混凝土結(jié)構(gòu)施工溫控仿真輔助分析軟件開發(fā)

　　 作者簡介：范吉明（1961-），男，高工，主要從事建筑施工技術(shù)和管理工作
　　通訊作者：強(qiáng)晟（1977-），男，副教授，博士，主要從事混凝土溫控防裂的研究
　　 摘要：目前專門用于混凝土施工期溫控防裂輔助分析軟件較少，而通用的商業(yè)有限元軟件往往要經(jīng)過二次開發(fā)才能對施工期混凝土結(jié)構(gòu)常用的溫控措施進(jìn)行精確仿真，在成熟的溫度場及應(yīng)力場有限元計(jì)算程序基礎(chǔ)上，采用VC、Fortran語言和OpenGL圖形庫編制了便于人機(jī)交互的混凝土結(jié)構(gòu)施工期溫控仿真分析軟件。介紹了該軟件研制方法，各模塊構(gòu)成及主要功能。工程技術(shù)人員可以方便的采用該軟件對各種擬定的溫控方案進(jìn)行仿真及對比分析，從而優(yōu)選出經(jīng)濟(jì)可靠的溫控方案，提高結(jié)構(gòu)的質(zhì)量。
　　關(guān)鍵詞：混凝土溫度場應(yīng)力場施工仿真軟件
　　中圖分類號(hào)：TV315文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1672-3791(2011)06(c)-0000-00
　　
　　目前，大體積混凝土結(jié)構(gòu)已在國內(nèi)外很多大型水利、交通等工程中得到了廣泛的應(yīng)用，其施工期防裂問題日趨受到關(guān)注。但目前專門用于混凝土結(jié)構(gòu)溫度場及應(yīng)力場的仿真計(jì)算軟件較少。商業(yè)軟件如 ANSYS、Marc等，其通用性很好，但針對性較差。這些軟件雖可以模擬混凝土結(jié)構(gòu)溫度場及應(yīng)力場問題，但對于影響因素較多的實(shí)際工程中混凝土結(jié)構(gòu)溫度場及應(yīng)力場計(jì)算實(shí)現(xiàn)較困難，對實(shí)際工程中的溫控措施進(jìn)行精確的仿真需要對該軟件的做相應(yīng)的二次開發(fā)[1]，對于一般的工程技術(shù)人員開展這類工作則很困難。針對該問題，在成熟的Fortran溫度場應(yīng)力場計(jì)算程序基礎(chǔ)上，結(jié)合以往工程經(jīng)驗(yàn)，開發(fā)了基于窗口操作的大體積混凝土溫控仿真輔助分析軟件TCAS。本軟件專門性強(qiáng)，操作簡單，界面友好，可以根據(jù)實(shí)際工程的具體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及施工特點(diǎn)對混凝土結(jié)構(gòu)溫度場及應(yīng)力場進(jìn)行高精度仿真計(jì)算，廣大的工程技術(shù)人員可以利用該軟件對混凝土結(jié)構(gòu)的各種擬定溫控方案進(jìn)行仿真計(jì)算對比分析，優(yōu)選出經(jīng)濟(jì)有效的溫控防裂措施，減少混凝土結(jié)構(gòu)裂縫，提高混凝土結(jié)構(gòu)的安全性能。
　　1 基本原理與技術(shù)
　　1.1基本計(jì)算原理
　　基本計(jì)算原理包括溫度場和應(yīng)力場的計(jì)算。溫度場的核心計(jì)算方法是采用混凝土非穩(wěn)定溫度場的有關(guān)計(jì)算理論和有限元方法[1]。仿真計(jì)算中可以模擬混凝土氣候條件、澆筑溫度控制、外部保溫、分縫分塊等措施。水管冷卻計(jì)算模型能夠迭代計(jì)算冷卻水管沿程水溫的變化，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況更加接近，其計(jì)算精度能夠滿足實(shí)際工程的需要。
　　在應(yīng)力場計(jì)算時(shí)，考慮了徐變、自生體積變形、溫度變化、自重等外部荷載，具體算法采用文獻(xiàn)[1]中推薦的應(yīng)力增量法。根據(jù)這種方法，計(jì)算出每一時(shí)間步的節(jié)點(diǎn)位移增量，從而可以計(jì)算出節(jié)點(diǎn)應(yīng)變值及應(yīng)力值。
