第一篇：285 某宴會(huì)廳內(nèi)氣流組織和溫度場(chǎng)的數(shù)值模擬分析

某宴會(huì)廳內(nèi)氣流組織和溫度場(chǎng)的數(shù)值模擬分析

深圳奧意建筑工程設(shè)計(jì)有限公司 龍娟 王彬 何菁

摘要 本文選定空中華西村宴會(huì)廳為研究對(duì)象。按現(xiàn)行設(shè)計(jì)的空調(diào)送、回風(fēng)形式和風(fēng)口布置位置進(jìn)行CFD模擬研究，直觀展現(xiàn)現(xiàn)行設(shè)計(jì)方案氣流組織及溫度場(chǎng)的分布狀態(tài)，從而對(duì)該宴會(huì)廳空調(diào)方案的改進(jìn)提供實(shí)用的參考依據(jù)。本文對(duì)空中華西村宴會(huì)廳在夏季空調(diào)工況下的氣流組織和溫度場(chǎng)進(jìn)行了分析研究。此次模擬通過(guò)改變送風(fēng)方向來(lái)分析比較送風(fēng)角度如何影響其內(nèi)的氣流組織和溫度場(chǎng)分布，從而指導(dǎo)實(shí)際設(shè)計(jì)。同時(shí)也以此工程實(shí)例顯示了CFD 技術(shù)應(yīng)用于高大空間空調(diào)氣流組織設(shè)計(jì)和分析的強(qiáng)大能力。

關(guān)鍵詞

宴會(huì)廳 氣流組織 溫度場(chǎng) 模擬

本文選定空中華西村宴會(huì)廳為研究對(duì)象。按現(xiàn)行設(shè)計(jì)的空調(diào)送、回風(fēng)形式和風(fēng)口布置位置進(jìn)行CFD模擬研究，直觀展現(xiàn)現(xiàn)行設(shè)計(jì)方案氣流組織及溫度場(chǎng)的分布狀態(tài)，從而對(duì)該宴會(huì)廳空調(diào)方案的改進(jìn)提供實(shí)用的參考依據(jù)。宴會(huì)廳設(shè)計(jì)概況介紹如下： 1 宴會(huì)廳設(shè)計(jì)概況（地點(diǎn)：江蘇無(wú)錫）

宴會(huì)廳空調(diào)通風(fēng)由兩部分組成，按宴會(huì)大廳和主席臺(tái)兩塊區(qū)域劃分為兩個(gè)獨(dú)立的空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)。宴會(huì)大廳面積為2141㎡，人數(shù)1500人；主席臺(tái)面積417㎡，人數(shù)45人。南外窗傳熱系數(shù)：2.51w/(m2·K)1.1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)南外墻傳熱系數(shù)：0.98 w/(m2·K)屋面的傳熱系數(shù)：0.61w/(m2·K)南外窗面積：790㎡ 屋頂面積：2558㎡ 1.2 室外設(shè)計(jì)氣象參數(shù)

冬季空調(diào)室外計(jì)算千球溫度：-5℃ 夏季空調(diào)室外計(jì)算千球溫度：34.6℃ 冬季通風(fēng)室外計(jì)算干球溫度：2℃ 夏季通風(fēng)室外計(jì)算干球溫度：32℃ 夏季空調(diào)室外計(jì)算濕球溫度：28.6℃

大氣壓力：冬季，1025.9hPa；夏季，1004.9hPa 冬季空調(diào)相對(duì)濕度：75% 1.3 室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)

冬季室內(nèi)溫度16℃，相對(duì)濕度60% 夏季室內(nèi)溫度25℃，相對(duì)濕度65% 人均新風(fēng)量：30m3/h.人 單位面積設(shè)備冷負(fù)荷：15w/㎡ 單位面積照明冷負(fù)荷：15 w/㎡ 1.4 負(fù)荷情況

經(jīng)鴻業(yè)軟件計(jì)算得：冷負(fù)荷最大值時(shí)刻出現(xiàn)在13：00 宴會(huì)大廳空調(diào)區(qū)的全熱冷負(fù)荷（含新風(fēng)）：818404W 宴會(huì)大廳空調(diào)區(qū)的全熱冷負(fù)荷（不含新風(fēng)）：339200W 宴會(huì)大廳空調(diào)區(qū)的顯熱冷負(fù)荷：172200W 宴會(huì)大廳的新風(fēng)量：45000 m3/h

主席臺(tái)全熱冷負(fù)荷（含新風(fēng)）：27405W 主席臺(tái)全熱冷負(fù)荷（不含新風(fēng)）：13025W 主席臺(tái)空調(diào)區(qū)的顯熱冷負(fù)荷：8358W 主席臺(tái)的新風(fēng)量：1350 m3/h 1.5 風(fēng)管道空調(diào)系統(tǒng)原設(shè)計(jì)方案

宴會(huì)大廳布置四臺(tái)額定風(fēng)量均為21238m3/h的機(jī)組，空調(diào)機(jī)組對(duì)稱布置，同側(cè)的空調(diào)機(jī)組上下布置，上側(cè)空調(diào)機(jī)組設(shè)置一根環(huán)形送風(fēng)管道，送風(fēng)管道均勻布置16根支管道，每根支管道末端設(shè)球形噴口，噴口中心標(biāo)高7.8米，噴口向上傾斜角度15度，每個(gè)噴口設(shè)計(jì)風(fēng)量為1250 m/h，設(shè)計(jì)風(fēng)速為14.6 m/s，該層噴口負(fù)責(zé)遠(yuǎn)距離的空調(diào)區(qū)域。下側(cè)空調(diào)機(jī)組設(shè)置一根環(huán)形送風(fēng)管道，送風(fēng)管道均勻布置25根支管道，每根支管道末端設(shè)球形噴口，噴口中心標(biāo)高3.3米，噴口水平送風(fēng)，每個(gè)噴口設(shè)計(jì)風(fēng)量為770 m3/h，設(shè)計(jì)風(fēng)速為9m/s，該層噴口負(fù)責(zé)近距離的空調(diào)區(qū)域。同側(cè)的兩臺(tái)空調(diào)機(jī)組共用一個(gè)回風(fēng)井，設(shè)置一根環(huán)形回風(fēng)管道下皮標(biāo)高3m，回風(fēng)總量為39952m3/h。

主席臺(tái)布置一臺(tái)額定風(fēng)量為12912m3/h的機(jī)組，在5.0米高處布置一根送風(fēng)管道，送風(fēng)管道均勻布置10根支管道，每根支管道末端設(shè)球形噴口，每個(gè)噴口設(shè)計(jì)風(fēng)量為1100m3/h，設(shè)計(jì)風(fēng)速為12.8 m/s。主席臺(tái)共兩個(gè)回風(fēng)口，分別設(shè)在送風(fēng)口兩側(cè)，風(fēng)口寬300mm，高3000mm，底標(biāo)高為0.3m，總回風(fēng)量為11562m3/h。

統(tǒng)一排風(fēng)，采用兩臺(tái)風(fēng)量為19500 m/h的排風(fēng)機(jī)設(shè)置于屋頂。

噴口型號(hào)均采用球形噴口DUK-315，該噴口可以自由轉(zhuǎn)動(dòng)角度?；仫L(fēng)口均在環(huán)境壓力、溫度條件下回風(fēng)，新風(fēng)與回風(fēng)混合經(jīng)表冷器處理后送入宴會(huì)廳。2 分析方法和模擬工具

對(duì)于宴會(huì)廳這類高大空間，其空調(diào)送風(fēng)設(shè)計(jì)最大的難點(diǎn)便在于難以預(yù)測(cè)空間內(nèi)氣流流動(dòng)情況，無(wú)法

33在設(shè)計(jì)階段預(yù)知室內(nèi)空氣溫度、速度分布，從而也就很難得到較為正確合理的設(shè)計(jì)。自從20 世紀(jì)70 年代CFD 技術(shù)開始應(yīng)用于室內(nèi)空氣流動(dòng)數(shù)值模擬以來(lái)，CFD 技術(shù)因其快速、廉價(jià)、易于模擬真實(shí)條件等優(yōu)點(diǎn)而越來(lái)越廣泛地用于對(duì)暖通空調(diào)領(lǐng)域內(nèi)的各種流動(dòng)問(wèn)題進(jìn)行模擬。利用CFD 技術(shù)對(duì)大空間的氣流組織形式進(jìn)行數(shù)值模擬[1],可以快速有效地指導(dǎo)設(shè)計(jì)和分析問(wèn)題。文獻(xiàn)[2][3]均是利用CFD技術(shù)對(duì)大空間的氣流組織形式進(jìn)行數(shù)值模擬，從而確定出該高大空間空調(diào)氣流組織的改進(jìn)方案。

本文研究的問(wèn)題屬于室內(nèi)不可壓縮氣體三維穩(wěn)態(tài)問(wèn)題，微分方程中的非穩(wěn)態(tài)項(xiàng)為零。基于空氣湍流特性的微觀解析，主要方法是采用Launder及Spalding等提出的一種平均湍流能量模型k-ε雙方程湍流模型求解方程組。采用k-ε雙方程模型求解湍流對(duì)流換熱問(wèn)題，控制方程包括連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、能量方程及k-ε方程與湍流粘性系數(shù)(turbulent viscosity)ηt公式，其中考慮質(zhì)量力和輻射換熱的作用。

本文對(duì)設(shè)計(jì)方案中夏季空調(diào)工況下大廳內(nèi)流速和溫度分布情況進(jìn)行了詳細(xì)模擬計(jì)算。通過(guò)仔細(xì)的考慮和比較，劃分出質(zhì)量較高的非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格（所有網(wǎng)格最大扭曲率在0.82以下），滿足了精細(xì)計(jì)算的需要，并且為了調(diào)試計(jì)算，分別取得了2種數(shù)量的網(wǎng)格進(jìn)行對(duì)比。邊界條件方面，基本實(shí)現(xiàn)了實(shí)際情況的全模擬：考慮當(dāng)?shù)叵募咀畈焕麣夂蛉仗?yáng)方位角（采用太陽(yáng)輻射追蹤模型）及太陽(yáng)輻射強(qiáng)度：考慮室內(nèi)人員的散熱（作為總熱源，考慮大廳容納1500人時(shí)的散熱情況）；考慮了熱浮升力的影響，這樣可以計(jì)算出冷氣下沉的效果，使得結(jié)果更接近真實(shí)情況。3 結(jié)果分析

利用CFD模擬分析兩種工況：工況一即上層噴口向上傾斜15度；工況二即上層噴口水平送風(fēng)。計(jì)算所得結(jié)果示于后面各圖中，有關(guān)標(biāo)尺已示于圖中。

圖1a,1b表示兩種工況下1.2米高處速度矢量分布圖的對(duì)比，從圖中可以看出宴會(huì)廳中心位置出現(xiàn)漩渦區(qū)，這是正常現(xiàn)象。

圖2a,2b表示兩種工況下1.2米高處速度云圖的對(duì)比，圖中顯示工況二的平均速度偏大。工況一的平均速度較小，較合適。

圖3a,3b表示兩種工況下1.2米高處溫度場(chǎng)云線圖的對(duì)比。工況一的問(wèn)題是宴會(huì)廳中心的溫度和宴會(huì)廳入口處的溫度偏高。但在玻璃幕墻附近區(qū)域，工況一的溫度明顯比工況二要低。對(duì)于工況一來(lái)說(shuō)，需要調(diào)整部分噴口角度來(lái)同時(shí)滿足宴會(huì)廳中心的溫度，宴會(huì)廳入口溫度以及玻璃幕墻附近區(qū)域的溫度。

圖4a,4b表示兩種工況下縱向剖面速度分布圖的對(duì)比。工況一上排噴口冷氣在重力作用下大約呈水平狀態(tài)。工況二上排噴口冷氣在重力作用下呈拋物線下降狀態(tài)。在人員活動(dòng)范圍內(nèi)工況一的平均氣流速度比工況二的要小，說(shuō)明工況一效果比工況二要好。

圖5a,5b表示兩種工況下縱向剖面溫度分布圖的對(duì)比。工況一在2米高的人員活動(dòng)區(qū)域內(nèi)，溫度分布不均勻?？拷鼑娍趨^(qū)的溫度低于遠(yuǎn)離噴口區(qū)的溫度。工況二在2米高的人員活動(dòng)區(qū)域內(nèi)，平均溫度分布較低，筆者認(rèn)為工況二可以減小送風(fēng)量，相對(duì)于工況一節(jié)能。

圖1a 工況一1.2m高處速度矢量圖

圖1b 工況二1.2m高處速度矢量圖

0.1400.20.20.50.40.60.10.20.30.40.50.50.70.10.3300.30.20.1.3.2000.60.40.50.40.4Y0.3200.30.20.10.40.30.10.40.30.30.10.20.40.30.10.40.20.2100.30.10.300.201020X30400.30.10.20.20.30.2圖2a 工況一1.2m高處速度云圖

0.40.40.2 0.050.10.2400.20.40.50.30.0560.0.02.10.5300.40.40.300..34050.0.20.30.40.10.10.20.30.30.50.4Y200.20.50.430.0.30.30.50.10.30.50.440.0.40.050.10.20.0.40.050.20.10.30.20.400.3100.40.10.330.0.40.4201020X300.10.20.050.340 圖2b 工況二1.2m高處速度云圖 297.540297.0297.0297.529729298.030.0292978.0.0297.57.5298.0297.0Y202972929298.0.57.5297.0103005.7.029297.508.298.5308.0297.0297.0001020X3040298.52957.圖3a 工況一1.2m高處溫度場(chǎng)云線圖

40296.5297.030297.0297.0297.0297.0296.5297.5Y202956.296.5297.5297.0298.0297.5296.57.0297310.0310.0298.0001020X30308.040296.529.07.5297.01029 圖3b 工況二1.2m高處溫度場(chǎng)云線圖

4a 工況一縱向截面的速度云圖

4b 工況二縱向截面的速度云圖

圖圖圖5a 工況一縱向截面的溫度云圖

圖5b 工況二縱向截面的溫度云圖

結(jié)論

由前面的計(jì)算分析可以看出，工況一的優(yōu)點(diǎn)：人員活動(dòng)區(qū)域內(nèi)氣流速度場(chǎng)較低，玻璃幕墻附近的溫度場(chǎng)效果較工況二要好。工況一（即上層噴口向上傾斜15度）存在的問(wèn)題：宴會(huì)廳中心的溫度和宴會(huì)廳入口處的溫度偏高；在2米高的人員活動(dòng)區(qū)域內(nèi)工況一的平均溫度偏高于工況二（即上層噴口水平送風(fēng)）的平均溫度。

為了解決宴會(huì)廳中心的溫度和宴會(huì)廳入口處的溫度偏高的問(wèn)題，筆者認(rèn)為應(yīng)把負(fù)責(zé)宴會(huì)廳中心和宴會(huì)廳入口處的噴口的上傾角度調(diào)小，而為了保證玻璃幕墻附近的溫度場(chǎng)滿足設(shè)計(jì)要求，負(fù)責(zé)玻璃幕墻處的上傾角度不變。噴口角度具體要調(diào)成何種角度，需通過(guò)進(jìn)一步地模擬得到。

此次模擬僅通過(guò)改變送風(fēng)方向，來(lái)分析其宴會(huì)廳內(nèi)的氣流組織和溫度場(chǎng)分布的影響。而氣流組織與多種因素有關(guān)，以后將會(huì)繼續(xù)研究送風(fēng)溫度，送風(fēng)速度，負(fù)荷大小等因素對(duì)氣流組織的影響，從而得出較好的設(shè)計(jì)工況以指導(dǎo)實(shí)際設(shè)計(jì)。

本項(xiàng)目由于流動(dòng)和傳熱情況復(fù)雜，熱平衡計(jì)算較為困難，應(yīng)該先做較為完整的熱平衡計(jì)算為模擬的熱邊界條件提供更為準(zhǔn)確的依據(jù)，則結(jié)果更為可靠；結(jié)果的判斷不僅需要更多方案的計(jì)算和提取更多數(shù)據(jù)分析，還需要有類似工程經(jīng)驗(yàn)的工程人員或技術(shù)人員提供進(jìn)一步協(xié)助。

參考文獻(xiàn) 陶文銓.數(shù)值傳熱學(xué)（第二版）[M].西安:西安交通大學(xué)出版社,2001 2 趙彬，李瑩，彥啟森，等.人民大會(huì)堂大禮堂空調(diào)氣流組織現(xiàn)狀的數(shù)值模擬分析與改進(jìn)[J].建筑熱能通風(fēng)空調(diào),2000,(4)：5-8 3 宋巖,鐘如軍,孟繁宇.超大空間氣流組織CFD模擬[J].黑龍江科技學(xué)院學(xué)報(bào),2004,14(5)：293-296

第二篇：地下水?dāng)?shù)值模擬研究進(jìn)展和發(fā)展趨勢(shì)

地下水?dāng)?shù)值模擬研究進(jìn)展與發(fā)展趨勢(shì)

摘要：地下水?dāng)?shù)值模擬的應(yīng)用研究進(jìn)展國(guó)外對(duì)地下水?dāng)?shù)值模擬的研究和應(yīng)用較早，且理論、技術(shù)等各方面相對(duì)成熟，目前已經(jīng)從“水量問(wèn)題”的應(yīng)用研究逐步過(guò)渡到“水質(zhì)問(wèn)題”的應(yīng)用研究上，以解決各種更復(fù)雜的地下水問(wèn)題。國(guó)內(nèi)相關(guān)研究起步較晚、同國(guó)外存在一定的差距，主要應(yīng)用研究在地下水位預(yù)測(cè)、地下水資源開發(fā)利用、地下水循環(huán)機(jī)制研究、地下水資源預(yù)報(bào)評(píng)價(jià)等水量、水位問(wèn)題方面，但在加油站滲漏場(chǎng)、石油滲漏場(chǎng)、垃圾填埋場(chǎng)、工業(yè)廢料填埋場(chǎng)、礦區(qū)、核廢料處置場(chǎng)等污染場(chǎng)地污染物的遷移問(wèn)題方面的應(yīng)用研究逐漸增多，并已取得了一定的成果。

關(guān)鍵詞： 數(shù)值模擬、進(jìn)展、發(fā)展趨勢(shì)

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，科學(xué)有效的數(shù)值計(jì)算方法在處理地下水污染、分析地下水資源評(píng)估等問(wèn)題中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛;利用數(shù)值模擬軟件對(duì)地下水流等問(wèn)題進(jìn)行模擬，以其有效性、靈活性和相對(duì)廉價(jià)性逐漸成為地下水研究領(lǐng)域的一種不可缺少的重要方法［1］。尤其針對(duì)加油站滲漏場(chǎng)、石油滲漏場(chǎng)、垃圾填埋場(chǎng)、工業(yè)廢料填埋場(chǎng)、礦區(qū)、核廢料處置場(chǎng)等污染場(chǎng)地污染物的遷移問(wèn)題，建立準(zhǔn)確的數(shù)值模型進(jìn)行預(yù)測(cè)是查明污染物污染潛水范圍、程度及其分布特征最有效最直觀的方法之一，同時(shí)還可以為污染區(qū)實(shí)施污染防治與修復(fù)等優(yōu)化配置提供科學(xué)技術(shù)支持［2］。

