射和散热的作用不可忽略，仅设置热流密度举行热传导无法模拟真实情况下的混凝土箱梁。
【注】本文举行热力耦合分析的实体模子较为复杂，文中并未展示完全相干的本事设置，比方热流密度、换热系数的设置等。针对差异外貌所设置的热流幅值都不尽雷同，必要通过盘算和履历联合确定。
 

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