用于有限元模拟的蒸汽荷载加载方法、系统、设备及介质

摘要

本发明公开了用于有限元模拟的蒸汽荷载加载方法、系统、设备及介质，包括确定混凝土模型中每个单元中心点的温度分布信息，计算混凝土模型中每个单元的蒸汽压力分布信息；将蒸汽压力分布信息转换为对应单元的三向主应力，并写入空白结果文件，得到蒸汽压力应力场结果文件，导入混凝土模型中，得到静力平衡分析结果；提取混凝土模型中各个单元的节点力结果；建立混凝土模型的节点集合，将节点力结果作为荷载对应施加至混凝土模型的每个节点；本发明通过对混凝土模型的温度场，经蒸汽压力场转换为等效节点力场，实现对蒸汽压力场等效荷载的施加，精度高，能够极大程度上还原蒸汽压力的实际数值；施加过程独立，无需修改几何模型，模拟效果较好。

说明书

技术领域

本发明属于仿真模拟技术领域，特别涉及一种用于有限元模拟的蒸汽荷载加载方法、系统、设备及介质。

背景技术

有限元数值模拟方法是土木工程领域各类结构应力应变预测的主要方法，以及为结构设计、施工过程提供技术参考的重要手段；在有限元数值建模过程中，荷载的准确取值与施加是模拟准确与否的关键一环；有限元数值建模中存在各种类型的荷载，例如重力、惯性力、渗流力及磁场荷载等体力，风荷载及均布荷载等表面力；上述荷载形式简单，施加方式明确，绝大多数有限元软件均直接提供其施加方式。

但一些间接荷载无法直接在有限元程序中施加，例如混凝土蓄热元件中水分气化导致的蒸汽压力；混凝土蓄热元件由于其成本低、易成型、力学性能好及热胀系数与钢材相当等优点而被广泛用于各类储热系统中，元件通过导热油、熔融盐等作为传热介质，混凝土作为储热介质。混凝土浇筑过程中存在大量水分，且需要较长时间才能蒸发完毕，在混凝土蓄热元件使用时其中的水分在高温作用下快速气化，产生的蒸汽压力有可能造成混凝土炸裂事故，因而对其升热过程产生的蒸汽压力导致的混凝土内力分布进行数值模拟预测很有必要；但由于蒸汽压力荷载难以直接施加，对其进行的模拟多仅在内部管道内壁施加容器压力，无法准确模拟蒸汽压力对混凝土的影响。

现有技术中常常通过在原有模型上增加孔隙，在孔隙中施加压力；其缺点为需要改变原有模型的几何构造，同时由于增加的孔隙往往较小，增加了模型网格划分的难度、质量以及网格的总数量，导致计算代价极大的增加，无法适用于较大模型；且实现的效果不好，难以准确还原蒸汽压力的实际效果。

发明内容

针对现有技术中存在的技术问题，本发明提供了一种用于有限元模拟的蒸汽荷载加载方法、系统及设备，以解决现有的混凝土蒸汽压力荷载模拟过程，需改变原有模型的几何构造，计算难度较低，模拟结果较差的技术问题。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