地下水?dāng)?shù)值模擬的應(yīng)用研究進(jìn)展國(guó)外對(duì)地下水?dāng)?shù)值模擬的研究和應(yīng)用較早，且理論、技術(shù)等各方面相對(duì)成熟，目前已經(jīng)從“水量問(wèn)題”的應(yīng)用研究逐步過(guò)渡到“水質(zhì)問(wèn)題”的應(yīng)用研究上，以解決各種更復(fù)雜的地下水問(wèn)題。國(guó)內(nèi)相關(guān)研究起步較晚、同國(guó)外存在一定的差距，主要應(yīng)用研究在地下水位預(yù)測(cè)、地下水資源開發(fā)利用、地下水循環(huán)機(jī)制研究、地下水資源預(yù)報(bào)評(píng)價(jià)等水量、水位問(wèn)題方面，但在加油站滲漏場(chǎng)、石油滲漏場(chǎng)、垃圾填埋場(chǎng)、工業(yè)廢料填埋場(chǎng)、礦區(qū)、核廢料處置場(chǎng)等污染場(chǎng)地污染物的遷移問(wèn)題方面的應(yīng)用研究逐漸增多，并已取得了一定的成果［4］。

近幾十年來(lái)，隨著地下水科學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)的發(fā)展，地下水?dāng)?shù)值模擬也得到了快速發(fā)展，主要體現(xiàn)在：加拿大Borden基地、美國(guó)Cape Cod基地與Columbus基地開展的大型野外試驗(yàn)場(chǎng)研究，大大豐富了地下水溶質(zhì)運(yùn)移的理論和方法，取得不少新的認(rèn)識(shí)，并為發(fā)展和檢驗(yàn)溶質(zhì)運(yùn)移理論和相應(yīng)數(shù)學(xué)模型提供了大量數(shù)據(jù)（MacKay et al，1986； LeBlanc et al，1991； Bogga et al，1992；Zheng and Gorelick，2003）；隨機(jī)方法在非均質(zhì)介質(zhì)滲流和溶質(zhì)運(yùn)移的模擬中得到比較多的應(yīng)用，從而加深、甚至改變了人們對(duì)此類介質(zhì)中流體運(yùn)動(dòng)和溶質(zhì)運(yùn)移的認(rèn)識(shí)（Dagan and Neuman，1997； Zhang D，2002）；通過(guò)多孔介質(zhì)中水流運(yùn)動(dòng)、溶質(zhì)運(yùn)移和化學(xué)反應(yīng)，甚至生物過(guò)程的耦合建立模型來(lái)集成地研究這些過(guò)程也取得很多進(jìn)展（van Genuchten and Sudicky，1999； Yeh and Tripathi，1989； Barry et al，2002）。此外，計(jì)算方法也取得不少進(jìn)展，但溶質(zhì)運(yùn)移模擬中數(shù)值彌散和振蕩問(wèn)題的解決和地下水模擬逆問(wèn)題的求解進(jìn)展比較緩慢（Sun and Yeh，2007）。

由于種種原因，國(guó)內(nèi)地下水?dāng)?shù)值模擬開展得比較晚，始于20世紀(jì)70年代初，當(dāng)時(shí)文化大革命還沒(méi)有結(jié)束，所以從事這項(xiàng)工作困難重重，而且人也不多，主要來(lái)自高等學(xué)校和研究部門，以后才逐步擴(kuò)展到產(chǎn)業(yè)部門。為了加快我國(guó)地下水?dāng)?shù)值模擬的發(fā)展，深切感到有必要

開展相互交流。于是利用一次在水文地質(zhì)工程地質(zhì)研究所開會(huì)的機(jī)會(huì)，在張宗祜所長(zhǎng)的支持下，以肖樹鐵教授為首的幾個(gè)人（肖樹鐵、張蔚榛、薛禹群等）進(jìn)行了醞釀，考慮到當(dāng)時(shí)文化大革命結(jié)束不久，還是不成立什么組織為好，不定期在一起碰個(gè)頭，達(dá)到交流的目的就行了。參加人不要太多，也不叫誰(shuí)負(fù)責(zé)。商定邀請(qǐng)參加的人有：肖樹鐵、謝春紅、孫訥正、陳明佑、楊天行、張蔚榛、薛禹群、張宏仁、崔光中、李文淵、陳雨蓀、許涓銘、劉金山等（少數(shù)被邀請(qǐng)人沒(méi)有來(lái)，未列入名單的來(lái)了），水文所當(dāng)時(shí)不好定人員名單，決定每次請(qǐng)張宗祜所長(zhǎng)指定。每年輪流在一個(gè)成員所在地或由他選定的地方開交流會(huì)，交流國(guó)內(nèi)外最新研究?jī)?nèi)容和進(jìn)展、以及個(gè)人最近研究的心得體會(huì)或成果。交流活動(dòng)按此原則進(jìn)行之后，效果很好，也得到各方面人士的支持、肯定，有人稱之為“神仙會(huì)”。進(jìn)入80年代中期后，各類學(xué)會(huì)逐 漸恢復(fù)活動(dòng)，這種最初的交流活動(dòng)形式也就完成了它的歷史使命，在清華大學(xué)數(shù)學(xué)系舉行最后一次學(xué)術(shù)交流后就停止了?，F(xiàn)在回想起來(lái)，成員有數(shù)學(xué)家、水文地質(zhì)學(xué)家、水動(dòng)力學(xué)家的這些活動(dòng)具有鮮明的學(xué)科交叉特點(diǎn)，數(shù)學(xué)家對(duì)我國(guó)早期地下水模擬的開展起了很好的幫扶、促進(jìn)作用，可以少走彎路，加快它的健康發(fā)展，對(duì)國(guó)內(nèi)出現(xiàn)的少數(shù)不正確的苗頭也通過(guò)交流取得共識(shí)。我國(guó)地下水模擬所以能夠很快趕上國(guó)際先進(jìn)水平，筆者認(rèn)為和這個(gè)“神仙會(huì)”在早期為它奠定良好且正確的基礎(chǔ)是密不可分的。

二、三十年過(guò)去了，當(dāng)年的參加者都已進(jìn)入古稀之年，個(gè)別已作古，不少記憶已經(jīng)模糊，這段歷史寫在這兒或許有益，也可供后人評(píng)述。目前我國(guó)地下水?dāng)?shù)值模擬的應(yīng)用已遍及與地下水有關(guān)的各個(gè)領(lǐng)域，各類模型的研制能夠滿足國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的需要，國(guó)際上出現(xiàn)的各類模型在中國(guó)基本上都有了，如各類常系數(shù)、變系數(shù)水流模型（薛禹等群，2007）、地下水污染模型（林學(xué)鈺等，1985；薛禹群等，1997）、海水入侵模型（Xue et al，1995）、高濃度（>100～200 g/L）咸/鹵水入侵模型（張永祥，1997；張勇等，1999）、地下水中某些組分運(yùn)移行為的模型（如海水入侵條件下，交換陽(yáng)離子運(yùn)移行為模型）（Wu et al，1996）、大區(qū)域地面沉降模型（面積超過(guò)17 000 km2）（薛禹群等，2008）、地下水中熱量運(yùn)移和含水層貯能模型（Xue et al，1990）、地下水資源管理模型（吳劍鋒等，1999）和井渠合理布局模型（李恩羊，1982；張慧春，1989）、各類壩體滲漏模型（毛昶熙，1999）、渠道滲漏模型、地下水-地表水聯(lián)合評(píng)價(jià)調(diào)度模型等等。運(yùn)移和化學(xué)反應(yīng)耦合模型以及其他一些耦合模型也有人著手考慮了。上述模型中有些水平比較高，和國(guó)際高水平模型基本上處于同一水平。它們涉及的地質(zhì)條件多種多樣，有潛水，也有承壓水，有單個(gè)含水層，也有多個(gè)含水層存在越流的情況，以及種種復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造和巖相變化等。它們有二維的，也有三維的和準(zhǔn)三維的。國(guó)外各類數(shù)值方法國(guó)內(nèi)均有應(yīng)用，少數(shù)數(shù)值方法還是將國(guó)外數(shù)學(xué)家的構(gòu)思加以完善后直接應(yīng)用于地下水模擬的（Ye et al，2004）、或由中國(guó)學(xué)者直接構(gòu)思完成的，因而遠(yuǎn)早于國(guó)外水文地質(zhì)學(xué)者（Xue，1985；薛禹群等，1980）。隨機(jī)水文地質(zhì)的研究雖然起步較晚，但從無(wú)到有，成果比較突出，基本能跟上國(guó)外同類研究的步伐。但一般只是跟蹤性研究，僅在個(gè)別領(lǐng)域接近國(guó)際前沿［3］。

如何考慮在下個(gè)十年應(yīng)該優(yōu)先發(fā)展的領(lǐng)域是值得我們思考的，很多國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)提出了很好的建議（中國(guó)地下水科學(xué)戰(zhàn)略研究小組，2009；中國(guó)科學(xué)院地學(xué)部地球科學(xué)發(fā)展戰(zhàn)略研究組，2008），筆者只是在這兒做些補(bǔ)充或拾遺補(bǔ)漏。要討論這個(gè)問(wèn)題，首先要確定如何來(lái)遴選，原則是什么。遴選優(yōu)先發(fā)展領(lǐng)域時(shí)先要考慮我國(guó)地下水科學(xué)的戰(zhàn)略定位是什么。我想應(yīng)該是：在21世紀(jì)的整個(gè)地學(xué)發(fā)展中有所作為，為國(guó)家的可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)支持；取得地下水研究重大突破為目標(biāo)，做出與中國(guó)作為世界大國(guó)身份相稱的貢獻(xiàn)；為保證國(guó)家社會(huì)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展安全供水，提供一定的資源量，實(shí)現(xiàn)地下水資源的可持續(xù)利用。同時(shí)，還要關(guān)注和參與當(dāng)前國(guó)際水文地質(zhì)學(xué)界關(guān)心的前沿科學(xué)問(wèn)題。這是我們的定位，也是我們的展望。遴選時(shí)既要著眼于我國(guó)地下水科學(xué)需要解決的核心科學(xué)問(wèn)題，又要考慮當(dāng)前國(guó)際前沿科學(xué)問(wèn)題。當(dāng)前水文地質(zhì)學(xué)需要解決的核心科學(xué)問(wèn)題主要有：（1）地下水環(huán)境的演化和發(fā)展趨勢(shì)；

（2）地下水循環(huán)和地下水資源的可持續(xù)利用；（3）人類活動(dòng)與地下水環(huán)境。1 期薛禹群：

中國(guó)地下水?dāng)?shù)值模擬的現(xiàn)狀與展望5水文地質(zhì)學(xué)需要解決的核心科學(xué)問(wèn)題找到后，解決其中涉及的地下水模擬問(wèn)題就是我們需要優(yōu)先研究的領(lǐng)域。其次，需要關(guān)注的就是當(dāng)前國(guó)際前沿科學(xué)問(wèn)題。綜合上述情況，可以遴選出需要優(yōu)先研究的領(lǐng)域如下。

1）區(qū)域尺度不同地域單元地下水循環(huán)過(guò)程及其演化趨勢(shì)的數(shù)值模擬

查明區(qū)域尺度地下水循環(huán)過(guò)程及其演化趨勢(shì)，在此基礎(chǔ)上開展整個(gè)盆地大尺度水流和溶質(zhì)運(yùn)移過(guò)程的模擬，才有可能正確評(píng)估地下水的補(bǔ)給量，合理確定開采量，為整個(gè)盆地地下水資源的可持續(xù)利用奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

2）地下水污染的形成機(jī)理，各類污染物（包括微生物、無(wú)機(jī)、有機(jī)）在地下水中的運(yùn)移行為的模擬

地下水污染問(wèn)題日益嚴(yán)重，查明各類污染物在地下水中運(yùn)移行為、有機(jī)污染物的生物降解過(guò)程、金屬污染物及放射性核素的生物修復(fù)過(guò)程，并在此基礎(chǔ)上賞試通過(guò)模擬來(lái)再現(xiàn)這些過(guò)程，以便找出更有效的修復(fù)技術(shù)。

3）水文地質(zhì)參數(shù)非平穩(wěn)場(chǎng)的時(shí)空變異性和尺度效應(yīng)

這是當(dāng)前國(guó)際前沿研究課題，我國(guó)還很薄弱，加速這方面的研究不僅是實(shí)際需要，也有助于我們追趕國(guó)際先進(jìn)水平。

4）含水層非均質(zhì)性對(duì)地下水流動(dòng)和污染物運(yùn)移的影響，隨機(jī)理論的研究和應(yīng)用這也是當(dāng)前國(guó)際前沿研究課題，我國(guó)也很薄弱，加速這方面的研究是必要的。

5）地下水開發(fā)利用所引起的各類環(huán)境問(wèn)題（地面沉降、地裂縫、海水入侵等）的模擬和預(yù)測(cè)

我國(guó)幅員遼闊，地質(zhì)情況復(fù)雜，現(xiàn)有模型遠(yuǎn)不能滿足各地生產(chǎn)實(shí)際的需要，何況有些模型，如地裂縫模型、反映生態(tài)平衡破壞的模型在我國(guó)還屬空白。指望依靠國(guó)外商用軟件來(lái)解決所有這些問(wèn)題是要失望的。因此，從各地實(shí)際情況出發(fā)，研究符合中國(guó)國(guó)情的各類模型是當(dāng)務(wù)之急，以便為預(yù)測(cè)和調(diào)控提供技術(shù)支撐。

6）地下水可持續(xù)利用、科學(xué)管理與決策模型

過(guò)量開采和不合理開采地下水已給我國(guó)地下水造成一系列復(fù)雜的環(huán)境問(wèn)題和生態(tài)平衡破壞，為保證地下水的長(zhǎng)期、穩(wěn)定的可持續(xù)供給以滿足日益增長(zhǎng)的國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求已成為非常緊迫的問(wèn)題，為此盆地尺度地下水資源的可持續(xù)性科學(xué)管理和決策模型的研究將成為重要的研究方向。

7）隨著石油制品的滲漏，引起人們關(guān)注的非飽和帶多相流問(wèn)題和介質(zhì)非均質(zhì)性非飽和帶中的水流和溶質(zhì)運(yùn)移過(guò)程直接影響與它相通的飽和帶中的水流和溶質(zhì)運(yùn)移過(guò)程；人類活動(dòng)則通過(guò)非飽和帶間接影響地下水系統(tǒng)；反過(guò)來(lái)，地下水對(duì)地表水和生態(tài)系統(tǒng)的影響又要通過(guò)非飽和帶傳遞，因而，非飽和帶成為研究地下水必須關(guān)注的領(lǐng)域。

8）地下水模擬中逆問(wèn)題的研究

由于含水層地質(zhì)結(jié)構(gòu)通常比較復(fù)雜、尺度多種多樣，因而給解地下水模擬的逆問(wèn)題帶來(lái)很多困難，甚至成為建立和應(yīng)用數(shù)學(xué)模型的瓶頸，需要對(duì)模型結(jié)構(gòu)的確定、尺度選擇、參數(shù)識(shí)別、可靠性分析等問(wèn)題加強(qiáng)研究，盡快取得突破。

為了中國(guó)地下水模擬領(lǐng)域的發(fā)展，迎頭趕上國(guó)際前進(jìn)的步伐，有必要積極組織開展以上各方面的研究。很好完成這些項(xiàng)目以后，相信我國(guó)的地下水模擬事業(yè)必然會(huì)更上一層樓，到達(dá)一個(gè)新的水平，有可能普遍接近，而在一些領(lǐng)域則達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，做出與中國(guó)國(guó)際地位相應(yīng)的貢獻(xiàn)［3］。

參考文獻(xiàn)

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第三篇：典型流道液流特性的數(shù)值模擬分析

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典型流道液流特性的數(shù)值模擬分析

作者：馬慧良

來(lái)源：《電子世界》2012年第14期

【摘要】本文首先介紹了流動(dòng)阻力的成因及分類、局部損失的產(chǎn)生及減阻措施，然后應(yīng)用CFD方法對(duì)液壓管路中存在的一些典型結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，研究流道對(duì)能量損失的影響。

【關(guān)鍵詞】粘性流體；數(shù)值模擬；局部損失

1.引言

實(shí)際流體都是具有粘性的，故又稱為粘性流體。有資料表明，在一個(gè)液壓系統(tǒng)中，液流阻力所產(chǎn)生的能耗在整個(gè)系統(tǒng)無(wú)功能耗中占了很大比例。究其原因，是由于液阻和液阻管路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理。在液壓系統(tǒng)中，不合理的管路流道形式及尺寸大小都在一定程度上降低了液壓系統(tǒng)的能量利用率。

2.管路中流動(dòng)阻力的成因及分類

管路中導(dǎo)致流動(dòng)阻力原因很多。首先，流體之間摩擦和摻混可視為內(nèi)部原因，所形成的阻力稱為內(nèi)部阻力，記為Fi，其大小主要受管道直徑、流量和流體粘度的影響；其次，流體與管壁之間的摩擦和撞擊可視為外部原因，所形成的阻力稱為外部阻力，記為F0，其大小主要由液流與管壁的接觸面積、管壁的粗糙程度和流量決定。

流體沿管路流動(dòng)時(shí)，一方面，由于流體的粘性在直管段內(nèi)所產(chǎn)生的粘性切應(yīng)力將阻止流體的流動(dòng)；另一方面，在管路中的閥門、彎頭等各種不同類型的局部管件處將形成漩渦，產(chǎn)生額外的阻力。因此，可將流動(dòng)阻力劃分成以下兩類：

(1)沿程阻力與沿程水頭損失

流體沿均一直徑的直管段流動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的阻力，稱為沿程阻力。克服沿程阻力所產(chǎn)生的水頭損失，稱為沿程水頭損失，用表示。

(2)局部阻力與局部水頭損失

流體流過(guò)局部管件時(shí)所產(chǎn)生的阻力，稱為局部阻力?？朔植孔枇λa(chǎn)生的水頭損失稱為局部水頭損失，用表示。

在既有直管段，又有彎頭、閥門和變徑接頭等局部構(gòu)件的管路上，流體流過(guò)這樣的管路時(shí)會(huì)產(chǎn)生沿程水頭損失和局部水頭損失。因此，總的水頭損失應(yīng)為各直管段的沿程水頭損失與所有局部管件的局部水頭損失之和，即=∑+∑。

3.局部損失的產(chǎn)生及減阻措施

實(shí)際管道中還要安裝彎頭、三通、閘閥、變徑管等管道配件，流體流經(jīng)這些配件處時(shí)，由于固體邊壁或流量的改變，使均勻流狀態(tài)發(fā)生變化，從而引起流速的方向、大小以及斷面流速分布的變化，因而在局部管件處會(huì)產(chǎn)生集中的局部阻力，流體因克服局部阻力摩擦導(dǎo)致的能量損失，稱為局部損失。

管道中產(chǎn)生局部損失的管道配件種類繁多，形狀各異，再加上由于邊界面的變化，使流體流動(dòng)發(fā)生急劇變形，因此大多數(shù)局部阻礙的能量損失計(jì)算，無(wú)法從理論上進(jìn)行推導(dǎo)和證明，必須通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)測(cè)定局部阻力系數(shù)，以解決管路中的水力計(jì)算問(wèn)題。

減小管中流體運(yùn)動(dòng)的阻力有兩種完全不同的方式：一是通過(guò)改變流體邊界條件來(lái)減小局部阻力；二是通過(guò)流體中加入一些添加劑，通過(guò)改變流體運(yùn)動(dòng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)達(dá)到減阻目的。下面介紹改變流體邊界條件的減阻措施：

(1)減小管壁的粗糙度，從而減小管道阻力。在實(shí)際工程中對(duì)鋼管、鑄鐵管內(nèi)部噴涂的工藝，既可達(dá)到管道防腐的目的，又可減小管道阻力。另外隨著管道材料的多樣化，采用塑料管道、玻璃鋼管道代替金屬管道也可達(dá)到很好的效果。