　　1.2面向?qū)ο蠹夹g(shù)及開發(fā)工具
　　面向?qū)ο蠓椒ㄊ请S著面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)的發(fā)展而逐步形成的。由于它強(qiáng)調(diào)要按照現(xiàn)實(shí)世界的本來面貌構(gòu)造系統(tǒng)，以對象作為構(gòu)造系統(tǒng)的基礎(chǔ)，并建立了一套描述對象及其相互關(guān)系的概念和圖形工具，提出了一套符合人類認(rèn)識(shí)規(guī)律的方法，從而為解決軟件開發(fā)中存在的一些問題和軟件復(fù)用提供了可能[2]。
　　在軟件編碼實(shí)現(xiàn)時(shí)，采用目前在面向?qū)ο箢I(lǐng)域內(nèi)廣泛應(yīng)用的C++ 語言來構(gòu)建軟件系統(tǒng)[3]。C++語言兼顧C(jī)語言及面向?qū)ο箫L(fēng)格，為利用已有完善的程序代碼資源加快軟件開發(fā)進(jìn)度，其中部分模塊的程序由Fortran 編制，由于這些模塊是功能完整的單元，而且用面向?qū)ο蠹夹g(shù)重構(gòu)，因此對軟件的穩(wěn)定性影響不大。借助于OpenGL來實(shí)現(xiàn)有限元軟件中所有的模型及結(jié)果的顯示問題。OpenGL是一個(gè)開放的三維圖形軟件包，它獨(dú)立于窗口系統(tǒng)和操作系統(tǒng)，以它為基礎(chǔ)開發(fā)的應(yīng)用程序可以十分方便地在各種平臺(tái)間移植，可與Visual C++緊密接口，便于實(shí)現(xiàn)有關(guān)計(jì)算和圖形算法。
　　1.3 混合編程及數(shù)據(jù)共享
　　由于軟件開發(fā)是在現(xiàn)有面向過程的Fortran程序包基礎(chǔ)上進(jìn)行，需要對已有的程序代碼進(jìn)行必要的模塊化改造，利用VC++調(diào)用已有的Fortran 子程序。調(diào)用Fortran 方法較多，但是對已有Fortran 程序修改最小的方法是將Fortran 程序編譯為動(dòng)態(tài)鏈接庫（dll）文件，然后在VC++中調(diào)用包含F(xiàn)ortran 函數(shù)的dll文件。兩種編程語言間數(shù)據(jù)共享問題是一個(gè)無法回避的重要問題，本軟件在開發(fā)過程這種問題尤其突出，由于混凝土澆筑過程中計(jì)算模型不斷變化，信息量變化較大，所以C++與Fortran 之間共享數(shù)據(jù)量較大。本軟件采用文獻(xiàn)[4]提出的數(shù)據(jù)模塊共享方法，用于數(shù)據(jù)在主程序和動(dòng)態(tài)鏈接庫之間的共享。
　　2軟件基本框架及模塊功能介紹
　　TCAS 界面友好操作簡單，界面由主窗口及后臺(tái)輸出窗口兩個(gè)窗口組成，主窗口包含所有操作功能菜單和樹形菜單，后臺(tái)輸出窗口主要是計(jì)算過程和部分操作過程的后臺(tái)信息輸出，可以用來檢查過程中的錯(cuò)誤。軟件的主要模塊包括：前處理模塊、后處理模塊、計(jì)算模塊、輔助分析模塊，幫助模塊構(gòu)成。主要模塊功能均從樹形菜單開始進(jìn)行操作，見圖1。
　　2.1前處理模塊及主要功能
　　前處理模塊主要功能包括混凝土結(jié)構(gòu)有限元模型的建立、冷卻水管二次剖分、混凝土及地基材料的定義及對相應(yīng)網(wǎng)格模型賦值、混凝土結(jié)構(gòu)澆筑層劃分、混凝土澆筑過程設(shè)計(jì)、通水冷卻設(shè)計(jì)、保溫方案設(shè)計(jì)等，見圖2。有限元模型的建立主要是通過建立超單元的方法進(jìn)行（見圖3），為了便于計(jì)算，模型網(wǎng)格盡可能剖分成為六面體單元。