案例2 - 混凝土拱坝热固耦合分析

1.案例介绍

混凝土拱坝广泛应用于水电站、灌溉工程、防洪工程等领域，是重要的水利水电工程和基础设施之一。它是由混凝土材料构建的一道弯曲或弧形的坝体，用来承担水压力和重力荷载，保持水库的蓄水量和稳定水位，相对于其他坝体具有结构强度高、施工便利、蓄水能力大、地震稳定性好等优点。
混凝土拱坝热力耦合分析对于评估结构的安全性、耐久性和稳定性具有重要意义。它可以指导结构的设计优化、温度控制措施的选择和施工管理，确保拱坝在复杂热环境下的可靠运行和工程质量。

2.流程介绍

• 前处理与求解设置
  • 学习如何导入几何，自动生成网格
  • 学习如何导入模型网格
  • 学习如何设置模型与材料相关选项
  • 学习如何求解计算
• 后处理结果分析展示
  • 结果云图

步骤一：导入网格

进入热力学分析模块，点击“热力学分析”下的“网格”，在类型处选择“上传网格”，点击下面的上传网格将目标网格上传至CAE平台，本案例网格名为dam_MED。如下图所示：

步骤二：设置时变特性

点击“热力学分析”，设置“时变特性”为瞬态，“惯性效应”为动态，系统默认打开“非线性效应”开关

步骤三：接触设置

1）线性接触
点击线性接触后的“+”，设置线性接触1，设置主接触面为体“foundation”，从接触面为面“INTER”,其他选项使用默认设置。

2）非线性接触
本案例没有设置非线性接触

步骤四：单元设置

“单元设置”处选择“手动”，其余采用默认设置。设置如下图所示：

步骤五：全局模型设置

全局模型设置即设置模型的加速度载荷，设置如下图所示：

步骤六：材料设置

材料是有限元计算中必须设置的内容，软件可以通过材料的相关设置组装出模型的质量、刚度等矩阵。
点击材料后的“+”，选择“水泥”，将其命名为“坝体”，修改导热系数和定压比热容，施加位置在体“dam”。

再点击“材料”后的“+”，选择“水泥”，修改导热系数和定压比热容，施加位置在“foundation”。

步骤七：初始条件设置

点击“初始条件”前的“+”，设置全局温度为20度。

步骤八：边界条件和荷载

1）点击“边界条件与载荷”后的“+”，添加边界条件“固定支撑”，施加位置在面“bottom”。设置如下图所示：

2）添加边界“体分布荷载”，三个方向荷载用公式表示，施加位置在“left”和“right”。

3）添加边界“体分布荷载”，三个方向荷载用公式表示，施加位置在“left”和“right”。

4）添加边界“压强”，大小用公式表示，施加面在“upstr”

5）添加边界“温度”，温度用表格形式给出，施加面在“upstr”

6）添加边界“热对流”，环境温度和热传导系数都用表格形式给出，施加面在“downstr”和“top”。

步骤九：求解器设置

求解器采用默认设置如下图所示：

步骤十：时间步设置

设置“结束时间”为1s，最大时间步长设为0.1s，最小时间步长设为0.01s，结果写入时间步设置为“自定义”，写入时间步长设为0.2s，最大计算时间调为7200s。其余使用默认设置。

步骤十一：结果设置&计算

点击结果配置前的“+”，会弹出物理量，打开物理量后的“+”会弹出一部分默认输出的物理量，其余的物理量可以通过点击“物理场”后的“+”。这里需要配置的物理量如图所示：

点击“仿真计算”，开始计算，直至提示成功即可。

步骤十二：结果展示

查看计算结果——点击“结果云图”。在“物理场”下拉菜单中可以设置不同结果的名称。具体结果如下图所示：