(2)改變流體外邊界條件，防止旋渦區(qū)的產(chǎn)生或者降低旋渦區(qū)的強(qiáng)度，是減小局部損失的重要措施。

4.典型流道流場(chǎng)的數(shù)值模擬與分析

局部損失與沿程損失一樣，流態(tài)對(duì)局部阻力會(huì)產(chǎn)生很大的影響，但要使流體在流經(jīng)管道配件處受到固體邊壁強(qiáng)烈干擾的情況下，仍能保持層流，就要求Re遠(yuǎn)比2000小的情況下才有可能。而實(shí)際管道中，這種情況是極少出現(xiàn)的。所以我們只介紹紊流的局部損失。為了探討紊流局部損失的成因，本文以T型管為例，應(yīng)用CFD方法分析其液體流動(dòng)情況，并在此基礎(chǔ)上提出正確、合理的設(shè)計(jì)方案。其他典型結(jié)構(gòu)的分析可以采用相同的方法。

根據(jù)T型管路的幾何特性，其油液流動(dòng)方向有四種種情況，兩種分流，兩種合流。分別表示為如圖

1、圖

3、圖5和圖7。

(1)分流

通常情況下，分流的主要損失是由流體在分流處突然擴(kuò)散時(shí)的沖擊損失、分支管路中流體的轉(zhuǎn)向損失、在分支管路中的擴(kuò)散損失組成。

通過(guò)圖1可以看出，由于流體的轉(zhuǎn)彎，不可避免的要出現(xiàn)從轉(zhuǎn)彎曲率中心向管子外側(cè)的離心力，這就使得轉(zhuǎn)彎處外側(cè)壁壓力增高，內(nèi)側(cè)壁壓力降低，根據(jù)伯努利方程可知在外側(cè)壁附近流速將減小，而內(nèi)側(cè)壁速度增加。因此，外側(cè)壁出現(xiàn)擴(kuò)散效應(yīng)，導(dǎo)致流體脫離內(nèi)側(cè)壁面；在靠

近內(nèi)側(cè)壁處則出現(xiàn)收縮效應(yīng)，引起渦流，從而造成很大的壓力損失。同時(shí)，我們看到在T型管的拐彎處出現(xiàn)最大應(yīng)力且應(yīng)力集中在那里，很容易導(dǎo)致管路破裂。

圖2是將直角轉(zhuǎn)彎處改進(jìn)為圓角過(guò)渡的仿真結(jié)果，從圖中可以看出，轉(zhuǎn)彎處改為圓角之后，應(yīng)力集中處的壓力得以分散，且分流后流速均勻，因此圓角轉(zhuǎn)彎大大緩和了流體的分離，使阻力降低。

B型分流及其改進(jìn)后的壓力、速度云圖如圖

3、圖4。

(2)合流

T型管路合流的主要損失是由兩支不同速度流的紊流混合損失、從分支管路進(jìn)入主管路的轉(zhuǎn)向損失、經(jīng)過(guò)直角轉(zhuǎn)彎后突然收縮損失等組成。

通過(guò)對(duì)比圖5和圖6，圖7和圖8中的壓力云圖和速度云圖可知，在T型管中，圓弧過(guò)渡直角轉(zhuǎn)彎的低局部阻力系數(shù)主要是由于在圓弧管道內(nèi)速度梯度變化小，幾乎沒(méi)有液流的分離、附壁與脫流的過(guò)程，也減少了產(chǎn)生能耗的渦旋的形成。因此在對(duì)液壓管路中，應(yīng)考慮采用有圓角過(guò)渡的流道設(shè)計(jì)，以降低流道液阻，即降低系統(tǒng)能耗。

5.結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了流動(dòng)阻力的成因及分類、局部損失的產(chǎn)生及減阻措施，并應(yīng)用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)以典型流道T型管為例進(jìn)行了流場(chǎng)模擬研究。通過(guò)數(shù)值模擬得到T型流道的壓力云圖、速度云圖，分析了流體流動(dòng)在典型流道中擴(kuò)散、收縮產(chǎn)生的位置，以及壓降損失成因，同時(shí)還初步探討了流道中典型結(jié)構(gòu)的改進(jìn)對(duì)系統(tǒng)特性的影響。

參考文獻(xiàn)

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第四篇：地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)

地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)

郝治福，康紹忠

(中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)中國(guó)農(nóng)業(yè)水問(wèn)題研究中心)

目前地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬方法主要有有限差分法(FDM)、有限單元法(FEM)、邊界元法(BEM)和有限分析法(FAM)等。20世紀(jì)60年代中期以來(lái)，隨著快速大容量電子計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)和廣泛應(yīng)用，數(shù)值計(jì)算方法在地下水資源分析評(píng)價(jià)中得到逐步推廣，具有明顯的通用性和廣泛的適用性。尤其近十幾年，地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬取得了長(zhǎng)足進(jìn)步。

一、國(guó)外地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬研究現(xiàn)狀

目前，國(guó)外該領(lǐng)域的研究主要針對(duì)數(shù)值模擬法的薄弱環(huán)節(jié)，提出新的思維方法，采用新的數(shù)學(xué)工具，分析不同尺度下的變化情況，合理地描述地下水系統(tǒng)中大量的不確定性和模糊因素。

1、該領(lǐng)域科學(xué)家在地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬的工作程序、步驟方面達(dá)成了一致，強(qiáng)調(diào)對(duì)水文地質(zhì)條件合理概化的重要性，并深入探討尺度轉(zhuǎn)換問(wèn)題和量化不確定因素問(wèn)題。

根據(jù)Anderson等提出的工作程序，要建立一個(gè)正確且有意義的地下水系統(tǒng)數(shù)值模型，應(yīng)進(jìn)行以下工作：確定模型目標(biāo)，建立水文地質(zhì)概念模型，建立數(shù)學(xué)模型，模型設(shè)計(jì)及模型求解，模型校正，校正靈敏度分析，模型驗(yàn)證和預(yù)報(bào)，預(yù)報(bào)靈敏度分析，模型設(shè)計(jì)與模型結(jié)果的給出，模型后續(xù)檢查以及模型的再設(shè)計(jì)。Ewing提出地下水污染流模擬和建模需要強(qiáng)調(diào)3個(gè)方面的問(wèn)題：①有效地模擬復(fù)雜的流體之間以及流體與巖石之間的相互作用； ②必須發(fā)展準(zhǔn)確的離散技術(shù)，保留模型重要的物理特性；③發(fā)揮計(jì)算機(jī)技術(shù)體系的潛力，提供有效的數(shù)值求解算法。針對(duì)Newman等的推測(cè)，Wood提出了二維地下水運(yùn)動(dòng)有限元計(jì)算的時(shí)間步長(zhǎng)條件。Kim等對(duì)抽取地下水造成的noordbergum effect(reverse waterlevel fluctuation)現(xiàn)象進(jìn)行數(shù)值模擬，闡述了其機(jī)理性原因。Scheibe等分析了在不同尺度下的地下水流及其運(yùn)移行為。Ghassemi指出三維模型可以詳細(xì)說(shuō)明含水層系統(tǒng)的三維邊界條件以及抽水應(yīng)力情況，而二維模型就不能恰當(dāng)處理。Porter等指出DFM(data fusion modeling)可以量化各種各樣的水文學(xué)、地質(zhì)學(xué)和地球物理學(xué)的數(shù)據(jù)及模型的不確定性，可以用于地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬的數(shù)據(jù)整合和模型校準(zhǔn)。Mazzia等提出特別的數(shù)值方法用于求解重鹽地下水運(yùn)移模擬的二維非線性動(dòng)力學(xué)控制方程，效果很好。Li Shu-guang等指出數(shù)值模型還不能解決預(yù)報(bào)的不確定性因素問(wèn)題，并開創(chuàng)性地提出一種隨機(jī)地下水模型，可以解決均值分布和小尺度過(guò)程的不同尺度問(wèn)題。Mehl等提出二維局部網(wǎng)格細(xì)分法的有限差分地下水模型，提供了新的插值和錯(cuò)誤分析的方法。模擬結(jié)果的可靠性得到了提高。

2、國(guó)外開發(fā)了許多功能多樣的地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬軟件，以其模塊化、可視化、交

互性、求解方法多樣化等特點(diǎn)得到廣泛的使用，尤其MODFLOW，據(jù)美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局統(tǒng)計(jì)，MODFLOW幾乎占地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬軟件總應(yīng)用次數(shù)的一半，這些年其功能更是不斷完善。地理信息系統(tǒng)(GIS)與地下水模型的整合強(qiáng)化了數(shù)據(jù)的輸入、傳遞、方案調(diào)整和空間分析等。遙感(RS)提供了判斷地質(zhì)邊界、地貌單元和估算地表蒸發(fā)等的工具。地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬模型與相關(guān)領(lǐng)域模型的耦合更擴(kuò)展了其發(fā)展空間，可以解決更多的實(shí)際問(wèn)題。

Juan等運(yùn)用ARC/INFO和MODFLOW模擬了美國(guó)Jackson Hole地區(qū)的沖積含水層，并通過(guò)補(bǔ)給、排泄和水均衡的評(píng)估對(duì)模型進(jìn)行了合理的校準(zhǔn)。Winston專門介紹了許多MODFLOW相關(guān)的免費(fèi)和共享的網(wǎng)絡(luò)資源，為人們學(xué)習(xí)和應(yīng)用該軟件提供了方便。Olsthoorn指出基于有限差分法的MODFLOW與基于解析元法的MLAEM模型都各有優(yōu)勢(shì)，MODFLOW的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)更易于實(shí)現(xiàn)與GIS的整合。Harrington等運(yùn)用CMC(compartmental mixing-cell)和MODFLOW模擬區(qū)域地下水系統(tǒng)的水化學(xué)和同位素變化情況，并強(qiáng)調(diào)了做細(xì)致準(zhǔn)確的穩(wěn)態(tài)流分析對(duì)于瞬時(shí)流分析的重要性。Brodie使用RDBMS(a relational database management system)存儲(chǔ)鉆孔資料，設(shè)計(jì)GIS管理空間數(shù)據(jù)資料，有很好的推廣價(jià)值。Ataie-Ashtiani 等運(yùn)用基于有限元的二維數(shù)值模型SUTRA模擬含水層邊界條件周期性變化的地下水流，對(duì)基本方程和模型進(jìn)行相應(yīng)的修改，得到了很好的模擬結(jié)果。Wingle介紹了UNCERT模型，該模型可用于地下水流和污染物運(yùn)移模擬，得到相關(guān)行業(yè)研究人員的一致認(rèn)可并廣泛使用。Ramireddygari等通過(guò)對(duì)POTYLDR地表水模型與MODFLOW地下水模型的修改并增強(qiáng)，用于模擬WetWalnut Creek流域。Osman等使用改進(jìn)的MODFLOW代碼和MOBFLOW模型，模擬得出地下水滲流和含水層情況，與用SWMS-2D所做結(jié)果吻合很好。Samani等指出軸對(duì)稱井流是地下水力學(xué)非常重要的課題，新出版的MODFLOW 2000加入了精確模擬軸對(duì)稱井流的標(biāo)定方法，提高了模擬的仿真性。Dahan等提出多變量混和單元模型描述水化學(xué)過(guò)程，MODFLOW模擬水文地質(zhì)情況，兩種方法的結(jié)合不但可以模擬水頭變化，而且可以模擬反映地球化學(xué)特征的地下水流線。Facchi等建立滲流地帶模擬與基于MODFLOW的地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬耦合模型，用GIS來(lái)控制空間分布式參數(shù)以及輸入和輸出值，與其他類似模型不同的是可以評(píng)估作物水分消耗值在時(shí)間和空間上的分布情況。

研究人員廣泛應(yīng)用地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬軟件和3S技術(shù)，在應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，使功能不斷加強(qiáng)，并通過(guò)與其他模型耦合發(fā)揮其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。

二、國(guó)內(nèi)地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬研究現(xiàn)狀

1、近幾年，隨著新技術(shù)、新方法的廣泛應(yīng)用，我國(guó)該領(lǐng)域科學(xué)家也做了大量的工作，在建立地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬模型中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，在理論和方法上不斷創(chuàng)新，通過(guò)數(shù)值模型理論與相關(guān)研究方向的理論結(jié)合，不斷提高模擬結(jié)果的可靠性。

陳家軍等指出在進(jìn)行區(qū)域地下水位估值時(shí)線性漂移的泛克立格法即可取得很好的效

果。卞錦宇等較好地解決了相對(duì)隔水層缺失區(qū)越流系數(shù)無(wú)法調(diào)試的問(wèn)題。王瑋提出了用人工查點(diǎn)法、半自動(dòng)查點(diǎn)法、數(shù)字化地形圖提取法等獲取數(shù)字高程模型(DEM)的方法，并給出了通過(guò)數(shù)字高程模型計(jì)算節(jié)點(diǎn)地面標(biāo)高的方法。盧文喜對(duì)地下水運(yùn)動(dòng)數(shù)值模擬中的邊界條件進(jìn)行了分析，提出在模型預(yù)報(bào)前要考慮自然因素、人類活動(dòng)因素及鄰區(qū)水流條件因素產(chǎn)生的耦合效應(yīng)問(wèn)題，先對(duì)邊界條件進(jìn)行預(yù)報(bào)。武強(qiáng)等通過(guò)對(duì)地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬的研究分析，抽象出空間類層次結(jié)構(gòu)，并提出了基于屬性關(guān)系的宏觀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和基于同構(gòu)或異構(gòu)幾何模型關(guān)系的微觀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，用三維空間拾取技術(shù)提供了友好的人機(jī)交互環(huán)境。張明江等采用“滲流管流耦合模型”、“入滲滯后補(bǔ)給法”和“參數(shù)迭代法”提高了模型的仿真性及對(duì)地下水資源評(píng)價(jià)的精度。張祥偉等根據(jù)地質(zhì)統(tǒng)計(jì)、逆問(wèn)題理論和地下水運(yùn)動(dòng)理論提出了大區(qū)域地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬的理論和方法。廖華勝等指出平穩(wěn)隨機(jī)的假定不能真實(shí)反映空間小尺度變異性與大尺度非平穩(wěn)性間的相互作用。薛禹群等介紹了Ms-FEM(多尺度有限元法)的基本原理，并將其應(yīng)用于非均質(zhì)多孔介質(zhì)中的流動(dòng)問(wèn)題，通過(guò)計(jì)算結(jié)果的比較得出多尺度有限元法比傳統(tǒng)有限元法有效的結(jié)論。魏連偉等基于模擬退火算法(SA)這一全局優(yōu)化技術(shù)，耦合地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬的有限元模型，給出水文地質(zhì)參數(shù)的反演方法。綜上所述，針對(duì)數(shù)值模擬過(guò)程中需要處理的地面標(biāo)高、初始水位、邊界條件、源匯項(xiàng)和水文地質(zhì)參數(shù)等問(wèn)題，可采取數(shù)字高程模型(DEM)及各種耦合模型，結(jié)合地球動(dòng)力學(xué)、地質(zhì)統(tǒng)計(jì)、逆問(wèn)題理論和三維空間拾取技術(shù)等來(lái)提高模擬效果。

2、國(guó)內(nèi)在運(yùn)用地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬軟件以及地理信息系統(tǒng)的強(qiáng)大功能，并結(jié)合相鄰學(xué)科的模型方面，也做了積極的探索。

陳鎖忠等以GIS為主控模塊，選擇GMS和地面沉降模擬模型系統(tǒng)(compac)進(jìn)行集成分析和設(shè)計(jì)。陳勁松等分析了MODFLOW中不同求解方法對(duì)精度的影響，選用PCG2法或SIP法求解結(jié)果滿足精度要求，而選用SSOR法獲得結(jié)果無(wú)法滿足精度要求。高佩玲等采用系統(tǒng)分解合成方法，利用Develop Studio軟件編制計(jì)算程序，得到了區(qū)域地下水系統(tǒng)水文地質(zhì)參數(shù)，參數(shù)分布與水文地質(zhì)勘察所得含水層結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及富水區(qū)分布基本相符。楊旭等提出了基于GIS 的“點(diǎn)”、“線”、“面”的模型擬合技術(shù)路線，實(shí)現(xiàn)了基于GIS的地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬模型的可視化擬合。陳鎖忠等研究基于GIS的孔隙水文地質(zhì)層三維空間離散實(shí)現(xiàn)的技術(shù)路線，提出了基于GIS的孔隙水文地質(zhì)層不規(guī)則六面體元的三維空間離散方法，具有較高的實(shí)用價(jià)值。陳喜等揭示了獨(dú)特沙丘地形和土壤特性對(duì)地下水補(bǔ)排量的影響，利用地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬模型MODFLOW和非飽和帶水平衡模型對(duì)處于半干旱半濕潤(rùn)沙丘地區(qū)(SandHills)的地下水位進(jìn)行了模擬，效果很好。羅毅通過(guò)對(duì)國(guó)際上著名的CERES(WHEAT，MAIZE)作物模型、SWAT分布式水文模型、MODFLOW地下水動(dòng)力學(xué)模型的融合、集成和功能擴(kuò)展，研制出地表水、地下水耦合模型，改進(jìn)了地下水接受土壤水補(bǔ)給的計(jì)算和淺層地下水蒸發(fā)的計(jì)算。地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬軟件以其組件化、智能化、可視化和多樣化受到普遍歡迎，GIS與地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬模型的整

合具有整體化、自動(dòng)化、可視化和實(shí)時(shí)性的優(yōu)點(diǎn)，相關(guān)領(lǐng)域模型的耦合更使其有了廣泛的發(fā)展空間，目前國(guó)內(nèi)外對(duì)具體問(wèn)題的處理方法具有很好的參考應(yīng)用價(jià)值，大量的研究強(qiáng)化了地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬方法的優(yōu)勢(shì)。

三、地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬中存在的問(wèn)題

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，國(guó)內(nèi)外關(guān)于地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬的研究有了長(zhǎng)足的進(jìn)步，但由于實(shí)際水文地質(zhì)條件的復(fù)雜性，野外試驗(yàn)數(shù)據(jù)的缺乏，模擬技術(shù)的不合理運(yùn)用，多學(xué)科交叉存在的難度等，發(fā)展中還存在一些問(wèn)題：

1、各學(xué)科之間難以溝通，側(cè)重的時(shí)間或空間尺度存在較大差異，地下水、地表狀況、土壤、植被、氣候變量和土地利用等都存在時(shí)空變異性，模型的耦合集成存在較大的難度。

該領(lǐng)域研究工作的深入越來(lái)越依賴于綜合集成和跨學(xué)科協(xié)同攻關(guān)，發(fā)揮互補(bǔ)作用，可以解決各學(xué)科不同模型存在的一些缺陷，同時(shí)，該領(lǐng)域與其他學(xué)科合作建立的耦合模型有更好的實(shí)用價(jià)值，可以綜合解決流域管理中存在的復(fù)雜問(wèn)題，如地下水與地表水模型的耦合，陸面過(guò)程模擬、分布式水文模型模擬、基于遙感的生態(tài)模型與地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬模型的耦合等。只有模型之間有了充分的交互，對(duì)模型的評(píng)價(jià)才更合理。同時(shí)需要指出，面對(duì)模型耦合的大問(wèn)題，地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬的其他方法也發(fā)揮著不可替代的作用。

2、地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬模型的水文地質(zhì)參數(shù)可以通過(guò)參數(shù)優(yōu)化來(lái)調(diào)整，但參數(shù)調(diào)整的范圍缺少準(zhǔn)確的標(biāo)準(zhǔn)。

