基于ANSYS的铁尾矿砂混凝土冻融循环温度应力分析

2020-10-27

四川水泥 2020年10期

（辽宁石油化工大学，辽宁抚顺 113001；重庆交通大学，重庆 404100；武汉科技大学，湖北武汉 430080）

1 基于ansys 的温度场模拟

1.1 材料参数设置

陈秀云2发现40%取代率的C30 铁尾矿砂混凝土的抗压强度，抗拉强度，弹性模量，泊松比，应力—应变关系与普通C30 混凝土最为接近的，本次模拟采用40%替代率的C30 铁尾矿砂混凝土，试样尺寸为φ100mm×200mm，模拟试块放入冻融试验箱进行20 次冻融循环试验，采用慢冻法，一次冻融循环时间T=8h，其中冻结时最低温度Temp1=-20 ℃开始计时，时间为4h；融化时间从冻融箱内温度恒定在最高温度Temp2=20 ℃开始计时，时间为4h。设置铁尾矿砂混凝土材料主要的热物理学性能如下表1所示。

表1 铁尾矿砂混凝土热力学参数

1.2 建模与求解

本文中铁尾矿砂混凝土圆柱体满足几何形状中的对称条件，铁尾矿砂混凝土的外壁受到同样的温度荷载，边界条件，即温度荷载与边界条件也是对称的，可以按照对称问题求解。根据铁尾矿砂混凝土圆柱体的纵截面，建立下图1的ANSYS 模型。

铁尾矿砂混凝土在冻融条件下的模拟使用瞬态热分析法，瞬态热分析用于分析热参数在系统温度场随时间变化时的变化，本模型先使用PLANE55单元实现温度场分析，然后转换温度单元为结构单元PLANE13 来实现温度应力的求解。网格划分采用自由网格划分，每条边的单元数量为20 个。荷载步设置为1 次冻融由1 个冻结荷载步和1 个融化荷载步组成，荷载步设置为阶跃式，子步数量为100，冻融采用DO 循环命令。边界条件选取为第三类边界条件。

通过ANSYS POST1 通用后处理器程序，得到试块在第20 次冻融循环次数后的水平方向及垂直方向的温度应力分布云图，如图2，图3。通过ANSYS POST26 时间—历程后处理器，得到模型上、中、下三个节点的X 向温度应力-时间曲线如图4，图5，图6。

图1 铁尾矿砂混凝土圆柱体有限元模型简化图

图2 20次冻融循环次数后混凝土试样水平向X 应力云图（左：冻结右：融化）

图3 20次冻融循环次数后混凝土试样垂向Y 应力云图（左：冻结右：融化）

图4 上节点X 应力时间曲线

图5 中节点X 应力时间曲线

图6 下节点X 应力时间曲线

2 铁尾矿砂混凝土冻融循环温度应力分析

由20 次冻融循环后铁尾矿砂混凝土试样温度应力云图可以看出：试块温度应力受到外界温度变化的影响大，20 次冻结之后竖直方向温度应力对称分布，混凝土试样左右区域以拉应力为主，且数值较大，上下区域的也存在拉应力，但数值较小。混凝土试样中心区域以压应力为主，数值较拉应力小，如图3（左）所示。20 次融化过程之后，竖直方向拉应力主要分布于试样内部，而压应力主要分布于试样外围，如图3（右）所示。相对比之下，20 次冻结，融化之后混凝土水平方向温度应力也呈现出对称分布，但其内部在冻结，融化时分别产生的压应力，拉应力区域面积比竖直方向温度应力产生的压应力，拉应力区域面积大，如图2所示。

从所选的上中下三个节点的温度应力-时间曲线（图4，图5，图6）可以知道：温度荷载造成的混凝土压应力数值在0～6.0Mpa 之间，拉应力在0～5.5Mpa 之间，试样节点的温度应力随着冻融循环时间的变化也在变化，呈现出铁尾矿砂混凝土受到的拉应力与压应力循环交替变化的特征。但是铁尾矿砂混凝土的极限抗压强度远远大于极限抗拉强度，其极限抗拉强度一般为1～3Mpa，铁尾矿砂混凝土在冻结和融化时的表面产生的拉应力数值超过其极限抗拉强度时，混凝土内部产生的拉应变使混凝土混凝土表观形貌发生劣化，而且主要集中在试样边缘区域，使骨料脱落演化为片落，混凝土质量下降，在混凝土内部循环的温度应力作用下，产生的应变也逐渐变大，冻融损伤开始了，微小的损伤不断积累引起微小裂纹，裂纹逐步叠加扩展使混凝土内部骨料逐渐疏松，宏观力学性能开始下降，直至铁尾矿砂混凝土冻融损伤破坏至失去工作性能。