為了便于使用本軟件設(shè)計(jì)了材料定義界面，結(jié)合“選擇”功能，可以方便地對所剖分單元賦值材料性質(zhì)；在實(shí)際工程中混凝土結(jié)構(gòu)大部分是多層澆筑完成的，可以利用軟件的“澆筑層定義”及“澆筑過程設(shè)計(jì)”功能來模擬該過程，利用“選擇”工具，整個(gè)模型所有單元均可賦予相應(yīng)的層號(hào)，借助澆筑過程設(shè)計(jì)可以賦予每個(gè)澆筑層相對應(yīng)的“澆筑時(shí)間”及“澆筑溫度”等信息；對澆筑倉面以及結(jié)構(gòu)側(cè)面保溫的模擬通過設(shè)置不同放熱系數(shù)實(shí)現(xiàn)，借助于“保溫方案”可以根據(jù)實(shí)際提供或者反演得到的保溫材料放熱系數(shù)，設(shè)置邊界熱學(xué)條件；通水冷卻過程的模擬主要借助“通水冷卻方案設(shè)計(jì)”這個(gè)功能來實(shí)現(xiàn)，可以根據(jù)實(shí)際的通水過程設(shè)計(jì)相應(yīng)的通水時(shí)間、通水溫度、以及換向時(shí)間等參數(shù)。上文所提及的其他溫控措施均可以通過調(diào)整各種參數(shù)對其進(jìn)行仿真。
　　
　　圖2 主要模塊的樹形菜單 圖3 前處理形成超單元的輸入方式
　　2.2計(jì)算模塊及主要功能
　　計(jì)算模塊主要包含了計(jì)算“步長設(shè)計(jì)”、“溫度場計(jì)算”，“溫度應(yīng)力場計(jì)算”三個(gè)功能。由于采用了溫度場采用了隱式解法應(yīng)力場采用了增量法，故需要在計(jì)算中是設(shè)置計(jì)算步長。為了滿足混凝土結(jié)構(gòu)工程的特點(diǎn)及結(jié)合多年溫控計(jì)算經(jīng)驗(yàn)，本模塊在開發(fā)過程中預(yù)定了步長計(jì)算劃分方案，用戶只需輸入地基及上部混凝土結(jié)構(gòu)計(jì)算總時(shí)間，軟件會(huì)自動(dòng)根據(jù)加層信息及冷卻信息等資料分析計(jì)算出合理的步長分配；為了適應(yīng)反演計(jì)算工作的需要，本程序設(shè)計(jì)了“溫度場計(jì)算”，“溫度應(yīng)力場計(jì)算”兩種計(jì)算模式。前者只計(jì)算溫度場，主要用于根據(jù)實(shí)驗(yàn)參數(shù)人工反演各個(gè)主要的熱學(xué)參數(shù)。后者可進(jìn)行完整的溫度場及應(yīng)力場計(jì)算工作。
　　2.3后處理模塊及主要功能
　　后處理模塊的主要功能有：特征點(diǎn)及特征截面定義、特征點(diǎn)溫度和應(yīng)力歷時(shí)曲線繪制、特征截面溫度和應(yīng)力等值線繪制等。在混凝土溫控仿真計(jì)算結(jié)果分析過程中，需要選擇一些重點(diǎn)“部位”或者重點(diǎn)截面進(jìn)行分析，利用后處理模塊中的“特征點(diǎn)及特征截面定義”功能可以方便的定義特征點(diǎn)及特征截面；根據(jù)定義的特征點(diǎn)坐標(biāo)，以及“變量類型”、“起止時(shí)間”等參數(shù)，利用“特征點(diǎn)歷時(shí)曲線功能”可以方便的繪制出包括溫度及各種應(yīng)力在內(nèi)的單點(diǎn)及多點(diǎn)歷時(shí)曲線。根據(jù)三點(diǎn)定義的特征截面，以及“特征時(shí)間”、“變量類型”等參數(shù)，可以方便地繪制出特征截面的等值線等信息，同時(shí)可以自由設(shè)置等值線的密度及等值線的繪制方案。
　　3 結(jié)語
　　借助于面向?qū)ο缶幊涕_發(fā)工具Visual C++ 6.0，以及圖形庫OpenGL，對成熟的溫度場和應(yīng)力場計(jì)算Fortran 程序包進(jìn)行全面集成以及面向?qū)ο蠡脑?，制作了基于界面操作的專門針對施工期混凝土溫控的輔助分析軟件，降低了混凝土溫控仿真計(jì)算的難度，使得工程技術(shù)人員能夠方便地進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真分析計(jì)算。
　　
　　參考文獻(xiàn)
　　[1] 朱伯芳.大體積混凝土溫度應(yīng)力與溫度控制[M].北京:中國電力