模型通過(guò)參數(shù)調(diào)整與實(shí)測(cè)值擬合較好，但應(yīng)用到其他區(qū)域或年份時(shí)又會(huì)出現(xiàn)較大誤差，說(shuō)明對(duì)基本物理過(guò)程的描述還不夠準(zhǔn)確。模型反演求參時(shí)，解的不唯一問(wèn)題一直是水文地質(zhì)數(shù)學(xué)模型數(shù)學(xué)基礎(chǔ)薄弱的環(huán)節(jié)。模型中參數(shù)的不確定性將導(dǎo)致計(jì)算的水頭、流速的不確定性，從而影響到模擬結(jié)果的可靠性。如何加強(qiáng)參數(shù)的研究，提高地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬的精度仍是亟待解決的問(wèn)題。研究工作者僅僅通過(guò)模型參數(shù)調(diào)整提高參數(shù)精度是徒勞的，應(yīng)加強(qiáng)模型參數(shù)的野外原位測(cè)定方法的改進(jìn)、空間變異分析和新數(shù)學(xué)方法的運(yùn)用，一個(gè)地區(qū)、一個(gè)流域或一個(gè)水文地質(zhì)單元，應(yīng)建立自己的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)，這個(gè)參數(shù)應(yīng)有一定的代表性，應(yīng)加強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)集的制備，這樣可以輕松地進(jìn)行檢查、評(píng)價(jià)和修改。

3、隨著計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用，計(jì)算機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)了對(duì)大量水文地質(zhì)學(xué)及地下水動(dòng)力學(xué)問(wèn)題的模擬，其計(jì)算能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)人們獲取數(shù)值模型所需野外資料的能力，勘探技術(shù)水平需要提高。

在地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬中，對(duì)水文地質(zhì)條件的了解和概化所建立的概念模型是最重要的工作，需要有大量的野外試驗(yàn)數(shù)據(jù)和資料，包括地質(zhì)結(jié)構(gòu)、含水層參數(shù)、各類均衡項(xiàng)隨時(shí)空變化的數(shù)據(jù)和資料，而這些資料的獲取是建立數(shù)值模型最困難的工作，需要耗費(fèi)大量人力、財(cái)力和物力，同時(shí)國(guó)內(nèi)缺乏三維水頭和溶質(zhì)濃度等資料，因此三維數(shù)值模

擬的工作受到限制。長(zhǎng)期持續(xù)的三維觀測(cè)數(shù)據(jù)的獲取及具有更高實(shí)際價(jià)值的三維模型的建立是值得重視的工作。另外，在應(yīng)用外國(guó)先進(jìn)的地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬軟件的同時(shí)，要加快研發(fā)有我國(guó)自主產(chǎn)權(quán)的通用軟件。

4、根據(jù)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，在解決地下水不合理利用造成的問(wèn)題，尤其是日益嚴(yán)重的西部環(huán)境和生態(tài)問(wèn)題方面，急需該領(lǐng)域科學(xué)家深入研究典型生態(tài)環(huán)境區(qū)域的地下水動(dòng)力學(xué)特征，提供決策依據(jù)。

重點(diǎn)研究荒漠、巖溶和黃土高原區(qū)域地下水運(yùn)動(dòng)規(guī)律，特別是淺層地下水變化的地表生態(tài)效應(yīng)及深層地下水賦存規(guī)律，為荒漠、巖溶地區(qū)淺層地下水合理利用提供新的途徑。西部不同水文地質(zhì)單元(尤其是干旱區(qū)和巖溶山區(qū))地下水流系統(tǒng)具有什么樣的特征? 地下深層水循環(huán)與淺層水循環(huán)之間的關(guān)系是什么? 淺層地下水開發(fā)對(duì)地表生態(tài)系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生什么影響？如何運(yùn)用地下水溶質(zhì)運(yùn)移模型分析邊界條件的變化、水化學(xué)作用和地球化學(xué)環(huán)境的演變情況? 如何從數(shù)值法的角度評(píng)價(jià)并預(yù)測(cè)地下水的水質(zhì)? 量化氣候、土地利用和人類活動(dòng)對(duì)地下水有何影響? 如何實(shí)現(xiàn)地下水資源的可持續(xù)利用? 對(duì)這些問(wèn)題的回答具有重要的理論和實(shí)際意義。同時(shí)，地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬是依據(jù)對(duì)地下水系統(tǒng)數(shù)學(xué)模擬模型的數(shù)值離散解法，并不能代表整個(gè)地下水系統(tǒng)研究，地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬方法本身也存在問(wèn)題，如裂隙介質(zhì)巖溶介質(zhì)中地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬的關(guān)鍵技術(shù)尚未解決，地下水水質(zhì)模擬的可靠性問(wèn)題有待深入分析，所以地下水系統(tǒng)不同模擬方法的結(jié)合應(yīng)用具有更大的價(jià)值。

四、地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬研究展望

隨著地下水資源需求的增加，與地下水有關(guān)問(wèn)題的范圍和復(fù)雜性也隨之增大。農(nóng)業(yè)活動(dòng)區(qū)和城市的人類活動(dòng)對(duì)區(qū)域地下水水位、水質(zhì)的影響日益突出。地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬可以量化地下水的動(dòng)態(tài)變化與人類活動(dòng)的關(guān)系，可以比較不同開采方案并預(yù)報(bào)開采對(duì)環(huán)境帶來(lái)的影響，以便人們了解采取什么行動(dòng)來(lái)保證含水層的可持續(xù)利用，維持合適的生態(tài)水位。地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬模型在國(guó)家制定區(qū)域水政策和方針中將發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。

近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展和GIS技術(shù)的進(jìn)步，帶來(lái)了科學(xué)決策和管理信息的新方法，有利于水文水資源工作者了解地下水在時(shí)間和空間上的變化情況，并提供良好的數(shù)據(jù)維護(hù)、更新和分析功能，有了完備的數(shù)據(jù)做支持，一方面可以提高模擬的仿真性，另一方面又可大大減輕處理復(fù)雜數(shù)據(jù)的工作負(fù)擔(dān)。深入挖掘3S技術(shù)在地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬中的功能仍然是今后工作的重要內(nèi)容。系統(tǒng)論、信息論在地下水研究中也將越來(lái)越重要。

如何將現(xiàn)有的各類計(jì)算方法和軟件逐步過(guò)渡到以柵格為計(jì)算空間單元的分布式模型上來(lái)，充分利用RS動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)信息和GIS空間數(shù)據(jù)管理功能，實(shí)現(xiàn)地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬模型與GIS和RS的集成，是今后的研究重點(diǎn)。應(yīng)充分利用“數(shù)字地球”和國(guó)家空間信息基礎(chǔ)設(shè)施，將地下水系統(tǒng)納入“數(shù)字地球”、“數(shù)字國(guó)土”或“數(shù)字流域”體系。數(shù)值模擬軟

件還將不斷完善，軟件的組件化、可視化、前后處理智能化、離散方法簡(jiǎn)單化和求解方法多樣化等特點(diǎn)日益增強(qiáng)，將融入更多功能強(qiáng)大的子程序軟件包。

地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬模型結(jié)合地表水文模型、作物模型、流域生態(tài)模型、區(qū)域氣候模型、分布式水文模型、水平衡模型和隨機(jī)法模型等優(yōu)勢(shì)，一方面彌補(bǔ)模型的缺陷，實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，使物理基礎(chǔ)更加堅(jiān)實(shí)；另一方面擴(kuò)展模型的應(yīng)用范圍，綜合集成管理模式的模型。

隨著勘探手段的提高，含水層特征參數(shù)的確定方法將不斷豐富，參數(shù)精度不斷提高，數(shù)值模型的標(biāo)定方法及靈敏度的分析將更規(guī)范化。三維數(shù)值模型是未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)，將越來(lái)越真實(shí)地概化實(shí)際的水文地質(zhì)條件。新思維方法、數(shù)學(xué)方法、計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)的應(yīng)用將越來(lái)越快地提升地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬方法的功能，有針對(duì)性地處理模型中具體的不確定因素，更合理地表征具體的地下水動(dòng)態(tài)變化特征。通過(guò)地下水系統(tǒng)不同模擬方法的耦合和多學(xué)科的深入交流合作，地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬方法將會(huì)有更廣闊的前景。

馮翠娥摘編自《水利水電科技進(jìn)展》第26卷第1期，2006年2月

第五篇：基于ANSYS 的FRP加固工字鋼梁數(shù)值模擬分析

沈陽(yáng)建筑大學(xué)畢業(yè)論文

摘要

纖維復(fù)合材料(FRP)加固補(bǔ)強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)作為一種新興的、技術(shù)含量高的建筑物加固補(bǔ)強(qiáng)方法，具有很高的研究、推廣價(jià)值，能夠帶來(lái)巨大的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。它是利用樹脂類膠結(jié)材料將碳纖維材料粘貼十鋼材表面，從而達(dá)到對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件補(bǔ)強(qiáng)加固及改善結(jié)構(gòu)受力性能的目的。碳纖維材料以其輕質(zhì)、耐腐、高強(qiáng)及施工便利的優(yōu)點(diǎn)，在結(jié)構(gòu)加固領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。同時(shí)有限元計(jì)算理論的發(fā)展成熟，為結(jié)構(gòu)加固補(bǔ)強(qiáng)提供了方便的計(jì)算工具，它能夠較好模擬結(jié)構(gòu)受力發(fā)展的全過(guò)程，從而減少試驗(yàn)所需的大量人力、物力，為結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)和施工提供理論保證。

在總結(jié)國(guó)內(nèi)外關(guān)于FRP加固修復(fù)鋼結(jié)構(gòu)理論分析和試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，本文對(duì)FRP加固修復(fù)鋼結(jié)構(gòu)的特殊性及關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行了一定的論述，然后通過(guò)ANSYS有限元的方法對(duì)碳纖維加固鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行了驗(yàn)證，提出了“三維實(shí)體一殼元”有限元模型，對(duì)采用ANSYS分析的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了論述，并采用該模型對(duì)受彎鋼梁粘貼FRP加固后的性能進(jìn)行了分析，最后對(duì)加固效果的影響因素進(jìn)行了討論。

通過(guò)研究分析得出了若干結(jié)論和建議，對(duì)FRP加固修復(fù)金屬結(jié)構(gòu)技術(shù)的發(fā)展和完善具有一定的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：有限元分析； 纖維增強(qiáng)復(fù)合材料； 粘結(jié)性能；鋼結(jié)構(gòu)

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Abstract As a new and high-technique construction reinforcement method for reinforced steel structure, fiber-reinforced plastic(FRP)has many advantages such as high research value and popularizing value, it can bring huge social and economy benefit.The existing reinforced steel structures can be strengthened by adhering carbon fiber-reinforced plastic to the steel surface to improve their mechanical performances.The advantages of CFRP such as lightweight, non-corrosive, high tensile strength and easy construction make it widely used in strengthening field.The maturation of Finite Element Calculation Theory provides a computing tool to the reinforcement method.The finite element method(FEM)can simulate the Non-Linear Full-Range Analysis一the behavior of beams from linear to nonlinear responses and up to failure, it can save lots of human resource and material.Based on the summary of theory analysis and test research on steel structures strengthened with FRP both home and abroad, the key problems of steel structures repaired with FRP have discussed in detail This paper put forward the expressions of the capacity in the composite member with CFRP and steel, which are be validated by the ANSYS methods.The “3D solid-spring-shell“ finite element model has proposed in the paper, and the key techniques have discussed when the general purpose software.ANSYS has adopted to the bending steel beam members strengthened with FRP.The influencing factors of repair effectiveness have discussed.The conclusions and suggestions in the paper values for the development of metallic structures will play very important reference rehabilitation.Key words: finite element analysis;Fiber Reinforced Polymers(FRP);Bonding properties;steel structures

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目錄

第一章 緒論.............................................................1

1.1研究背景..........................................................1 1.2 FRP加固的特點(diǎn)....................................................3 1.3國(guó)內(nèi)外對(duì)FRP加固鋼結(jié)構(gòu)的研究......................................6 1.3.1受彎構(gòu)件加固.................................................6 1.3.2受拉（壓）構(gòu)件加固...........................................8 1.3.3疲勞加固.....................................................9 1.3.4預(yù)應(yīng)力加固..................................................10 1.3.5 FRP加固鋼結(jié)構(gòu)有限元模擬的研究..............................10 1.4本論文選題的目的和意義...........................................11 1.5本論文的主要內(nèi)容.................................................13 1.6本章小結(jié).........................................................13 第二章 理論基礎(chǔ)—有限單元法............................................14

2.1 有限元方法簡(jiǎn)介...................................................14 2.2 有限單元法的分析過(guò)程.............................................14 2.2.1.結(jié)構(gòu)離散化.................................................14 2.2.2確定單元位移模式............................................16 2.2.3.單元特性分析...............................................17 2.2.4.建立表示整個(gè)結(jié)構(gòu)結(jié)點(diǎn)平衡的方程組...........................18 2.2.5.解方程組和輸出計(jì)算結(jié)果.....................................19 2.3 ANSYS主要內(nèi)容介紹...............................................19 2.3.1 ANSYS軟件功能簡(jiǎn)介..........................................19 2.3.2 ANSYS操作詳細(xì)解............................................20 2.3.3 ANSYS軟件提供的分析類型：..................................21 2.4本章小結(jié).........................................................22 第三章 FRP加固工字形鋼梁有限元分析.....................................23 3.1有限元軟件ANSYS分析.............................................23 3.1.1基本假定....................................................23 iii

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3.1.2有限元模型的單元屬性及材料性能..............................23 3.1.3工字鋼梁的模擬..............................................24 3.1.4粘結(jié)膠層的模擬..............................................24 3.1.5 FRP的模擬..................................................26 3.2 ANSYS分析步驟...................................................27 3.2.1主要操作步驟................................................27 3.2.2具體ANSYS建模計(jì)算及分析步驟................................27 3.3 本章小結(jié).........................................................54 第四章 結(jié)論及對(duì)未來(lái)展望.................................................55

4.1結(jié)論.............................................................55 4.2展望.............................................................55 參考文獻(xiàn)................................................................57 謝辭....................................................................59

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基于ANSYS的FRP加固工字鋼梁的數(shù)值模擬分析

第一章

緒論

在役鋼結(jié)構(gòu), 如橋梁、建筑物、構(gòu)筑物、海岸和近海工程、石油化工用壓力容器、管道、塔桅等, 因在設(shè)計(jì)、制造、施工過(guò)程中可能產(chǎn)生各種缺陷, 在使用中因超載、銹蝕、疲勞等原因會(huì)引起結(jié)構(gòu)的損傷累積,從而影響結(jié)構(gòu)的安全。傳統(tǒng)的鋼結(jié)構(gòu)加固方法是將鋼板焊接、螺栓連接、鉚接或者粘接到原結(jié)構(gòu)的損傷部位, 這些方法雖在一定程度上改善了原結(jié)構(gòu)缺陷部位受力狀況, 但同時(shí)又給結(jié)構(gòu)帶來(lái)一些新的問(wèn)題,如產(chǎn)生新的損傷和焊接殘余應(yīng)力等。而纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(Fiber Reinforced Polymer, 簡(jiǎn)稱FRP)結(jié)構(gòu)加固技術(shù)則克服了上面各種方法的缺點(diǎn), 并且由于FRP的比強(qiáng)度和比模量高、耐腐蝕及施工方便等特點(diǎn), 在混凝土結(jié)構(gòu)加固修復(fù)中已得到廣泛的應(yīng)用。近年來(lái)的研究表明, FRP 加固鋼結(jié)構(gòu)也顯示出很好的效果。

1.1研究背景

鋼材具有高強(qiáng)，質(zhì)輕力學(xué)性能好等良好的優(yōu)點(diǎn)，是制造結(jié)構(gòu)物的一種極好的建筑材料，鋼結(jié)構(gòu)與在建筑結(jié)構(gòu)中應(yīng)用廣泛的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相比，對(duì)于充任相同受力構(gòu)件，具有截面輪廓尺寸小，構(gòu)件細(xì)長(zhǎng)和板件柔薄的特點(diǎn)。但是有些結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期處于腐蝕環(huán)境中，有些結(jié)構(gòu)則經(jīng)受交變荷載的作用，有些結(jié)構(gòu)處十高溫、高濕或高壓的服役環(huán)境中，而有些結(jié)構(gòu)內(nèi)部則充滿易燃、易爆、有毒、腐蝕等介質(zhì)。這些結(jié)構(gòu)在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)受到自然環(huán)境的侵蝕、外部荷載的作用或人為因素的破壞，因此不可避免地會(huì)存在各種缺陷和損傷。當(dāng)損傷累積到一定程度時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效，例如輸送管道在周圍環(huán)境和內(nèi)部介質(zhì)的作用下經(jīng)常會(huì)發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)腐蝕，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致腐蝕穿孔和泄漏，一旦發(fā)生泄漏或爆炸，往往會(huì)發(fā)生火災(zāi)或中毒、爆炸等災(zāi)難性事故。同時(shí)，有毒有害物料進(jìn)入大氣、土壤和水源，既污染了環(huán)境，又造成了生產(chǎn)物料的浪費(fèi)。

總之，鋼結(jié)構(gòu)在長(zhǎng)期的自然環(huán)境和使用環(huán)境的雙重作用下，其功能將逐漸減弱，這是一個(gè)不可逆轉(zhuǎn)的客觀規(guī)律，尤其在我國(guó)地震多發(fā)區(qū)域，對(duì)這些地區(qū)的鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震加固以及對(duì)震損鋼結(jié)構(gòu)的修復(fù)，也常常是結(jié)構(gòu)工程師的主要內(nèi)容。因此，在現(xiàn)代社會(huì)中對(duì)鋼結(jié)構(gòu)加固技術(shù)進(jìn)行開發(fā)研究是非常必要的，具有重要的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

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傳統(tǒng)的鋼結(jié)構(gòu)加固的主要方法有:減輕荷載、改變計(jì)算圖形、加大原結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面和連接強(qiáng)度、阻止裂紋擴(kuò)展等。當(dāng)有成熟經(jīng)驗(yàn)時(shí)，也可采用其他的加固方法。

1，改變結(jié)構(gòu)計(jì)算圖形

（1）對(duì)結(jié)構(gòu)可采用增加結(jié)構(gòu)或構(gòu)件剛度的方法進(jìn)行加固；

（2）對(duì)受彎桿件可采用改變其截面內(nèi)力的方法進(jìn)行加固；（3）對(duì)桁架可采取改變其桿件內(nèi)力的方法進(jìn)行加固。2，加大構(gòu)件截面的加固

采用加大截面加固鋼構(gòu)件時(shí)，所選截面形式應(yīng)有利十加固技術(shù)要求并考慮已有缺陷和損傷的狀況。

但是在上述普遍采用的鋼結(jié)構(gòu)加固修復(fù)方法中主要采用現(xiàn)場(chǎng)焊接，因而會(huì)帶來(lái)一系列問(wèn)題。

（1）焊接時(shí)高溫作用使焊接部位組織及性能劣化、材質(zhì)變脆、斷裂韌性降低、抵抗脆性斷裂的能力變差，影響結(jié)構(gòu)運(yùn)行的安全性；

（2）焊縫經(jīng)常會(huì)或多或少存在一些缺陷，會(huì)萌生新的裂紋，引入了新的斷裂源；（3）焊接過(guò)程中易產(chǎn)生氫脆、焊接后結(jié)構(gòu)內(nèi)部存在殘余應(yīng)力，和其它作用結(jié)合在一起可能導(dǎo)致開裂；