本发明提供了一种用于有限元模拟的蒸汽荷载加载方法，包括以下步骤：

获取混凝土模型的温度分布，确定混凝土模型中每个单元中心点的温度分布信息；

计算混凝土模型中每个单元的蒸汽压力分布信息；

构建空白结果文件，将混凝土模型中每个单元的蒸汽压力分布信息转换为对应单元的三向主应力，并写入空白结果文件，得到蒸汽压力应力场结果文件；

将蒸汽压力应力场结果文件，导入混凝土模型中，运行静力平衡分析，得到静力平衡分析结果；

根据静力分析结果，提取混凝土模型中各个单元的节点力结果；

建立混凝土模型的节点集合，将节点力结果作为荷载对应施加至混凝土模型的每个节点；至此蒸汽荷载加载完成。

进一步的，获取混凝土模型的温度分布时，采用对混凝土模型的瞬态热传递分析，得到混凝土模型的温度分布。

进一步的，计算混凝土模型中每个单元的蒸汽压力分布信息过程：

根据混凝土模型中每个单元中心点的温度分布信息，利用温度-蒸汽压力经验公式，计算得到混凝土模型中每个单元的蒸汽压力分布信息。

进一步的，温度-蒸汽压力经验公式为：

p＝7.9×10

其中，p为混凝土模型中每个单元的蒸汽压力分布信息，t为混凝土模型中每个单元中心点的温度分布信息。

进一步的，混凝土模型中每个单元的三个方向的主应力值分别与对应单元的蒸汽压力值相等。

进一步的，获取静力平衡分析结果过程如下：

将蒸汽压力应力场结果文件，导入混凝土模型中；约束混凝土模型中每个节点的所有位移自由度，之后运行静力平衡分析，得到静力平衡分析结果。

进一步的，提取混凝土模型中各个单元的节点力结果过程：

通过有限元二次开发，对混凝土模型中每个节点的节点力结果数据进行遍历，提取混凝土模型中每个节点三个方向的节点力值，得到混凝土模型中各个单元的节点力结果。

本发明还提供了一种用于有限元模拟的蒸汽荷载加载系统，包括蒸汽压力应力场获取模块、节点力场获取模块及节点力场施加模块；

蒸汽压力应力场获取模块，用于获取混凝土模型的温度分布，确定混凝土模型中每个单元中心点的温度分布信息；计算混凝土模型中每个单元的蒸汽压力分布信息；构建空白结果文件，将混凝土模型中每个单元的蒸汽压力分布信息转换为对应单元的三向主应力，并写入空白结果文件，得到蒸汽压力应力场结果文件；

节点力场获取模块，用于将蒸汽压力应力场结果文件，导入混凝土模型中，运行静力平衡分析，得到静力平衡分析结果；根据静力分析结果，提取混凝土模型中各个单元的节点力结果；

节点力场施加模块，用于建立混凝土模型的节点集合，将节点力结果作为荷载对应施加至混凝土模型的每个节点；至此蒸汽荷载加载完成。

本发明还提供了一种用于有限元模拟的蒸汽荷载加载设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器中并可在所述处理器中运行的可执行指令；所述处理器执行所述可执行指令时实现所述的用于有限元模拟的蒸汽荷载加载方法。

本发明还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机可执行指令，所述可执行指令被处理器执行时实现所述的用于有限元模拟的蒸汽荷载加载方法。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明提供了一种用于有限元模拟的蒸汽荷载加载方法、系统、设备及介质，通过对混凝土模型的温度场，经蒸汽压力场转换为等效节点力场，实现对蒸汽压力场等效荷载的施加，方法逻辑清晰；通过等效节点力场的方式施加蒸汽压力应力场，精度高，能够极大程度上还原蒸汽压力应力场的实际数值；施加过程独立，无需对几何模型进行修改，同时不影响其他荷载的施加，模拟效果较好。

进一步的，通过有限元二次开发实现，能够实现自动化建模，方法效率高。

附图说明

图1为实施例所述的用于有限元模拟的蒸汽荷载加载方法流程图；

图2为实施例所述的混凝土模型的温度分布信息图；

图3为实施例所述的饱和蒸汽-温度关系曲线图；

图4为实施例中施加节点力场后得到的蒸汽压力应力场结果图；

图5为实施例中将节点力结果施加至混凝土模型后的静力分析结果图。

具体实施方式

为了使本发明所解决的技术问题，技术方案及有益效果更加清楚明白，以下具体实施例，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例

如附图1所示，对某混凝土模型施加蒸汽荷载过程，基于ABAQUS软件；本实施例提供了一种用于有限元模拟的蒸汽荷载加载方法，包括以下步骤：

步骤1、采用对混凝土模型的瞬态热传递分析，获取混凝土模型的温度分布，并确定混凝土模型中每个单元中心点的温度分布信息；如附图2所示，附图2中给出了混凝土模型中每个单元中心点的温度分布信息，即混凝土模型的温度场。

步骤2、根据混凝土模型中每个单元中心点的温度分布信息，利用温度-蒸汽压力经验公式，计算得到混凝土模型中每个单元的蒸汽压力分布信息；其中，饱和蒸汽压-温度的关系曲线图如附图3所示。

本实施例中，温度-蒸汽压力经验公式为：

p＝7.9×10

其中，p为混凝土模型中每个单元的蒸汽压力分布信息，t为混凝土模型中每个单元中心点的温度分布信息。

步骤3、构建空白结果文件，将混凝土模型中每个单元的蒸汽压力分布信息转换为对应单元的三向主应力，并写入空白结果文件，得到蒸汽压力应力场结果文件。

本实施例中，蒸汽压力为静水压力，对应到混凝土模型的每个单元上，即为球应力；因此，混凝土模型中每个单元的三个方向的主应力值分别与对应单元的蒸汽压力值相等；通过将混凝土模型中每个单元的蒸汽压力值，对应赋予给每个单元的三个方向的主应力，并写入空白结果文件中，得到混凝土模型每个单元的蒸汽压力应力场结果文件；由于ABAQUS软件所得的的结果文件为只读文件，无法直接写入；本实施例中，通过构建空白结果文件，采用在空白结果文件中写入混凝土模型每个单元的三向主应力，得的蒸汽压力应力场结果文件；构建空白结果文件时，采用有限元二次开发实现；其中，空白结果文件中包含有混凝土模型及单元划分结果。

