1 概述

对于大体积混凝土结构的温度场有限元仿真计算，不少科研单位结合国家“七五”、“八五”和“九五”科技攻关课题，自行编制了大体积混凝土结构的温度场计算程序，开发模式基本都是采用FORTARN语言编制有限元程序库加VB语言制作可视化界面。然而此种开发模式存在前处理不直观、后处理不直接、开发的单元类型有限以及对实体模型和单元的形状有较高要求等，实际应用起来难免有些缺陷。

本文直接在大型商用有限元软件ANSYS的基础上进行二次开发，对已有的资源进行改造扩充以适应各种复杂体型的大体积混凝土结构温度场计算，使大体积混凝土结构的温度场计算仿真程序走向普及和通用。

2 ANSYS软件的优点

ANSYS软件是美国ANSYS公司开发的大型通用商业有限元计算软件，在FEA行业中第一个通过了ISO9001质量认证。ANSYS软件融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体，并可进行多物理场耦合计算，广泛应用于核工业、航空航天、国防军工、土木工程、水利工程等行业的科研和设计。ANSYS具有以下主要特点：

(1)完备的前处理功能。ANSYS不仅提供了强大的实体建模及网格划分工具，可以方便地构建数学模型和有限元模型，而且还提供了近200种单元类型。工程技术人员利用实体建模、网格划分工具及丰富的单元类型可以方便而准确地构建反映实际工程结构的仿真计算模型。

(2)强大的求解器。ANSYS提供了对多种物理场的分析，分析计算模块包括结构、热、流体、磁场、声场以及多物理场的耦合分析，分析的类型包括线性分析、非线性分析和高度非线性分析。另外，ANSYS还可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析等功能。

(3)方便的后处理器，ANSYS软件的后处理包括通用后处理模块POST1和时间历程后处理模块POST26两个部分。通过后处理器可以将计算结果以图表、曲线、动画等形式显示或输出，结果图形显示也有多种方式，如彩色云图、等值线图、矢量图、粒子流迹图、立体切片图、历时曲线图等。

 (4)良好的开放性。ANSYS除了具有较为完善的分析功能外，还具有良好的开放性，它为用户提供了多种进行二次开发的工具，如用户界面设计语言(UIDL)、参数化程序设计语言(APDL)、用户程序特性(UPFs)等。利用这些工具，用户可以根据自己的需要定制、研发专用程序。

本文即是利用ANSYS可二次开发的特点，研究开发大体积混凝土结构的温度场仿真计算程序。

3 ANSYS计算温度场的可行性

3.1 热分析模块

在进行混凝土结构温度场仿真计算时，采用ANSYS热分析模块，运用热平衡方程和有限元法计算各节点的温度。ANSYS热分析可分为稳态传热和瞬态传热，分析混凝土结构不同时刻温度场即是采用瞬态传热。

3.2 混凝土浇筑过程模拟

模拟混凝土浇筑过程可采用ANSYS中的“单元生死”功能。所谓“杀死单元”，并不是将“杀死”的单元从模型中删除，而是将其刚度（或其它分析特性）矩阵乘以一个很小的因子（缺省值为1.0×10^-6）。死单元的单元载荷为0，从而不对载荷向量生效。同样，单元“出生”并不是将其加到模型中，而是将其重新激活。二次开发时用到的命令分别为：

    ekill，whole_structure_element!杀死整个结构单元

    ealive，layer%i%_element!激活第i层混凝土单元

在进行有限元计算时，首先建立完整的混凝土结构、基岩三维有限元模型，然后将混凝土单元全部杀死，再依据混凝士实际的浇筑进度计划，分别激活当前所浇筑混凝土单元。

3.3 采用的单元

ANSYS热分析模块中8节点6面体SOUD70单元，具有3个方向的热传导能力，每个节点仅有一个温度自由度，可以用于三维稳态或瞬态的热分析。SOUD70单元具有“单元生死”功能，可根据浇筑进度分别激活各层混凝土，然后采用DO循环语句控制，施加各层混凝土水化热和对流边界条件。另外，在进行应力分析时，可以很方便地将SOUD70单元转换为结构单元。