（4）焊接使結(jié)構(gòu)形成連續(xù)的整體，裂縫一旦失穩(wěn)擴(kuò)展，就有可能一斷到底，結(jié)構(gòu)內(nèi)存在大量易燃易爆介質(zhì)時(shí)，修補(bǔ)期間有時(shí)需要停止運(yùn)行，將會(huì)帶來(lái)很大的經(jīng)濟(jì)損失，否則動(dòng)用明火維修則存在爆炸的潛在危險(xiǎn)，如對(duì)十壁厚嚴(yán)重減薄的結(jié)構(gòu)，焊接電流會(huì)穿透管壁造成介質(zhì)泄漏，甚至發(fā)生爆炸；

（5）對(duì)焊接操作人員要求高，焊后需進(jìn)行必要的現(xiàn)場(chǎng)探傷；

（6）焊接時(shí)，由十焊縫高溫熔化和冷卻過(guò)程中成分和組織的變化，如果焊條選擇不當(dāng)，很容易造成焊縫的耐蝕性低十母材，使焊縫發(fā)生優(yōu)先腐蝕。如果焊縫的電位比母材低得多，那么焊縫與母材組成電偶腐蝕電池，將大大加速焊縫的電偶腐蝕速度；

（7）由十需要焊接蓋板，使結(jié)構(gòu)重量增加較多，同時(shí)對(duì)十復(fù)雜的幾何形狀不易成形，運(yùn)輸和安裝也不方便，耗時(shí)、費(fèi)力，質(zhì)量不易保證；（8）焊接蓋板容易銹蝕，維護(hù)費(fèi)用高。

隨著纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(簡(jiǎn)稱FRP)的開發(fā)應(yīng)用和粘結(jié)劑性能的不斷改進(jìn)，高性能復(fù)合材料依靠其優(yōu)異的性能在航空、航天、體育、衛(wèi)生、電子、兵器等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。人們相應(yīng)研究發(fā)展了粘貼加固損傷結(jié)構(gòu)的技術(shù)。其中碳纖維增強(qiáng)聚合材料，簡(jiǎn)稱

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為 CFRP被廣泛地應(yīng)用十建筑工程方面至今只有十多年的歷史，美國(guó)和日本對(duì)CFRP應(yīng)用十混凝土結(jié)構(gòu)的修復(fù)和加固研究始十世紀(jì)年代。到年代末年代初，日本的很多大學(xué)、科研機(jī)構(gòu)和材料生產(chǎn)廠家等相繼進(jìn)行了大量的CFRP材料用十工程結(jié)構(gòu)修復(fù)加固的研究，CFRP材料具有優(yōu)異力學(xué)性能，施工工藝簡(jiǎn)便目_加固效果可靠，得到了普遍的贊同和認(rèn)可，特別是在美國(guó)舊金山、洛杉機(jī)、口本阪神淡路大地震，中國(guó)臺(tái)灣桃園縣地震及韓國(guó)二豐百貨大摟倒塌事件造成重大人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失之后。生產(chǎn)實(shí)踐的需要推動(dòng)著CFRP材料在工程結(jié)構(gòu)加固中應(yīng)用的迅速發(fā)展，也在不斷驗(yàn)證著該材料的優(yōu)越性。

FRP材料伴隨著生產(chǎn)技術(shù)的口益成熟、產(chǎn)品性能的逐步提高、生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大和生產(chǎn)成本的下降，應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣泛、應(yīng)用層次越來(lái)越深入。FRP開始應(yīng)用于橋梁、輪船、發(fā)動(dòng)機(jī)和集裝箱等，并深入航空領(lǐng)域。

1.2 FRP加固的特點(diǎn)

碳纖維補(bǔ)強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)是用粘接劑將碳纖維片材(包括布材、板材)粘貼到鋼結(jié)構(gòu)高應(yīng)力區(qū)或損傷區(qū)的表面，使一部分荷載通過(guò)膠層傳遞到補(bǔ)強(qiáng)的片材上，以緩解鋼結(jié)構(gòu)的材質(zhì)破壞和疲勞破壞，從而延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的使用壽命。因此，粘貼FRP加固鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)是一種很有發(fā)展前途的新型結(jié)構(gòu)加固技術(shù)，具有廣闊的應(yīng)用前景，它可以應(yīng)用到飛機(jī)機(jī)身的裂紋修復(fù)、鋼結(jié)構(gòu)橋梁和建筑物的加固修復(fù)以及船體結(jié)構(gòu)、壓力容器、輸送管道和鋼儲(chǔ)罐等鋼結(jié)構(gòu)的缺陷加固及修復(fù)。

與傳統(tǒng)的方法相比，F(xiàn)RP補(bǔ)強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)具有明顯的優(yōu)勢(shì)：

1，F(xiàn)RP比強(qiáng)度和比模量要高，要達(dá)到同樣的加固效果，F(xiàn)RP的尺寸明顯小十鋼板的尺寸，同時(shí)FRP本身密度小而粘貼加固又省去了緊固件，加固后基本不增加原結(jié)構(gòu)的自重和原構(gòu)件的尺寸；

2，由于FRP的可設(shè)計(jì)性，即可以根據(jù)結(jié)構(gòu)缺陷的嚴(yán)重程度和受力情況，在單向FRP中，通過(guò)改變組分和組分含量以改變其縱向和橫向性能以及它們的比值；對(duì)于FRP板采用改變FRP鋪層的取向與順序而改變復(fù)合材料的彈性特性，剛度特性來(lái)設(shè)計(jì)復(fù)合材料的性能，從而適應(yīng)特殊應(yīng)用的要求，最大限度提高鋼結(jié)構(gòu)的加固效果；

3，該方法不需要對(duì)原結(jié)構(gòu)鉆孔，對(duì)基體材料(待加固的鋼結(jié)構(gòu))承載橫截,面基本無(wú)削弱，不破壞原結(jié)構(gòu)的整體性，不會(huì)形成新的應(yīng)力集中源和纖維切斷，從而消除了產(chǎn)生新的孔邊裂紋的可能，改善了應(yīng)力集中和承載情況，提高結(jié)構(gòu)的抗疲勞性能，同時(shí)也避免

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了因鉆孔而可能導(dǎo)致的對(duì)液壓管道的破壞，以及因鉆孔產(chǎn)生的金屬細(xì)屑進(jìn)入結(jié)構(gòu)內(nèi)部； 4，柔性的FRP對(duì)十任意封閉結(jié)構(gòu)和形狀復(fù)雜的被加固結(jié)構(gòu)表面，基本上可以保證近100%的有效粘貼率，與鋼結(jié)構(gòu)表面有良好的界面粘結(jié)性能、密封性，減少了滲漏甚至腐蝕的隱患，很少出現(xiàn)二次腐蝕破壞現(xiàn)象，這一點(diǎn)對(duì)石油化工行業(yè)的壓力容器、輸送管道等結(jié)構(gòu)尤為重要；

5，粘貼FRP加固修復(fù)鋼結(jié)構(gòu)是連續(xù)的面連接(即兩者相鄰表面結(jié)合起來(lái)，整個(gè)粘結(jié)面都承受荷載，克服了焊接僅依靠邊緣結(jié)合而內(nèi)部不能結(jié)合的缺陷。鋼結(jié)構(gòu)與FRP構(gòu)成整體，荷載從原金屬結(jié)構(gòu)傳遞到FRP更加均勻有效，應(yīng)力分布更為均勻，大大緩解了應(yīng)力集中，這些都顯著地提高了其強(qiáng)度和剛度，抗疲勞性能好，延長(zhǎng)了結(jié)構(gòu)的使用壽命； 6，該方法特別適合十結(jié)構(gòu)局部損傷和腐蝕等的加固，加固后能有效地阻止,裂紋的繼續(xù)擴(kuò)展，大大延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的使用壽命，提高維修間隔，降低維修成本，滿足可靠性和耐久性的要求；

7，該方法簡(jiǎn)便易行，成本低，效率高，特別適合十現(xiàn)場(chǎng)加固?？晒?jié)省人工,與機(jī)器設(shè)備搬運(yùn)，減少維護(hù)次數(shù)，避免道路因施工而造成阻塞。加固所用的時(shí)間短，大約是常規(guī)加固方法所用工時(shí)的1/3-1/5，狹小空間亦可施工；

8，施工過(guò)程中無(wú)明火，安全可靠，對(duì)生產(chǎn)過(guò)程影響小，適用十特種環(huán)境，如燃?xì)夤蕖①A油箱、井下設(shè)備(具有爆炸危險(xiǎn)的情況)、電纜密集處或化工車間、煉油廠等環(huán)境； 9，有利十實(shí)現(xiàn)FRP自感知的智能特性，用CFRP作為補(bǔ)強(qiáng)材料，可以利用CFRP自身的導(dǎo)電性能，根據(jù)補(bǔ)強(qiáng)片電阻的變化規(guī)律獲得加固修復(fù)部位的應(yīng)變及應(yīng)力信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)視和診斷。

10，施工過(guò)程中無(wú)須大型機(jī)械設(shè)備，占地面積少，工期較短。由于采用環(huán)氧樹脂類粘貼材料，不會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生新的損傷；

11，碳纖維復(fù)合材料蠕變小，彈性模量適中，對(duì)堿性反應(yīng)不敏感。典型的碳纖維材料的最大應(yīng)變值通常為1.2%-1.5%，雖小于鋼筋的極限拉應(yīng)變，但足以保證混凝土結(jié)構(gòu)破壞前的充分變形和斷裂。碳纖維增強(qiáng)材料的應(yīng)用形式有很多。由于布材形式纖維材料易批量生產(chǎn)和方便施工，且能適應(yīng)各種表面形狀構(gòu)件，是目前纖維增強(qiáng)復(fù)合材料最主要的應(yīng)用形式。

雖然采用碳纖維復(fù)合材料增強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)有諸多優(yōu)點(diǎn)，但也存在一些不足之處。人們?cè)谠O(shè)計(jì)和施工CFRP增強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)時(shí)應(yīng)引起注意。一是碳纖維復(fù)合材料為線彈性材料，決定其破壞方式為脆性破壞；二是此材料為正交各項(xiàng)異性材料，順纖維方向

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為增強(qiáng)結(jié)構(gòu)受力的主要方向，垂直纖維方向基本不能承載，因此在混凝土結(jié)構(gòu)增強(qiáng)設(shè)計(jì)和計(jì)算時(shí)應(yīng)注意纖維的增強(qiáng)方向；三是CFRP材料和混凝土材料一樣，在長(zhǎng)期高應(yīng)力荷載作用下，纖維布最終因徐變作用而導(dǎo)致材料失效。在設(shè)計(jì)CFRP增強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)時(shí)，必須使結(jié)構(gòu)增強(qiáng)后的最大應(yīng)變值低于所用纖維的最大應(yīng)變值。CFRP材料性能優(yōu)越，使其在土木工程中的應(yīng)用范圍非常廣泛，不僅可用于橋梁、涵洞、隧道及其它近海岸工程中，且可應(yīng)用于一般民用建筑中。美國(guó)為解決近海地區(qū)和氣候寒冷地區(qū)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)遭受鹽蝕侵害問(wèn)題，在二十世紀(jì)六十年代首次采用玻璃纖維復(fù)合材料加固鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，從而開始了纖維增強(qiáng)材料在混凝土結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用。但二十年后，才逐漸認(rèn)識(shí)到纖維增強(qiáng)加固混凝土結(jié)構(gòu)在土木工程中的發(fā)展?jié)摿?。目前，該?xiàng)技術(shù)在美國(guó)已廣泛應(yīng)用于橋梁工程、民用建筑及其它基礎(chǔ)設(shè)施中。日本兵庫(kù)縣大地震后，開始大量采用碳纖維布加固建筑結(jié)構(gòu)。歐洲對(duì)FRP增強(qiáng)加固混凝土結(jié)構(gòu)的研究始于二十世紀(jì)七十年代，在80年代后期開始了此類增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的應(yīng)用與開發(fā)。國(guó)外采用纖維布增強(qiáng)加固混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)不僅應(yīng)用于受損的混凝土結(jié)構(gòu)，還應(yīng)用于許多新建混凝土結(jié)構(gòu)中，應(yīng)用于橋梁工程中的項(xiàng)目遠(yuǎn)多于民用建筑?？傮w來(lái)看，國(guó)外研究、應(yīng)用CFRP增強(qiáng)技術(shù)較早，目前已進(jìn)入該項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用的成熟階段。

目前CFRP在國(guó)內(nèi)外土木工程中應(yīng)用越來(lái)越多，在未來(lái)幾年中還會(huì)加大對(duì)CFRP的需求，其范圍將越來(lái)越廣，尤其在橋梁工程和近海岸工程中。全面了解這種材料的性能，才能更好地將其運(yùn)用于實(shí)際工程中。CFRP即在土木工程中的應(yīng)用主要有2種途徑:較多的是對(duì)已有結(jié)構(gòu)的改造、翻新和加固，這屬于事后增強(qiáng)，即結(jié)構(gòu)受載后增強(qiáng);另一種事前增強(qiáng)，即在結(jié)構(gòu)受載前，以CFRP完全或部分代替鋼材用于結(jié)構(gòu)的增強(qiáng)。事先增強(qiáng)的研究有一種用CFRP筒體兼作模板，內(nèi)部澆筑鋼筋混凝土的結(jié)構(gòu)形式一CFRP筒鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的研究引起很多專業(yè)人士的重視。美國(guó)加利福尼亞大學(xué)科研組創(chuàng)造出一種稱作”先進(jìn)復(fù)合材料斜拉橋系統(tǒng)”的結(jié)構(gòu)，其橋塔采用碳纖維復(fù)合材料預(yù)制管內(nèi)填混凝土，預(yù)制管具有混凝土外模板和塔柱配筋雙重作用。管殼內(nèi)壁設(shè)有肋條，以增強(qiáng)與混凝土的粘接。斜拉橋的加筋梁也采用復(fù)合材料預(yù)制管混凝土交各向異性的，同時(shí)在軸向和徑向?qū)炷疗鸺s束作用，它不僅提高柱的強(qiáng)度和延性，而且防腐性好。

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1.3國(guó)內(nèi)外對(duì)FRP加固鋼結(jié)構(gòu)的研究

1.3.1受彎構(gòu)件加固

現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)外FRP加固鋼結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)研究主要集中在受彎加固上，主要分為無(wú)損傷缺陷鋼梁的加固和損傷鋼梁的加固。

1.3.1.1無(wú)損傷缺陷鋼梁的加固

FRP加固鋼梁的試驗(yàn)研究最早始十20世紀(jì)90年代中期，美國(guó)Delaware大學(xué)對(duì)無(wú)損傷缺陷的工字型鋼梁進(jìn)行研究。近十多年來(lái)，國(guó)內(nèi)外陸續(xù)對(duì)各種形式的鋼梁加固進(jìn)行研究，主要包括工字型截面鋼梁、矩形截面鋼梁、鋼板梁、鋼一混凝土組合梁。

Mertz等人采用GFRP對(duì)跨度為1372mm，型號(hào)為W8x10的工字型截面鋼梁進(jìn)行加固試驗(yàn)研究。試驗(yàn)結(jié)果表明，這些鋼梁的失效模式是GFRP板發(fā)生斷裂或者GFRP層間發(fā)生分層，沒(méi)有觀察到GFRP和膠層之間的剝離破壞，加固后鋼梁的剛度、屈服荷載和極限荷載分別提高15%、23%和78%。

A.K.Pamaik和C.L.Bauer將厚1.400mm的CFRP板粘貼到薄壁工字型鋼梁腹板兩側(cè)，鋼梁的破壞形式是腹板屈曲的剪切破壞，試驗(yàn)結(jié)果表明，加固后鋼梁的抗剪承載能力提高26%。國(guó)內(nèi)侯發(fā)亮等人對(duì)工字型截面梁、矩形截面梁和鋼板梁采用FRP加固后進(jìn)行一系列試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，加固后抗彎承載能力都有所提高，提高的程度與CFRP加固量有關(guān)。鋼結(jié)構(gòu)橋梁中常采用鋼一混凝土組合梁，對(duì)鋼一混凝工組合梁的加固也是一個(gè)研究和應(yīng)用熱點(diǎn)。Sen等人對(duì)鋼材屈服強(qiáng)度分別為310MPa, 370MPa的組合梁進(jìn)行了試驗(yàn)研究，跨度為6100mm的W8x24的工字型鋼梁，上面是厚度114mm,寬度710mm的混凝土板，分別用2mm和5 mm厚的CFRP板粘貼到受拉翼緣底部進(jìn)行加固，CFRP板的長(zhǎng)度為36.50mm，寬度為翼緣寬度，彈性模量為114GPa。試驗(yàn)結(jié)果表明，鋼材屈服強(qiáng)度為310MPa的組合梁分別采用2mm和5 mm厚的CFRP加固后，承載能力分別提高21%和52%；鋼材屈服強(qiáng)度為370MPa的組合梁承載能力分別提高9%和32%。Tavakkolizadeh和Saadatmanesh對(duì)3根屈服強(qiáng)度為335MPa的組合梁采用CFRP薄板加固進(jìn)行試驗(yàn)研究，試驗(yàn)采用凈跨為780mm的W14x30的工字型鋼梁，鋼梁上面是厚度為75mm，寬度為910mm的混凝土板。鋼梁下翼緣底部沿梁全長(zhǎng)粘貼兩道寬度為76mm，6

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厚度為1.27mm的CFRP薄板。四點(diǎn)受彎試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)鋼梁底部分別粘貼1, 3, 5層CFRP薄板時(shí)，組合梁的極限承載能力與未加固構(gòu)件相比，分別提高44% , 51% , 76%，而剛度提高不明顯。Abdullah和A-Saidy對(duì)組合梁進(jìn)行的加固試驗(yàn)研究表明，其極限承載能力與未加固構(gòu)件相比，分別提高21%和45%。

從上面介紹的FRP加固無(wú)初始損傷缺陷鋼梁的試驗(yàn)結(jié)果可以看出，鋼梁加固后的承載能力有一定提高，但剛度大部分沒(méi)有明顯變化。已有的試驗(yàn)結(jié)果表明，加固效果的離散性比較大，隨著粘貼的纖維量、纖維的彈性模量、鋼材的彈性模量、鋼材的屈服強(qiáng)度的不同，加固效果也不同。

1.3.1.2損傷鋼梁的加固

對(duì)存在損傷的鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固試驗(yàn)研究，主要采用受拉翼緣切口、腹板鉆孔等方法模擬鋼梁的損傷。或直接從現(xiàn)場(chǎng)舊橋梁中選取存在銹蝕損傷的鋼梁。對(duì)受拉翼緣存在損傷缺陷的工字型鋼梁采用CFRP加固后，主要破壞模式是在切口損傷處CFRP與鋼梁間的剝離破壞，并隨著剝離的發(fā)展，最后CFRP發(fā)生斷裂。而 CFRP加固存在損傷的組合梁的破壞模式主要有5種：混凝土被壓碎、CFRP與鋼梁剝離、CFRP被拉斷、鋼梁的翼緣或腹板屈曲、混凝土與鋼梁間的剪力件破壞，通常是幾種破壞模式的組合。試驗(yàn)結(jié)果表明，存在損傷缺

陷鋼梁用高模量的CFRP板加固后，剛度基本能恢復(fù)到未損傷情況下鋼梁剛度的90%以上;極限承載能力的提高隨著加固量和損傷大小而不同，在損傷情況相同的條件下，隨著抗彎加固率指標(biāo)Nb增大而增大。