步骤4、将蒸汽压力应力场结果文件，导入混凝土模型中；约束混凝土模型中每个节点的所有位移自由度，之后运行静力平衡分析，得到静力平衡分析结果；本实施例中，所得到的静力平衡分析结果为混凝土模型的节点力场；通过蒸汽压力应力场进行经历平衡运算，得到的混凝土模型的节点力场，相当于对混凝土模型施加该节点力场时，得的的蒸汽压力应力场。

步骤5、根据静力分析结果，提取混凝土模型中各个单元的节点力结果；本实施例中，通过有限元二次开发，对混凝土模型中每个节点的节点力结果数据进行遍历，提取混凝土模型中每个节点三个方向的节点力值，得到混凝土模型中各个单元的节点力结果；如附图4所示，附图4中给出了施加节点结果后得到的蒸汽压力应力场结果图，从附图4中可以看出通过本实施例所述的方法得到的蒸汽压力场符合实际，模拟效果良好。

步骤6、建立混凝土模型的节点集合，将节点力结果作为荷载对应施加至混凝土模型的每个节点；至此蒸汽荷载加载完成；本实施例中，由于ABAQUS软件中，力的施加的对象为集合；而步骤5中获取的混凝土模型中各个单元的节点力结果存在不同，采用对每个节点单独建立集合用于施加节点力；根据混凝土模型的总节点数，通过循环语句给每个节点建立对应的集合，并分别将节点力结果分别对应施加至混凝土的每个节点，得到蒸汽荷载加载结果。

如附图5所示，附图5中给出了将节点力结果施加至混凝土模型后的静力分析结果图，从附图5中可以看出，将节点力结果施加至混凝土模型后，混凝土模型出现开裂，实现了对混凝土蓄热元件受热引起内部水分迅速蒸发导致的炸裂过程的模拟。

本实施例还提供了一种用于有限元模拟的蒸汽荷载加载系统，包括蒸汽压力应力场获取模块、节点力场获取模块及节点力场施加模块；

蒸汽压力应力场获取模块，用于获取混凝土模型的温度分布，确定混凝土模型中每个单元中心点的温度分布信息；计算混凝土模型中每个单元的蒸汽压力分布信息；构建空白结果文件，将混凝土模型中每个单元的蒸汽压力分布信息转换为对应单元的三向主应力，并写入空白结果文件，得到蒸汽压力应力场结果文件；

节点力场获取模块，用于将蒸汽压力应力场结果文件，导入混凝土模型中，运行静力平衡分析，得到静力平衡分析结果；根据静力分析结果，提取混凝土模型中各个单元的节点力结果；

节点力场施加模块，用于建立混凝土模型的节点集合，将节点力结果作为荷载对应施加至混凝土模型的每个节点；至此蒸汽荷载加载完成。

本实施例还提供了一种用于有限元模拟的蒸汽荷载加载设备，包括处理器、存储器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序；所述处理器执行所述计算机程序时实现上述所述的用于有限元模拟的蒸汽荷载加载方法实施例中的步骤；或者，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述加载系统实施例中各模块的功能。

示例性的，所述计算机程序可以被分割成一个或多个模块，所述一个或者多个模块被存储在所述存储器中，并由所述处理器执行，以完成本发明。所述一个或多个模块可以是能够完成特定功能的一系列计算机程序指令段，该指令段用于描述所述计算机程序在所述用于有限元模拟的蒸汽荷载加载设备中的执行过程。例如，所述计算机程序可以被分割成例如包括蒸汽压力应力场获取模块、节点力场获取模块及节点力场施加模块；蒸汽压力应力场获取模块，用于获取混凝土模型的温度分布，确定混凝土模型中每个单元中心点的温度分布信息；计算混凝土模型中每个单元的蒸汽压力分布信息；构建空白结果文件，将混凝土模型中每个单元的蒸汽压力分布信息转换为对应单元的三向主应力，并写入空白结果文件，得到蒸汽压力应力场结果文件；节点力场获取模块，用于将蒸汽压力应力场结果文件，导入混凝土模型中，运行静力平衡分析，得到静力平衡分析结果；根据静力分析结果，提取混凝土模型中各个单元的节点力结果；节点力场施加模块，用于建立混凝土模型的节点集合，将节点力结果作为荷载对应施加至混凝土模型的每个节点；至此蒸汽荷载加载完成。

所述用于有限元模拟的蒸汽荷载加载设备可以是桌上型计算机、笔记本、掌上电脑及云端服务器等计算设备。所述用于有限元模拟的蒸汽荷载加载设备可包括，但不仅限于，处理器、存储器。本领域技术人员可以理解，可以包括比处理器及存储器更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件，例如所述用于有限元模拟的蒸汽荷载加载设备还可以包括输入输出设备、网络接入设备及总线等。

