基于Abaqus的混凝土箱梁热力耦合分析
基于Abaqus的混凝土箱梁热力耦合分析
在桥梁工程领域，混凝土箱梁因其结构稳定性和承载能力而广泛应用于现代桥梁设计中。随着全球气候变化和极端天气事件的频发，混凝土箱梁在服役过程中面临的热力耦合效应日益受到重视。本文将详细介绍如何使用Abaqus软件对混凝土箱梁进行热力耦合分析，包括模型信息、瞬态热传导分析、辐射散热分析、热力顺序耦合分析以及结果对比等多个方面。
模型信息
箱梁截面尺寸信息如下图所示，混凝土节段取3m，混凝土强度等级为C60。热膨胀系数取10^-5C^-1oi，比热容取960J/(kgC)，导热系数取1.62W/(mC)，导热系数取1.62W/(m*C)。
图2 混凝土箱梁尺寸图（单位：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，使其具有一定的物理意义），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）输出一次结果。接着在load模块根据计算或实验数据对各表面（包括顶底板内外表面以及腹板）输入不同热流密度大小以及幅值曲线（此处仅为简单示例）。
图4 不同表面的热流密度幅值示意
同时在预定义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
在瞬态热分析的步骤基础上另存一个模型Model-2，右键点击填写模型关键字，为其中物理常数中的Stefan-Boltzmann常数和绝对零度设置相应值。
图6 模型关键常数设置
在相互作用模块中，定义热沉温度为22℃的表面散热，幅值为Amp-7，表明在0时刻到达最大值1。
图7 表面散热设置示意图
设置完散热后，通过下图方式建立辐射率为0.8，环境温度为25.5℃的表面辐射，幅值曲线依然采用Amp-7。
图8 表面辐射设置示意图
热力顺序耦合分析
另存新模型Model-3，设置静力通用分析步，在场变量输出中增加NT节点温度输出，在Load模块将上述瞬态热传导分析和辐射&散热分析的温度场结果文件分别插值进预应力场中。
图9 预应力场变量设置
结果对比
将瞬态热传导分析和辐射&散热分析的位移，应力云图相关指标进行对比分析如下图所示。
（a）仅热传导的热力耦合结果云图
（b）加上辐射&散热的热力耦合结果云图
图10 最大主应力和位移云图对比
由上图可以清楚地看到，仅热传导的热力耦合结果中最大主应力为1.25Mpa，而考虑了辐射和散热的热力耦合结果中最大主应力为0.97Mpa；不仅仅是应力变化较大，仅热传导的热力耦合结果中位移最大值为3.47mm，而考虑了辐射和散热的热力耦合结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显著差别。
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-时间曲线进行对比分析。
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，仅进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结果大，就实际情况而言，处于自然环境下的混凝土箱梁不仅会进行热传导，还会进行适当的散热和辐射活动，因此在对箱梁进行温度场和温度效应分析时，辐射和散热的作用不可忽略，仅设置热流密度进行热传导无法模拟真实环境下的混凝土箱梁。
【注】本文进行热力耦合分析的实体模型较为复杂，文中并未展示完全相关的技巧设置，例如热流密度、换热系数的设置等。针对不同表面所设置的热流幅值都不尽相同，需要通过计算和经验结合确定。