CFRP在切口損傷處與鋼梁的剝離破壞是一個(gè)非常普遍與重要的現(xiàn)象，切口損傷越嚴(yán)重，剝離破壞越明顯。雖然實(shí)際結(jié)構(gòu)中很少出現(xiàn)試驗(yàn)中嚴(yán)重切口損傷的情況，但CFRP片材與鋼梁的剝離問(wèn)題應(yīng)引起足夠重視，并應(yīng)采取有關(guān)措施延緩或避免剝離破壞的出現(xiàn)，從而充分利用CFRP的高強(qiáng)性質(zhì)。

Shulley等人還對(duì)6根腹板存在損傷的工字型鋼梁進(jìn)行了加固試驗(yàn)研究，鋼梁的跨度為711mm，在距鋼梁支座178mm的腹板中部用直徑為100mm的圓孔模擬腹板的損傷。采用不同種類的CFRP片材進(jìn)行加固。結(jié)果表明，所有的鋼梁在圓孔處的CFRP片材都發(fā)生了與鋼腹板的剝離，且承載能力都沒(méi)有得到顯著提高。而 A.K.Patnaik和C.L.Bauer對(duì)沒(méi)有損傷的鋼梁粘貼CFRP板到腹板兩側(cè)卻使鋼梁的抗剪承載能力提高

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26%。兩個(gè)試驗(yàn)結(jié)果差異很大，一方面是由十后者加固量比前者大;更重要的原因是前者由十腹板圓孔的存在使得過(guò)早生CFRP與鋼腹板之間的剝離破壞。這也說(shuō)明采取措施延緩或避免剝離破壞的重要性。

1.3.2受拉（壓）構(gòu)件加固

對(duì)受拉（壓）構(gòu)件的加固試驗(yàn)研究不如受彎構(gòu)件多，但最近幾年這方面的研究逐漸增多。Shaat等人進(jìn)行CFRP片材加固不同長(zhǎng)細(xì)比的空心方管柱的可行性研究，并且已經(jīng)完成了對(duì)空心方管短柱CFRP加固后的受壓性能研究。他們先沿方管環(huán)向纏繞一層CFRP布，避免可能發(fā)生的電化學(xué)腐蝕，然后在沿環(huán)向或縱向粘貼若干層CFRP布。試驗(yàn)結(jié)果表明，沿方管環(huán)向粘貼CFRP布的加固效果遠(yuǎn)比縱向好，極限承載力提高18%。當(dāng)沿縱向CFRP加固時(shí)，破壞形式是CFRP布與鋼結(jié)構(gòu)的剝離破壞。當(dāng)采用環(huán)向CFRP加固時(shí)則不會(huì)發(fā)生CFRP布與鋼結(jié)構(gòu)之間的剝離和CFRP布斷裂的現(xiàn)象，鋼柱最后發(fā)生局部屈曲破壞。

Missouri-Rolla大學(xué)研究了用FRP管加固銹蝕損傷鋼柱抗壓承載能力的可行性。研究人員在鋼柱存在銹蝕損傷的部位先套上FRP管，然后在FRP管內(nèi)澆筑膨脹輕質(zhì)混凝土，使鋼柱進(jìn)行受壓試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，采用這種方法加固后，承載能力普遍比未加固構(gòu)件提高150%以上。

西安交通大學(xué)的馬建勛等人對(duì)采用碳纖維布粘貼加固后的鋼板進(jìn)行了單軸拉伸試驗(yàn)，研究了CFRP布對(duì)試件屈服荷載、承載力和延性的影響，并對(duì)CFRP布與鋼板的共同工作問(wèn)題進(jìn)行了初步分析。試驗(yàn)結(jié)果表明，鋼板采用CFRP布雙面粘貼后，屈服荷載可提高16%-18%，極限荷載可提高16%-25%，破壞模式是CFRP布被拉斷，主要是斷面附近或CFRP布端部發(fā)生脫膠，隨著脫膠程度和位置不同，極限承載能力不同，這也充分說(shuō)明膠粘劑對(duì)鋼構(gòu)件加固中起著非常重要的作用。

當(dāng)鋼板經(jīng)碳布加固后，形成了一種新的組合構(gòu)件，這種新的結(jié)構(gòu)體系之所以能較原結(jié)構(gòu)有更高的承載力，一個(gè)重要的原因就是鋼和碳纖維布能夠較好的共同工作。在拉伸試驗(yàn)后期碳纖維布和鋼結(jié)構(gòu)之所以不能很好的共同工作，是因?yàn)檎辰Y(jié)劑的剪切強(qiáng)度下降，導(dǎo)致構(gòu)件局部脫膠所造成的。粘貼工藝和膠的強(qiáng)度是碳纖維加固工作中極其重要的環(huán)節(jié)，做不好就難以達(dá)到預(yù)期的效果。有關(guān)粘貼劑與鋼結(jié)構(gòu)的粘貼問(wèn)題有待進(jìn)一步研究。

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1.3.3疲勞加固

從國(guó)內(nèi)外至今所有的疲勞性能試驗(yàn)結(jié)果看，采用FRP加固后的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件，疲勞損傷的剩余疲勞壽命均成倍增長(zhǎng)，加固效果十分明顯。因此，這是一個(gè)有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的研究方向。Delaware大學(xué)的研究人員對(duì)從一座舊橋梁取出時(shí)2根存在銹蝕損傷鋼梁，采用CFRP板加固后進(jìn)行了疲勞試驗(yàn)研究，在34MPa的應(yīng)幅下，經(jīng)過(guò)1000萬(wàn)次應(yīng)力循環(huán)沒(méi)有發(fā)生CFRP板與鋼梁的剝離破壞，這說(shuō)明加固后鋼梁具有很好的抗疲勞性能。

Bassetti等人試驗(yàn)研了采用預(yù)應(yīng)力CFRP板來(lái)延緩裂紋擴(kuò)展速率從而提高鉚接鋼結(jié)構(gòu)的疲勞壽命試驗(yàn)第一階段對(duì)中心帶裂紋的小尺寸鋼板采用112mm厚的預(yù)應(yīng)力CFRP板后進(jìn)行加固處理，在80MPa的應(yīng)力幅和0.4的應(yīng)力比的循環(huán)荷載作用下，隨著預(yù)應(yīng)力的增大，裂紋擴(kuò)展速度顯著降低，疲勞壽命提高最高達(dá)16倍。

Tavakkolizadeh和 Saadatmanesh對(duì)21根1.3 m長(zhǎng)的W 127x4.5的小尺寸A36工字型鋼梁進(jìn)行四點(diǎn)受彎試驗(yàn)研究。梁跨中受拉翼緣兩邊各被切割一道長(zhǎng)12.7mm寬0.9mm的切口模擬損傷疲勞裂紋, CFRP板長(zhǎng)度為300mm,寬度與梁的下翼緣相同，厚度為1.27mm，纖維方向與切口方向垂直。試驗(yàn)結(jié)果表明，CFRP加固過(guò)的鋼梁試件與未加固相比，當(dāng)應(yīng)力幅為207MPa和345MPa時(shí)，疲勞壽命分別提高3.4倍和2.6倍。

SeanC.Jones等人對(duì)21個(gè)含邊裂紋和8個(gè)含中心裂紋的受拉構(gòu)件進(jìn)行疲勞試驗(yàn)研究，考察了CFRP類型、長(zhǎng)度、寬度、單面或雙面粘貼、裂紋擴(kuò)展前后粘貼等因素對(duì)加固效果的影響。對(duì)十含邊裂紋命與未加固構(gòu)件相比最大提高115%。對(duì)于含中央裂紋鋼板，當(dāng)雙面粘貼加固時(shí)，加固后構(gòu)件的剩余疲勞壽命與未加固構(gòu)件相比最大提高54%。

國(guó)內(nèi)張寧等人對(duì)兩組十字形橫肋小試件進(jìn)行在拉一拉循環(huán)荷載作用下的疲勞試驗(yàn)研究。小試件采用3塊寬70 mm、厚度分別為20 mm和25 mm的鋼板焊接而成，制作了2組試件，每組10個(gè)，1組未加固，為原狀焊縫，另1組碳纖維加固，碳纖維粘貼方向與焊縫垂直，粘貼寬度與鋼板相同。試驗(yàn)采用等幅疲勞試驗(yàn)加載程序，波形為正弦波，頻率為500次/分，試驗(yàn)溫度為200℃-260℃。試驗(yàn)結(jié)果表明，在等應(yīng)力幅、等應(yīng)力值、應(yīng)力比相同等條件下，粘貼有碳纖維布的試件較原來(lái)試件疲勞性能有大幅度改善，疲勞壽命可以提高318%。從上面試驗(yàn)可以看出，CFRP粘貼加固疲勞損傷的鋼結(jié)構(gòu)，可以有效提高其疲勞剩余壽命。

鄭云等人采用斷裂力學(xué)的方法對(duì)CFRP加固疲勞損傷的裂紋鋼板來(lái)改善其剩余疲勞壽命進(jìn)行了理論分析。采用基于線彈性斷裂力學(xué)理論，用有限元模型對(duì)表征疲勞裂紋擴(kuò)

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展速率的裂紋前端應(yīng)力強(qiáng)度因子進(jìn)行了計(jì)算分析，并與相關(guān)文的算例和試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比對(duì)，有較好的準(zhǔn)確性。通過(guò)引入Paris2Erdogan裂紋擴(kuò)展模型，采用CFRP雙面粘貼加固后鋼板的剩余疲勞壽命得到顯著提高，從理論上驗(yàn)證了用CFRP加固疲勞損傷鋼結(jié)構(gòu)是非常有前途的一種加固方法。

1.3.4預(yù)應(yīng)力加固

預(yù)應(yīng)力CFRP加固鋼結(jié)構(gòu)是最近一段時(shí)間提出的加固新方法?，F(xiàn)有的試驗(yàn)研究很少，基本都處在理論研究階段。CFRP對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的承載力有一定的提高，為了進(jìn)一步利用CFRP良好的抗拉強(qiáng)度，江克斌與許特等人將傳統(tǒng)預(yù)應(yīng)力技術(shù)與CFRP加固技術(shù)相結(jié)合介紹了一種預(yù)應(yīng)力CFRP加固方法。預(yù)應(yīng)力CFRP技術(shù)就是在應(yīng)用CFRP對(duì)鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固時(shí)，首先對(duì)CFRP拉伸，然后將拉伸狀態(tài)的CFRP與鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行粘接，待二者粘接可靠后將預(yù)應(yīng)力設(shè)備撤收。在進(jìn)行了理論公式的推導(dǎo)后，對(duì)長(zhǎng)5000mm，高200mm，寬100mm的矩形截面鋼梁進(jìn)行了非線性分析。并證明了理論計(jì)算方法的適用性。趙啟林等人提出了CFRP加固鋼結(jié)構(gòu)的反拱預(yù)應(yīng)力技術(shù)。其基本思路是:首先利用已經(jīng)成熟的體外預(yù)應(yīng)力施加技術(shù)，在結(jié)構(gòu)使用荷載的反方向施加荷載，消除已有變形并且使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的變形，在該變形狀態(tài)下粘貼CFRP，當(dāng)CFRP與鋼結(jié)構(gòu)梁等結(jié)構(gòu)粘貼可靠后撤收施加預(yù)應(yīng)力的設(shè)備。推導(dǎo)了理論公式并用有限元分析了公式的適用性。預(yù)應(yīng)力加固現(xiàn)處在起步階段，將是今后重點(diǎn)研究的一個(gè)方向。

1.3.5 FRP加固鋼結(jié)構(gòu)有限元模擬的研究

目前國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有很多學(xué)者和科研機(jī)構(gòu)對(duì)纖維復(fù)合材料加固鋼結(jié)構(gòu)作了大量的研究，并且己發(fā)表了很多有關(guān)這方面的論文，其中絕大多數(shù)的研究成果是通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到的。然而由十受試驗(yàn)條件和經(jīng)費(fèi)的限制，試驗(yàn)所能提供的數(shù)據(jù)通常是有限的。

有限元法為研究纖維復(fù)合材料增強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)受力性能提供了一種有效工具。有限元分析大多采用ANSYS, ABAQUS、等大型有限元分析軟件，這些軟件對(duì)各種結(jié)構(gòu)的計(jì)算具有很好的適用性。采用有限元 模擬要處理的關(guān)鍵問(wèn)題在十膠層單元的選擇，由于在實(shí)際中，膠層雖是均勻的實(shí)體，且厚度很小(往往只有0.2-1毫米)，所以采用實(shí)體單元模擬的方法是行不通的，這往往會(huì)造成單元畸變，在已有的有限元模型中，對(duì)膠層單元的處理方式有以下幾種：

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1，不單獨(dú)建立膠層單元采用共節(jié)點(diǎn)或節(jié)點(diǎn)藕合的方式 即“三維實(shí)體一殼元模型”，在建立模型時(shí)，分別對(duì)鋼構(gòu)件和碳纖維片材劃分單元，不建立膠層單元，被粘貼表面和粘貼片材共用同一節(jié)點(diǎn)，或者采用藕合的方式使被粘貼面的節(jié)點(diǎn)和粘貼片材的的節(jié)點(diǎn)擁有相同的自由度。通過(guò)以上方式達(dá)到模擬粘貼的目的，但這種模擬方式假定加固片材與被加固構(gòu)件粘貼完好且在受力過(guò)程中不產(chǎn)生粘結(jié)滑移，顯然在實(shí)際中，這種假設(shè)是不存在的，所以采用此類模型分析的結(jié)果往往與實(shí)際有較大的誤差。

2，通過(guò)建立彈簧單元模擬膠層即“三維實(shí)體一彈簧一殼元模型，采用ANSYS中的彈簧單元Combin 14來(lái)模擬CFRP與工字鋼梁鋼板之間的膠層，在CFRP與膠層界面與工字鋼梁鋼板表面之間相應(yīng)的一對(duì)節(jié)點(diǎn)之間設(shè)置二個(gè)彈簧單元分別表示界面的法向(鋼板的厚度方向)、縱向切向和橫向切向。彈簧單元的長(zhǎng)度為膠層的厚度，法向彈簧單元的性能由粘結(jié)劑拉伸試驗(yàn)得到的應(yīng)力一應(yīng)變曲線確定，切向彈簧單元的性能由粘結(jié)劑剪切試驗(yàn)得到的應(yīng)力一應(yīng)變曲線確定，分析中認(rèn)為縱向切向彈簧和橫向切向彈簧的性能相同。在確定Combinl4單兀的實(shí)常數(shù)時(shí)，需要用到每個(gè)彈簧單元所對(duì)應(yīng)的粘結(jié)膠層的面積。根據(jù)彈簧所對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)的位置可以分為中間彈簧(即內(nèi)部彈簧)、邊界彈簧和角部彈簧。為了保證各部分的變形協(xié)調(diào)，在CFRP與膠層界面節(jié)點(diǎn)與FRP中面節(jié)點(diǎn)之間建立約束方程。

通過(guò)此有限元模型對(duì)鋼梁和組合梁粘貼CFRP加固前、后的性能進(jìn)行了分析，分析結(jié)果表明，損傷鋼梁和組合梁粘貼CFRP布和CFRP板加固后其性能恢復(fù)非常顯著，且粘貼CFRP板的加固效果更加明顯。對(duì)于完好鋼梁，采用CFRP布加固后，其剛度和屈服荷載提高不太明顯，極限荷載約提高；采用CFRP板加固后，其剛度和屈服荷載略有增加，分別為5.3%和4.7%，但是極限荷載增加較多，提高了14.1 %。對(duì)于損傷鋼梁，下翼緣截面削弱使其剛度降低了26.8%，采用CFRP布加固后，其剛度略有增加，僅提高了2.6%;采用CFRP板加固后其剛度明顯增加，提高了19.2%，損傷鋼梁的屈服荷載和極限荷載分別降低了73.1%和52.9%，但加固后屈服荷載和極限荷載大幅度提高，采用CFRP布加固后，屈服荷載和極限荷載分別提高了121.6%和97.6%;采用CFRP板加固后，屈服荷載和極限荷載分別提高了226.4%和128.5%。

1.4本論文選題的目的和意義

新世紀(jì)土木工程的發(fā)展，在很大程度上依賴于性能優(yōu)異的新材料的應(yīng)用與發(fā)展，如

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對(duì)于傳統(tǒng)的鋼筋增強(qiáng)材料，應(yīng)尋找一種強(qiáng)度高、重量輕、耐腐蝕和耐久性好的新材料；對(duì)于既有結(jié)構(gòu)的加固、維修和改造，應(yīng)具有強(qiáng)度/重量比大、施工快捷、施工后結(jié)構(gòu)承載力明顯提高等優(yōu)異的物理力學(xué)性能材料所代替。因此，利用性能優(yōu)異的復(fù)合材料對(duì)傳統(tǒng)方法進(jìn)行更新改造是21世紀(jì)土木工程領(lǐng)域可持續(xù)發(fā)展的重大研究課題。

纖維增強(qiáng)聚合物（Fiber Reinforced Polymer，簡(jiǎn)稱FRP）在20世紀(jì)下半葉開發(fā)伊始，是航空、國(guó)防等高科技領(lǐng)域的關(guān)鍵材料。近十幾年來(lái)，國(guó)際市場(chǎng)上碳纖維的價(jià)格大幅度降低，F(xiàn)RP以其特有的質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、耐腐蝕、耐疲勞和易加工等優(yōu)點(diǎn)，被越來(lái)越廣泛地應(yīng)用與各類工業(yè)和民用建筑工程、橋梁工程、海岸和近海工程等特種結(jié)構(gòu)之中。目前FRP在基礎(chǔ)設(shè)施工程中的應(yīng)用占復(fù)合材料市場(chǎng)的30%左右，已經(jīng)成為復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)的一個(gè)有力支柱。我們所采用的FRP材料集中于三種，即碳纖維增強(qiáng)塑料（CFRP）、玻璃纖維增強(qiáng)塑料（GFRP）和芳綸纖維增強(qiáng)塑料（AFRP），其中CFRP的性能最優(yōu)越，應(yīng)用最為廣泛。本論文研究的就是玻璃纖維增強(qiáng)塑料。

FRP用于加固混凝土結(jié)構(gòu)是近二十年來(lái)發(fā)展起來(lái)的新技術(shù)，由于其無(wú)可比擬的優(yōu)越性和明顯的應(yīng)用前景，迅速被認(rèn)同并得到日益廣泛的應(yīng)用。有關(guān)的研究工作也相繼展開，如（1）梁和板的加固研究；（2）加固混凝土柱以及柱狀物性能的研究。另外，研究者和工程師們對(duì)FRP加固梁柱結(jié)點(diǎn)的性能、耐久性、疲勞性能、砌體結(jié)構(gòu)等均進(jìn)行了一些初步的研究。

隨著各種加固工程的開展，鋼結(jié)構(gòu)和纖維布之間的界面粘結(jié)問(wèn)題開始引起人們的關(guān)注。粘結(jié)強(qiáng)度通常是傳力過(guò)程中的薄弱環(huán)節(jié)，因此這方面的研究工作與加固技術(shù)的發(fā)展水平有著密切的關(guān)系。對(duì)于FRP界面性能與界面附近混凝土中裂紋生成、擴(kuò)展的關(guān)系，國(guó)內(nèi)外的研究對(duì)象多集中于混凝土受彎構(gòu)件。人們認(rèn)為混凝土裂縫首先由彎曲引起，因?yàn)榈谝坏懒芽p往往出現(xiàn)在混凝土受拉區(qū)，要防止裂縫開展，梁的側(cè)面抗剪加固固然重要，但更重要的是保證梁有足夠的抗彎能力。針對(duì)混凝土構(gòu)件裂縫下面的FRP開粘問(wèn)題開展了一些試驗(yàn)研究，并提出了各種理論分析模型，如基于斷裂力學(xué)的分析模型、基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的經(jīng)驗(yàn)公式、界面強(qiáng)度模型以及設(shè)計(jì)公式等。