所称处理器可以是中央处理单元(CentralProcessingUnit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(DigitalSignalProcessor，DSP)、专用集成电路(ApplicationSpecificIntegratedCircuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field-ProgrammableGateArray，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等，所述处理器是所述用于有限元模拟的蒸汽荷载加载设备的控制中心，利用各种接口和线路连接整个用于有限元模拟的蒸汽荷载加载设备的各个部分。

所述存储器可用于存储所述计算机程序和/或模块，所述处理器通过运行或执行存储在所述存储器内的计算机程序和/或模块，以及调用存储在存储器内的数据，实现所述用于有限元模拟的蒸汽荷载加载设备的各种功能。

所述存储器可主要包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需的应用程序(比如声音播放功能、图像播放功能等)等；存储数据区可存储根据手机的使用所创建的数据(比如音频数据、电话本等)等。此外，存储器可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如硬盘、内存、插接式硬盘，智能存储卡(SmartMediaCard,SMC)，安全数字(SecureDigital,SD)卡，闪存卡(FlashCard)、至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他易失性固态存储器件。

本实施例还提供了一种计算机可读存储介质，所述用于有限元模拟的蒸汽荷载加载设备集成的模块如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。

基于这样的理解，本发明实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现如下步骤：

获取混凝土模型的温度分布，确定混凝土模型中每个单元中心点的温度分布信息；计算混凝土模型中每个单元的蒸汽压力分布信息；构建空白结果文件，将混凝土模型中每个单元的蒸汽压力分布信息转换为对应单元的三向主应力，并写入空白结果文件，得到蒸汽压力应力场结果文件；将蒸汽压力应力场结果文件，导入混凝土模型中，运行静力平衡分析，得到静力平衡分析结果；根据静力分析结果，提取混凝土模型中各个单元的节点力结果；建立混凝土模型的节点集合，将节点力结果作为荷载对应施加至混凝土模型的每个节点；至此蒸汽荷载加载完成。

其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。

所述计算机可读介质可以包括：能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(ROM，Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM，RandomAccessMemory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。

需要说明的是，所述计算机可读介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减，例如在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，计算机可读介质不包括电载波信号和电信信号。

本发明所述的用于有限元模拟的蒸汽荷载加载方法、系统、设备及介质，由于蒸汽压力和温度具有明确的函数关系，本发明采用温度-蒸汽压力经验公式，通过混凝土模型的温度分布，实现对蒸汽压力的分布信息的确定；通过有限元二次开发，构建空白结果文件，将获取的将混凝土模型中每个单元的蒸汽压力分布信息转换为对应单元的三向主应力，施加给混凝土模型中对应单元，并写入空白结果文件，得到蒸汽压力应力场结果文件；将蒸汽压力应力场结果文件，导入混凝土模型，同时约束混凝土模型每个节点的所有位移自由度，运行静力平衡分析；根据静力平衡分析结果，提取节点力结果并记录节点编号；为每个节点建立集合，其中，每个节点对应的集合名与节点力结果的名称相同，通过修改inp文件，将节点力结果作为荷载施加给每一个节点，至此荷载施加完毕。

本发明所述的用于有限元模拟的蒸汽荷载加载方法，不仅能够用于混凝土蓄热元件中的蒸汽压力应力场的模拟，还能够对涉及到需要施加某种应力场或压力场的模拟；有限元数值模拟中最基本的荷载方式是节点荷载，其他所有形式的荷载最终均需以节点力的形式施加与模型。

本发明中，蒸汽压力在形式上体现为三个方向的主应力，对于二维模型为两个方向的主应力，其为同一值的应力场，应力值大小为蒸汽压力在该节点的值。对于由于材料的塑性特性以及本身存在应力场的情况，蒸汽压力应力场无法直接导入模型来实现荷载的施加，只能通过等效节点力的方式；本发明中，以有限元数值建模中蒸汽压力场荷载的等效试验为目标，通过有限元的二次开发，实现了温度场→蒸汽压力场→等效节点力场的转换，实现了蒸汽压力场等效荷载的施加，方法逻辑清晰，通过有限元二次开发编程能够实现自动化建模，通过等效节点力方式施加蒸汽压力场，精度高，能够极大程度上还原蒸汽压力场的实际数值；通过有限元二次开发实现，能够实现自动化建模，方法效率高；施加过程独立，不需要对几何模型进行修改，同时不影响其他荷载的施加。

上述实施例仅仅是能够实现本发明技术方案的实施方式之一，本发明所要求保护的范围并不仅仅受本实施例的限制，还包括在本发明所公开的技术范围内，任何熟悉本技术领域的技术人员所容易想到的变化、替换及其他实施方式。