本論文采用ANSYS軟件，對(duì)CFRP加固鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力數(shù)值模擬分析，為研究疲勞載荷下的分析研究打下堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。由于FRP加固鋼結(jié)構(gòu)的理論研究與實(shí)際應(yīng)用同步進(jìn)行，選用此課題有利于提高學(xué)生綜合分析的能力，引導(dǎo)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際，啟發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造力。

本選題涉及理論與應(yīng)用力學(xué)專業(yè)《彈性力學(xué)》、《有限元方法》、《軟件設(shè)計(jì)與應(yīng)用》

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等多方面知識(shí)。通過(guò)本項(xiàng)目可以考察學(xué)生所學(xué)專業(yè)知識(shí)以及分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力纖維增強(qiáng)復(fù)合材料是指由基體材料和增強(qiáng)纖維材料組成的材料。纖維復(fù)合材料按纖維種類的不同可分為碳纖維、玻璃纖維(俗稱玻璃鋼)、芳綸纖維、硼纖維等復(fù)合材料;按基體材料的不同可分為樹脂基體、陶瓷基體、金屬基體等。在所有纖維復(fù)合材料中，以碳纖維復(fù)合材料用量最大、技術(shù)最成熟、應(yīng)用范圍最廣，這主要是因?yàn)樘祭w維材料的極限抗拉強(qiáng)度比其它纖維材料高。

1.5本論文的主要內(nèi)容

該論文首先簡(jiǎn)單介紹了FRP加固技術(shù)的特點(diǎn)和研究現(xiàn)狀，然后系統(tǒng)介紹了有限元法的理論基礎(chǔ)。并針對(duì)不同纖維增強(qiáng)材料CFRP、GFRP加固后的鋼結(jié)構(gòu)建立力學(xué)計(jì)算模型，用ANSYS軟件進(jìn)行靜力數(shù)值模擬分析。最后對(duì)靜力分析結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，得出結(jié)論，為研究疲勞載荷下的分析研究打下堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。

1.6本章小結(jié)

本章節(jié)主要介紹了現(xiàn)役工程結(jié)構(gòu)的幾種加固方法，并對(duì)各種加固措施的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行比對(duì)，然后重點(diǎn)介紹了碳纖維增強(qiáng)材料加固鋼結(jié)構(gòu)的技術(shù)特點(diǎn)以及國(guó)內(nèi)外對(duì)FRP加固技術(shù)的研究程度和應(yīng)用現(xiàn)狀。通過(guò)本章內(nèi)容，我們可以對(duì)FRP加固工程結(jié)構(gòu)的技術(shù)有了一個(gè)整體的認(rèn)識(shí)。

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第二章 理論基礎(chǔ)—有限單元法

2.1 有限元方法簡(jiǎn)介

有限元方法是用于求解工程中各類問(wèn)題的數(shù)值方法。結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，剛度分析中的靜力，動(dòng)力，線形或非線形問(wèn)題，熱傳導(dǎo)中穩(wěn)態(tài)，瞬態(tài)或者熱應(yīng)力問(wèn)題，以及流體力學(xué)和電磁學(xué)中的很多問(wèn)題都可以用有限元方法解決。

有限元法最初作為結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)位移法的發(fā)展，他的基本思路就是將復(fù)雜的結(jié)構(gòu)看成由有限個(gè)單元僅在結(jié)點(diǎn)處聯(lián)結(jié)的整體，首先對(duì)每一個(gè)單元分析其特性，建立相關(guān)物理量之間的相互聯(lián)系。然后，依據(jù)單元之間的聯(lián)系將各單元組裝成整體，從而獲得整體特性方程，應(yīng)用方程相應(yīng)的解法，即可完成整個(gè)問(wèn)題的分析。這種先化整為零，再集零為整和化未知為已知的研究方法，是有普遍意義的。

有限元方法作為一種近似的數(shù)值分析方法，它借助于矩陣等數(shù)學(xué)工具，盡管計(jì)算工作量很大，但是整個(gè)分析是一致，有很強(qiáng)的規(guī)律性，因此特別適合于編制計(jì)算機(jī)程序來(lái)處理。一般來(lái)說(shuō)，一定前提條件下分析的近似性，隨著離散化網(wǎng)格的不斷細(xì)化，計(jì)算精度也隨之得到改善。所以，隨著計(jì)算機(jī)硬軟件技術(shù)的飛速發(fā)展，有限元分析技術(shù)得到了越來(lái)越多的應(yīng)用，40年左右的發(fā)展幾乎涉及了各類科學(xué)，工程領(lǐng)域中的問(wèn)題。從應(yīng)用的深度和廣度來(lái)看，有限元法的研究和應(yīng)用正繼續(xù)不斷地向前探索和推進(jìn)。

2.2 有限單元法的分析過(guò)程

從有限單元法命名至今已經(jīng)經(jīng)歷了40年左右的發(fā)展，用有限單元法來(lái)解決問(wèn)題，從理論上講，無(wú)論是簡(jiǎn)單的一維桿系結(jié)構(gòu)，還是受復(fù)雜荷載和不規(guī)則邊界情況的二維平面，軸對(duì)稱問(wèn)題，三維空間塊體等問(wèn)題的靜力，動(dòng)力和穩(wěn)定性分析，考慮材料具有非線形力學(xué)行為和有限變形的分析，溫度場(chǎng)，電磁場(chǎng)，流體，液-固體，結(jié)構(gòu)與土壤相互作用等工程復(fù)雜問(wèn)題的分析都可得到滿意的解決，而且其基本思路和分析過(guò)程是基本相同的。

2.2.1.結(jié)構(gòu)離散化

應(yīng)用有限元法來(lái)分析工程問(wèn)題的第一步，首先是將結(jié)構(gòu)進(jìn)行離散化。其過(guò)程就是將

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待分析的結(jié)構(gòu)（或更數(shù)學(xué)化一點(diǎn)也可稱為求解域）用一些假想的線或面進(jìn)行切割，使其成為具有選定切割形狀的有限個(gè)單元體（此處的單元體和材料力學(xué)中的微元體是根本不同的，它的尺度是有限值而不是微量）。這些單元體被認(rèn)為僅僅在單元的一些指定點(diǎn)處相互連接，這些單元上的點(diǎn)則稱為單元的結(jié)點(diǎn)。這一步的實(shí)質(zhì)也就是用單元的集合體來(lái)代替原來(lái)待分析的結(jié)構(gòu)。

為了便于理論推倒和用計(jì)算程序進(jìn)行分析，一般來(lái)說(shuō)結(jié)構(gòu)離散化的具體步驟是：建立單元和整體坐標(biāo)系，對(duì)單元和結(jié)點(diǎn)進(jìn)行合理的編號(hào)，為后續(xù)有限元分析準(zhǔn)備出所必須的數(shù)據(jù)化信息。

空間離散化模型常用的單元有四面體單元，長(zhǎng)方體單元，直邊六面體單元，曲邊六面體單元（或曲面六面體）單元。本文采用空間八結(jié)點(diǎn)六面體單元的離散化模型（圖2-1）。八結(jié)點(diǎn)六面體單元是三維彈性體有限元分析中較為簡(jiǎn)單的一種單元。該單元每個(gè)結(jié)點(diǎn)沿坐標(biāo)x,y,z共有三個(gè)自由度。對(duì)于八結(jié)點(diǎn)六面體單元（見圖2-1），設(shè)單元邊長(zhǎng)在x,y,z方向分別為2a,2b,2c,如果用三維局部坐標(biāo)戲?,?,?來(lái)表示，取單元的形心為原點(diǎn)，可得

??

zxyz

????

a b c 2-1

??o?2c2a2boxy圖2-1 八結(jié)點(diǎn)六面體單元圖

其中1，2，3??8為結(jié)點(diǎn)編號(hào)。

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2.2.2確定單元位移模式

結(jié)構(gòu)離散化后，接下來(lái)的工作就是對(duì)結(jié)構(gòu)離散化所得的任一典型模型進(jìn)行所謂單元特性分析。為此，首先必須對(duì)該單元中任意一點(diǎn)的位移分布做出假設(shè)，即在單元內(nèi)用只具有有限自由度的簡(jiǎn)單位移代替真實(shí)位移。對(duì)位移元來(lái)說(shuō)，就是將單元中任意一點(diǎn)的位移近似的表示成該單元結(jié)點(diǎn)位移的函數(shù)，該位移稱為單元的位移函數(shù)或位移模式。位移函數(shù)的假設(shè)合理與否，將直接影響到有限元分析的計(jì)算精度，效率和可靠性。目前比較常用的方法是以多項(xiàng)式作為位移模式，這主要是因?yàn)槎囗?xiàng)式的微積分比較簡(jiǎn)單而且從泰勒級(jí)數(shù)展開的意義來(lái)講，任何光滑函數(shù)都可以用無(wú)限項(xiàng)的泰勒級(jí)數(shù)多項(xiàng)式來(lái)展開。位移模式的合理選擇，是有限單元法的最重要內(nèi)容之一，不管哪類位移元，采用矩陣符號(hào)并建立相應(yīng)的矩陣方程，單元中任意一點(diǎn)的位移矩陣d，均可用該單元結(jié)點(diǎn)位移排列成的矩陣。（稱為單元結(jié)點(diǎn)位移矩陣）?e來(lái)

ed?N?

2-2 式中N為形函數(shù)矩陣，其元素是坐標(biāo)的函數(shù)。

設(shè)定單元的形函數(shù)為三次線性函數(shù)，即假定：

1Ni?(1??i?)(1???i)(1??i?)8(i?1,2,3,…,8)2-3

其中，?i，?i，?i表示結(jié)點(diǎn)i的局部坐標(biāo)值。對(duì)局部坐標(biāo)，利用結(jié)點(diǎn)位移分量進(jìn)行函數(shù)插值，可直接構(gòu)造出單元位移模式：

8??u??Niuii?1?8??v??Nivii?1? 2-4 8?????Ni?ii?1?

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2.2.3.單元特性分析

確定了 單元的位移模式之后，就可以對(duì)單元做如下三個(gè)方面的工作：

（1）利用應(yīng)變和位移之間關(guān)系即幾何方程，將單元中任意一點(diǎn)的應(yīng)變?用待定的單元結(jié)點(diǎn)位移?來(lái)表示，即建立以下的矩陣方程：

e?=B?e

??u?????x

?v?y?w?z?u?v??y?x?v?w??z?y?w?u????x?z?T 2-5

式中：B為變形矩陣（也可稱為應(yīng)變矩陣），一般其元素也是坐標(biāo)函數(shù)。

（2）利用應(yīng)力和應(yīng)變之間的關(guān)系即物理方程，推倒出用單元結(jié)點(diǎn)位移?表示的單元中任意一點(diǎn)應(yīng)力?的矩陣方程：

e??DB?e=S?e 2-6

式中：D為由單元材料彈性常數(shù)所確定的彈性矩陣，S=DB一般稱為應(yīng)力矩陣。

?1????1??????1??E(1??)?D?(1??)(1?2?)?0???0???0????????????????1?2??2(1??)?? 2-7

1?1??0001000對(duì)1?2?2(1??)00稱1?2?2(1??)0

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利用虛位移原理或最小勢(shì)能原理（對(duì)其他類型的一些有限元將應(yīng)用其他對(duì)應(yīng)的變分原理等）建立單元?jiǎng)偠确匠蹋?/p>

ke?e?Fe?FEe 2-8

式中：F為單元結(jié)點(diǎn)力矩陣，它是想鄰單元對(duì)所討論單元產(chǎn)生的結(jié)點(diǎn)作用力所排列成的矩陣；F為作用在該單元上的外荷載轉(zhuǎn)換成的，作用于單元結(jié)點(diǎn)上的單元等效荷載矩陣；K由虛位移原理和最小勢(shì)能原理推倒所得，是將單元結(jié)點(diǎn)位移和單元結(jié)點(diǎn)力，單元等效結(jié)點(diǎn)荷載聯(lián)系起來(lái)的聯(lián)系矩陣，稱為單元?jiǎng)偠染仃?。其?jì)算公式一般均為： eeeEke??eBTDBd?? 2-9

在積分式中X視所討論的問(wèn)題而異，對(duì)平面問(wèn)題是單元的面積，對(duì)空間問(wèn)題則表示單元的體積等。

2.2.4.建立表示整個(gè)結(jié)構(gòu)結(jié)點(diǎn)平衡的方程組

有了單元特性的分析結(jié)果，象結(jié)構(gòu)力學(xué)中的超靜定的位移法一樣，對(duì)各單元僅在結(jié)點(diǎn)相互連接的單元集合體用虛位移原理或最小勢(shì)能原理進(jìn)行推導(dǎo)，可以建立起表示整個(gè)結(jié)構(gòu)（實(shí)際上更確切的說(shuō)是單元集合體）結(jié)點(diǎn)平衡的方程組，即整體剛度方程：

d?Pe?P 2-10 K??P

式中：K為整體剛度矩陣，P為整體綜合結(jié)點(diǎn)荷載矩陣（它包含直接結(jié)點(diǎn)荷載Pd與等效結(jié)點(diǎn)荷載PE兩部分），?為結(jié)構(gòu)整體結(jié)點(diǎn)位移矩陣。通過(guò)所謂的直接剛體法，可以用“對(duì)號(hào)入座”的方式由各單元的單元?jiǎng)偠染仃嚭蛦卧刃ЫY(jié)點(diǎn)荷載矩陣集成整體剛度矩陣和整體等效結(jié)點(diǎn)荷載矩陣。

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2.2.5.解方程組和輸出計(jì)算結(jié)果

對(duì)于線彈性計(jì)算問(wèn)題，整體剛度矩陣一般是一組高階的線形代數(shù)方程組。由于整體剛度矩陣具有帶狀，稀疏和對(duì)稱等特性，在有限元發(fā)展過(guò)程中，人們通過(guò)研究，建立了許多不同的存蓄方式和計(jì)算方法，目的是節(jié)省計(jì)算機(jī)空間和提高計(jì)算效率，利用相應(yīng)的計(jì)算方法，即可求出全部的結(jié)點(diǎn)位移。

求出結(jié)構(gòu)全部結(jié)點(diǎn)位移后，利用分析過(guò)程中已建立的一些關(guān)系，既可以進(jìn)一步計(jì)算單元中的應(yīng)力或內(nèi)力，并以數(shù)表或圖形的方式輸出結(jié)果。依據(jù)這些結(jié)果，就可以進(jìn)行具體結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步設(shè)計(jì)。

2.3 ANSYS主要內(nèi)容介紹

2.3.1 ANSYS軟件功能簡(jiǎn)介

ANSYS軟件主要包括3個(gè)部分：前處理模塊、求解模塊和后處理模塊。

1.前處理模塊：前處理模塊提供了一個(gè)強(qiáng)大的實(shí)體建模及網(wǎng)格劃分工具，用戶可以方便地構(gòu)造有限元模型。

2.求解模塊：分析計(jì)算模塊包括結(jié)構(gòu)分析（可進(jìn)行線形分析，非線形分析和高度非線形分析），流體動(dòng)力學(xué)分析，電磁場(chǎng)分析，聲場(chǎng)分析，壓電分析以及物理場(chǎng)的耦合分析，可模擬各種物理介質(zhì)的相互作用，具有靈敏度分析及優(yōu)化分析能力。

3.后處理模塊：后處理模塊可將計(jì)算結(jié)果以彩色等值線顯示，梯度顯示，矢量顯示，粒子流跡顯示，立體切片顯示，透明及半透明顯示（可看到結(jié)構(gòu)內(nèi)部）等圖形方式顯示出來(lái)，也可將結(jié)果以圖表，曲線形式顯示或輸出。

軟件提供了100種以上的單元類型，用來(lái)模擬工程中的各種結(jié)構(gòu)和材料。該軟件有多種版本，可以運(yùn)行在從個(gè)人機(jī)到大型機(jī)的多種計(jì)算機(jī)設(shè)備上，如PC，SGI，HP，SUN，IBM，CRAY等。

啟動(dòng)ANSYS后，進(jìn)入歡迎畫面以后，程序停留在開始平臺(tái)。從開始平臺(tái)（主菜單）可以進(jìn)入各種處理模塊：前處理，求解模塊，后處理。

用戶的指令可以通過(guò)鼠標(biāo)點(diǎn)擊菜單項(xiàng)，選取和執(zhí)行，也可以在命令輸入窗口通過(guò)鍵盤輸入。命令一經(jīng)執(zhí)行，該命令就會(huì)在.LOG文件中列出，打開輸出窗口可以看到。LOG 19

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文件的內(nèi)容，如果軟件運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)問(wèn)題，查看.LOG文件中的命令流及其錯(cuò)誤提示，將有助于快速發(fā)現(xiàn)問(wèn)題的根源。LOG文件的內(nèi)容可以略作修改存到一個(gè)批處理文件中，在以后進(jìn)行同樣工作時(shí)，由ANSYS自動(dòng)讀入并執(zhí)行，這是ANSYS軟件的第三種命令輸入方式。這種命令方式在進(jìn)行某些重復(fù)性較高的工作時(shí)，能有效的提高工作速度。

2.3.2 ANSYS操作詳細(xì)解

雙擊實(shí)用菜單中的“Preprocessor”,進(jìn)入ANSYS的前處理模塊。這個(gè)模塊主要有兩部分內(nèi)容：實(shí)體建模和網(wǎng)格劃分。1.前處理模塊：

（1）實(shí)體建模

ANSYS程序提供了兩種實(shí)體建模方法：自底向上與自頂向下。

自底向上進(jìn)行實(shí)體建模時(shí)，用戶從最低級(jí)的圖元向上構(gòu)造模型，即：用戶首先定義關(guān)鍵點(diǎn)，然后是相關(guān)的線、面、體。

自頂向下進(jìn)行實(shí)體建模時(shí)，用戶定義一個(gè)模型的最高級(jí)圖元，如球，棱柱，稱為基元，程序則自動(dòng)定義相關(guān)的面，線及關(guān)鍵點(diǎn)。用戶利用這些高級(jí)圖元直接構(gòu)造幾何模型，如二維的圓和矩形以及三維的塊，球，錐和柱。無(wú)論使用自頂向下還是自底向上方法建模，用戶均能使用布爾運(yùn)算來(lái)組合數(shù)據(jù)集合，從而雕塑出一個(gè)實(shí)體模型。ANSYS程序提供了完整的布爾運(yùn)算，諸如相加，相減，相交，分割，粘結(jié)和重疊。在創(chuàng)建復(fù)雜實(shí)體模型時(shí)，對(duì)線，面，體，基元的布爾操作能減少相當(dāng)可觀的建模工作量。ANSYS程序還提供了拖延，延伸，旋轉(zhuǎn)，移動(dòng)，延伸和復(fù)制實(shí)體模型圖元的功能。附加的功能還包括圓弧構(gòu)造，切線構(gòu)造，通過(guò)拖拉與旋轉(zhuǎn)生成面和體，線與面的自動(dòng)相交運(yùn)算，自動(dòng)倒角生成，用于網(wǎng)格劃分的硬點(diǎn)的建立，移動(dòng)，復(fù)制和刪除。

（2）網(wǎng)格劃分

ANSYS程序提供了使用便捷，高質(zhì)量的對(duì)CAD模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分的功能。包括四種網(wǎng)格劃分：延伸網(wǎng)格劃分，映象網(wǎng)格劃分，自由網(wǎng)格劃分和自適應(yīng)網(wǎng)格劃分。

延伸網(wǎng)格劃分可將一個(gè)二維網(wǎng)格延伸成一個(gè)三維網(wǎng)格。映象網(wǎng)格劃分允許用戶將幾何模型分解成簡(jiǎn)單的幾部分，然后選擇合適的單元屬性和網(wǎng)格控制，生成映象網(wǎng)格。ANSYS程序的自由網(wǎng)格劃分器功能是十分強(qiáng)大的，可對(duì)復(fù)雜模型直接劃分，避免了用戶對(duì)各個(gè)部分分別劃分然后進(jìn)行組裝時(shí)各部分網(wǎng)格不可匹配帶來(lái)的麻煩。自適應(yīng)網(wǎng)格劃分

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是在生成了具有邊界條件的實(shí)體模型以后，用戶指示程序自動(dòng)地生成有限元網(wǎng)格，分析，估計(jì)網(wǎng)格的離散誤差，然后重新定義網(wǎng)格大小，再次分析計(jì)算，估計(jì)網(wǎng)格的離散誤差，直至誤差低于用戶定義的值或達(dá)到用戶定義的求解次數(shù)。

2.求解模塊

前處理階段完成建摸以后，用戶可以在求解階段獲得分析結(jié)果。

點(diǎn)擊快捷工具區(qū)SAVE-DB將前處理模塊生成的模型存盤，退出Preprocessor,點(diǎn)擊實(shí)用菜單項(xiàng)中的Solution,進(jìn)入求解模塊。在該階段，用戶可以定義分析類型，分析選項(xiàng)，載荷數(shù)據(jù)和載荷步選項(xiàng)，然后開始有限元求解。

3.后處理模塊POST1和POST26

ANSYS軟件的后處理過(guò)程包括兩個(gè)部分：通用后處理模塊POST1和時(shí)間歷程后處理模塊POST26。通過(guò)友好的用戶界面，可以很容易獲得求解過(guò)程的計(jì)算結(jié)果并對(duì)其進(jìn)行顯示。這些結(jié)果可能包括位移、溫度、應(yīng)力、應(yīng)變、速度及熱流等，輸出形式可以有圖形顯示和數(shù)據(jù)列表兩種。

（1）通用后處理模塊POST1

點(diǎn)擊實(shí)用菜單項(xiàng)中的“General Postproc”選項(xiàng)即可進(jìn)入通用后處理模塊。這個(gè)模塊對(duì)前面的分析結(jié)果能以圖形形式顯示和輸出。例如，計(jì)算結(jié)果（如應(yīng)力）在模型上的變化情況可用等值線圖表示，不同的等值線顏色，代表了不同的值（如應(yīng)力值）。濃淡圖則用不同的顏色代表不同的數(shù)值區(qū)（如應(yīng)力范圍），清晰地反映了計(jì)算結(jié)果的區(qū)域分布情況。

（2）時(shí)間歷程響應(yīng)后處理模塊POST26 點(diǎn)擊實(shí)用菜單項(xiàng)中的TimeHist Postpro選項(xiàng)即可進(jìn)入時(shí)間歷程響應(yīng)后處理模塊。這個(gè)模塊用于檢查在一個(gè)時(shí)間段或子步歷程中的結(jié)果，如節(jié)點(diǎn)位移、應(yīng)力或支反力。這些結(jié)果能通過(guò)繪制曲線或列表查看。繪制一個(gè)或多個(gè)變量隨頻率或其它量變化的曲線，有助于形象化地表示分析結(jié)果。另外，POST26還可以進(jìn)行曲線的代數(shù)運(yùn)算。

2.3.3 ANSYS軟件提供的分析類型：

1.結(jié)構(gòu)靜力分析

用來(lái)求解外載荷引起的位移，應(yīng)力和力。靜力分析很適合求解慣性和阻尼對(duì)結(jié)構(gòu)的影響別不顯著的問(wèn)題。ANSYS程序中的靜力分析不僅可以進(jìn)行線形分析，而且也可以進(jìn)

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行非線形分析，如塑性，蠕變，膨脹，大變形，大應(yīng)變及接觸分析。

2.結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析

結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析用來(lái)求解隨時(shí)間變化的載荷對(duì)結(jié)構(gòu)或部件的影響。與靜力分析不同，動(dòng)力分析要考慮隨時(shí)間變化的力載荷以及它對(duì)阻尼和慣性的影響。ANSYS可進(jìn)行的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析類型包括：瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析、模態(tài)分析、諧波響應(yīng)分析及隨機(jī)振動(dòng)響應(yīng)分析。

3.結(jié)構(gòu)非線性分析

結(jié)構(gòu)非線性導(dǎo)致結(jié)構(gòu)或部件的響應(yīng)隨外載荷不成比例變化。ANSYS程序可求解靜態(tài)和瞬態(tài)非線性問(wèn)題，包括材料非線性、幾何非線性和單元非線性三種。

4.動(dòng)力學(xué)分析

ANSYS程序可以分析大型三維柔體運(yùn)動(dòng)。當(dāng)運(yùn)動(dòng)的積累影響起主要作用時(shí)，可使用這些功能分析復(fù)雜結(jié)構(gòu)在空間中的運(yùn)動(dòng)特性，并確定結(jié)構(gòu)中由此產(chǎn)生的應(yīng)力、應(yīng)變和變形。

5.熱分析

程序可處理熱傳遞的三種基本類型：傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射。熱傳遞的三種類型均可進(jìn)行穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)、線性和非線性分析。熱分析還具有可以模擬材料固化和熔解過(guò)程的相變分析能力以及模擬熱與結(jié)構(gòu)應(yīng)力之間的熱－結(jié)構(gòu)耦合分析能力。

此外還有電磁場(chǎng)分析，流體動(dòng)力學(xué)分析，聲場(chǎng)分析，壓電分析等。

2.4本章小結(jié)

有限元方法是用于求解工程中各類問(wèn)題的數(shù)值方法。結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，剛度分析中的靜力，動(dòng)力，線形或非線形問(wèn)題，熱傳導(dǎo)中穩(wěn)態(tài)，瞬態(tài)或者熱應(yīng)力問(wèn)題，以及流體力學(xué)和電磁學(xué)中的很多問(wèn)題都可以用有限元方法解決。有限元的基本步驟有：結(jié)構(gòu)離散化，確定單元位移模式，單元特性分析，按離散情況集成所有單元的特性，建立表示整個(gè)結(jié)構(gòu)結(jié)點(diǎn)平衡的方程組，解方程組和輸出計(jì)算結(jié)果。

ANSYS以有限元為基礎(chǔ)，是非常實(shí)用的計(jì)算機(jī)模擬軟件，其功能強(qiáng)大，在工程上得到廣泛的應(yīng)用，用ANSYS分析問(wèn)題時(shí)主要分為：前處理，求解，后處理三個(gè)模塊。常用的ANSYS單元有很多種，本文采用SHELL41、SOLID45和 SOLID65單元。

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第三章 FRP加固工字形鋼梁有限元分析

3.1有限元軟件ANSYS分析

3.1.1基本假定

為了簡(jiǎn)化分析過(guò)程，所作的基本假定如下：

1)材料為理想彈塑性材料； 2)小應(yīng)變假定；

3)不考慮幾何缺陷和殘余應(yīng)力。

3.1.2有限元模型的單元屬性及材料性能

對(duì)FRP加固工字鋼梁進(jìn)行分析時(shí)，主要存在以下兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題:

1)FRP與工字鋼梁之間的粘結(jié)膠層厚度一般都很小，約為0.2 ～1.0mm,如果有限元分析中膠層采用實(shí)體單元，則可能造成單元畸變或單元數(shù)目過(guò)多，對(duì)膠層的模擬是有限元分析的關(guān)鍵之一。

2)與工字鋼梁相比，F(xiàn)RP的厚度也很小，如一層30型碳纖維布的厚度僅為0.167mm，因此，有限元分析中FRP單元類型的選取是非常重要的。本文提出的“三維實(shí)體一彈簧一殼元”有限元模型可以較好地解決上述問(wèn)題，既減少了有限元模型的規(guī)模，又具有較高的精度。

表3-1材料性能

材料 工字鋼梁 粘結(jié)膠層

FRP材料

材料性能

E=200Gpa;

??0.3 E=3Gpa

;

Ga=1Gpa Ex=300Gpa;Ey=Ez=1Gpa Gxy=Gxz=5Gpa;Gyz=2.5Gpa

備注 各項(xiàng)同性材料 各項(xiàng)同性材料

各向異性材料

?xy =?xz =0.28;?yz =0.35

有限元分析采用的材料性能見表1。材料假定為雙線性彈塑性材料，服從Von Mises

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屈服準(zhǔn)則和各向同性硬化，模型的材料采用Q235鋼材，其性能如上表所示。

3.1.3工字鋼梁的模擬

工字鋼梁的模擬采用三維實(shí)體單元Solid45。該單元由8個(gè)節(jié)點(diǎn)結(jié)合而成，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有x, y, z三個(gè)方向的自由度。該單元具有塑性，蠕變，膨脹，應(yīng)力強(qiáng)化，大變形和大應(yīng)變的特征。根據(jù)不同的網(wǎng)絡(luò)劃分選項(xiàng)，可以采用六面體、三棱體或三棱錐等形狀，還可以獲得簡(jiǎn)化的綜合的微控選項(xiàng)。圖1給出了Solid45單元結(jié)點(diǎn)空間模型。

圖3-1 Solid45單元模型

3.1.4粘結(jié)膠層的模擬

由于粘結(jié)膠層的厚度很小，因此在有限元分析中采用實(shí)體單元是不合適的。本文采用ANSYS中的彈簧單元Combinl4來(lái)模擬FRP與工字鋼梁鋼板之間的膠層，在FRP一膠層界面與工字鋼梁鋼板表面之間相應(yīng)的一對(duì)節(jié)點(diǎn)之間設(shè)置三個(gè)彈簧單元分別表示界面的法向(鋼板的厚度方向)、縱向切向和橫向切向，如圖2所示：

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圖3-2粘結(jié)膠層彈簧模型

圖3-3彈簧單元面積計(jì)算

彈簧單元的長(zhǎng)度為膠層的厚度，法向彈簧單元的性能由粘結(jié)劑拉伸試驗(yàn)得到的應(yīng)力一應(yīng)變曲線確定，切向彈簧單元的性能由粘結(jié)劑剪切試驗(yàn)得到的應(yīng)力一應(yīng)變曲線確定，分析中認(rèn)為縱向切向彈簧和橫向切向彈簧的性能相同。在確定Combinl4單元的實(shí)常數(shù)時(shí)，需要用到每個(gè)彈簧單元所對(duì)應(yīng)的粘結(jié)膠層的面積如圖3所示。從圖中可以看出，根據(jù)彈簧所對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)的位置可以分為中間彈簧(內(nèi)部彈簧)、邊界彈簧和角部彈簧三類彈

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簧，各類彈簧對(duì)應(yīng)的面積計(jì)算公式分別為：

中間彈簧：Ai =1／4（a+b）(c+d)邊界彈簧：Ae =1／4（a+b）e 角部彈簧：Ac =1／4eg

3-1 3.1.5 FRP的模擬

加固鋼結(jié)構(gòu)采用的FRP厚度一般較小，所以本文采用She1163單元來(lái)模擬。為了保證各部分的變形協(xié)調(diào)，需要在FRP一膠層界面節(jié)點(diǎn)與FRP中面節(jié)點(diǎn)之間建立約束方程，如圖4所示，圖中ta為膠層的厚度，tp為FRP的厚度，F(xiàn)RP的中面節(jié)點(diǎn)i FRP一膠層界面節(jié)點(diǎn).j之間的約束方程為:

3-2 式中:ui、vi和wi為CFRP一膠層界面節(jié)點(diǎn)沿其節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)系x, y, z的方向的位移;uj、vj和wj 為CFRP的中面節(jié)點(diǎn)沿其節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)系x, y, z的方向的位移θy(j)為CFRP的橫截面繞其Y軸的轉(zhuǎn)角；

圖3-4約束方程

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3.2 ANSYS分析步驟

3.2.1主要操作步驟

ANSYS分析過(guò)程主要包括3個(gè)主要步驟。1.前處理模塊：

（1）定義單元類型

（2）定義實(shí)常數(shù)

（3）定義材料屬性

（4）創(chuàng)建或輸入幾何模型

（5）劃分網(wǎng)格（產(chǎn)生結(jié)點(diǎn)及單元）

2.求解模塊：

（1）施加荷載

（2）設(shè)定約束條件（3）求解 3.后處理：（1）查看分析結(jié)果（2）檢查結(jié)果

3.2.2具體ANSYS建模計(jì)算及分析步驟

3.2.2.1,建模準(zhǔn)備工作

（1）工字鋼截面尺寸

120㎜×72㎜×8㎜×10㎜ 梁長(zhǎng)取1000㎜（2）材料屬性如下：

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表3-2材料性能

材料 材料性能

備注 工字鋼梁

E=200Gpa;

??0.3 各項(xiàng)同性材料

粘結(jié)膠層

E=3Gpa

;

Ga=1Gpa 各項(xiàng)同性材料

Ex=300Gpa;Ey=Ez=1Gpa FRP材料

Gxy=Gxz=5Gpa;Gyz=2.5Gpa

各向異性材料

?xy =?xz =0.28;?yz =0.35

（3）CFRP選用L300-C，單層厚度為0.167㎜，密度為1800㎏／m

3鋼材選用Q235型，密度取7850㎏／m3

3.2.2.2.前處理模塊

（1）定義單元類型 定義鋼梁?jiǎn)卧愋?/p>

Main Menu> Preprocessor> Element Type> Add/Edit/Delete

圖3-5定義鋼梁?jiǎn)卧愋?/p>

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圖3-6定義CFRP單元類型

圖3-7定義完后的單元類型

2）定義實(shí)常數(shù)

（Main Menu> Preprocessor> Real Constants > Add/Edit/Delete

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圖3-8定義CFRP厚度

（3）定義材料屬性

Main Menu> Preprocessor> material props > material models > Structural > Linear > Elastic > Isotropic

圖3-9定義材料屬性

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圖3-10定義材料屬性

圖3-11定義鋼的屈服準(zhǔn)則

定義Q235鋼板的本構(gòu)關(guān)系（假設(shè)材料為理想彈塑性）

Main Menu>Preprocessor> material props > material models >

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Structural>nonlinear>inelastic> rate impendent > isotropic hardening plasticity > mises plasticity

圖3-12定義鋼的屈服強(qiáng)度

本構(gòu)關(guān)系曲線如下：

圖3-13鋼材的本構(gòu)關(guān)系

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定義CFRP材料密度

圖3-14定義CFRP的密度

假設(shè)CFRP為各向異性材料，定義它的性能指標(biāo)

圖3-15CFRP的力學(xué)性能指標(biāo)

單元屬性的最終的定義結(jié)果如下圖所示：

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圖3-16材料屬性定義顯示結(jié)果

（4）創(chuàng)建幾何模型

模型采用自底向上的方法建立 創(chuàng)建關(guān)鍵點(diǎn)

Main Menu>Preprocessor > Modeling>create> key points>in active CS

類似地創(chuàng)建其它點(diǎn)：

1,（-0.036,0,0）2,（0.036,0,0）3,（0.036,0.01,0）4,（0.004,0.01,0）5,（-0.004,0.01,0）6,（-0.036,0.01,0）7,（-0.036,0.11,0）8,（-0.004,0.11,0）

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9,（0.004,0.11,0）10,（0.036,0.11,0）11,(0.036,0.12,0)12,(-0.036,0.12,0)通過(guò)關(guān)鍵點(diǎn)創(chuàng)建面

Main Menu > Preprocessor > Modeling > create > Areas > through key points

利用面托拉生成實(shí)體

圖3-17建模過(guò)程

然后在梁底建立一個(gè)面作為殼單元CFRP，并通過(guò)移動(dòng)工作平面在梁底建立兩塊實(shí)體墊塊，最終生成以下幾何模型：

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圖3-18實(shí)體模型

對(duì)幾何模型進(jìn)行Booleans操作

Main Menu > Preprocessor > Modeling > operate > booleans > glue > volumes > picked volumes（5）劃分網(wǎng)格（產(chǎn)生節(jié)點(diǎn)和單元）CFRP劃分單元（采用映射劃分）

Main Menu > Preprocessor > Meshing > meshing attributes > picked area

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圖3-19賦予單元屬性

劃分完后的CFRP單元如下：

圖3-20 CFRP布劃分結(jié)果

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工字鋼梁劃分網(wǎng)格

圖3-21賦予網(wǎng)格屬性

通過(guò)對(duì)實(shí)體進(jìn)行剖分來(lái)控制單元尺寸大小

圖3-22控制網(wǎng)格大小

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劃分完后的實(shí)體單元如下：

圖3-23最終劃分結(jié)果

為保證鋼梁與碳纖維布變形的協(xié)調(diào)性，需對(duì)其做以下節(jié)點(diǎn)耦合操作：

Main Menu > Preprocessor > Numbering ctrls > Merging Terms > nodes

圖3-24耦合節(jié)點(diǎn)

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壓縮節(jié)點(diǎn)

Main Menu > Preprocessor > Numbering ctrls > compress numbers

圖3-25壓縮節(jié)點(diǎn)

3.2.2.3.求解模塊

（1）設(shè)定約束條件

Main Menu > solution > Define loads > apply > structural > displacement > on node

圖3-26設(shè)定約束

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（2）施加荷載

本文采用兩點(diǎn)對(duì)稱，四點(diǎn)彎曲的加載方式。選取兩個(gè)節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)號(hào)為1622和1636

圖3-27施加荷載

施加完荷載和約束后如下圖所示：

圖3-28模型荷載、約束顯示

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圖3-29模型荷載、約束正視圖顯示

（3）求解

本文模型選取Preference為Structural，對(duì)模型采用非線性有限元分析，同時(shí)考慮材料非線性和幾何非線性；采用Von Mises屈服準(zhǔn)則；按理想彈塑性考慮；采用稀疏距陣直接解法(Sparse direct)，對(duì)于線性和非線性的靜力學(xué)或完全瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析是默認(rèn)采用的求解方法求解非線性變化過(guò)程。具體參數(shù)設(shè)置如下圖所示：

圖3-30求解控制選項(xiàng)設(shè)置對(duì)話框

沈陽(yáng)建筑大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）

圖3-31非線性選項(xiàng)卡

然后進(jìn)行求解solve

圖3-32求解

沈陽(yáng)建筑大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）

3.后處理具體操作：

本文采用四種梁作為研究對(duì)象，其加固的具體情況如下表所示：

表3-2研究對(duì)象

梁編號(hào) 工字梁1號(hào) 工字梁2號(hào) 工字梁3號(hào) 工字梁4號(hào)

加固情況 未加固 梁底粘貼1層CFRP 梁底粘貼3層CFRP 梁底粘貼5層CFRP

（1）首先研究四種梁在集中荷載大小為90KN的情況下，各工字鋼梁的位移圖、Von Mises應(yīng)力圖，碳纖維布的位移圖以及變形圖：

圖3-33工字鋼梁—1 Von Mises應(yīng)力圖

沈陽(yáng)建筑大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）

圖3-34工字鋼梁—1的位移圖

圖3-35工字鋼梁—2Von Mises應(yīng)力圖

沈陽(yáng)建筑大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）

圖3-36工字鋼梁—2的位移圖

圖3-37工字鋼梁—2的碳纖維布位移圖