(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210582981.X (22)申请日 2022.05.26 (71)申请人 三峡大学 地址 443002 湖北省宜昌市西陵区大 学路8 号 (72)发明人 王峰　毛栋　周宜红　张傲　 谭天龙　余虎　熊晓宇　宋睿　 田旭灿　 (74)专利代理 机构 宜昌市三峡专利事务所 42103 专利代理师 易书玄 (51)Int.Cl. G06F 30/23(2020.01) G16C 60/00(2019.01) G06F 113/08(2020.01)G06F 113/26(2020.01) G06F 119/08(2020.01) (54)发明名称 考虑保温材料的深孔浇筑仓有限元模型仿 真计算的方法 (57)摘要 本发明公开了一种考虑保温材料的深孔浇 筑仓有限元模 型仿真计算的方法， 通过收集浇 筑 开始至收仓之后的数据建立深孔的有 限元仿真 模型； 根据选 择的保温材料， 建立热传导方程， 确 定初始条件和边界条件， 并建立 混凝土表面放热 系数计算表达式； 计算拱坝深孔部位表层混凝土 各个时刻在覆盖保温材料时的温度实际值， 将其 作为拱坝深孔有 限元仿真模型的第三类传热边 界条件， 再结合综合气温以及冷却通水的影响， 引入拱坝孔口有限元仿真模型中， 即完成考虑保 温材料影 响的拱坝深孔仿真计算模 型的构建， 最 后针对不同保温材料及不同厚度进行仿真分析； 本发明可以解决无法对施工期混凝土的温度场 进行准确模拟仿真 分析的问题。 权利要求书3页 说明书11页 附图11页 CN 114925571 A 2022.08.19 CN 114925571 A 1.考虑保温材料的深孔浇筑仓有限元模型仿真计算的方法， 其特征在于： 包括以下步 骤： S1： 开展深孔孔口部位混凝土温度监测试验， 收集浇筑开始至收仓之后时间段内的仓 面实时气温数据、 实际通水 数据、 混凝 土温度数据和坐标 数据； S2： 根据现场监测得到的坐标数据， 运用三维有限元ANSYS 分析软件建立孔口部位混凝 土浇筑块物理模型， 并根据深孔建筑仓的浇筑计划和形状尺寸进行网格划分， 建立深孔浇 筑仓的有限元仿真模型； S201， 确定深孔孔口的浇筑计划： 依据实际施工中孔口部位浇筑仓的开仓时间、 收仓时 间、 浇筑历时和间歇期， 确定各仓 浇筑进度； S202， 确定全局坐标系： 选取垂直河流 流向为x轴， 顺河流向为y轴， 铅直方向为z轴； S203， 建立深孔浇筑仓的有限元仿真模型： 根据深孔建筑仓的形状尺寸， 在已定的坐标 系上建立混凝土浇筑仓实体模型并对实体模型进 行有限元网格划分， 完成深孔浇筑仓的有 限元仿真模型建立； S3： 建立热传导方程， 确定初始条件和边界条件， 根据选择的保温材料， 建立混凝土表 面放热系数计算表达式： S301， 确定初始条件： 混凝土的浇筑温度在温度场仿真分析计算过程中常作为初始温 度T0(x,y,z)， 即： T(x,y,z,0)＝T0(x,y,z)＝常数             (1)； S302， 建立热传导公式表达式： 热传导方程建立了各向同性固体结构的温度与时间及 空间之间的一般 关系， 根据热量平衡原理， 混凝土浇筑块 温度升高是外界沿x、 y、 z方向热量 流入与内部水化热共同作用的结果， 从而建立热传导公式表达式： 式中T为混凝土温度， ℃； τ为时间， h； a为导温系数， m2/d； θ为混凝土的绝热温升， ℃， 是温度T对三个空间坐标轴的二次导数， x、 y、 z分别代表坐标系中的三个坐 标轴的方向； S303， 确定边界条件。 混凝土与空气接触时采用第三类边界条件， 假定经过混凝土表面 的热流量q与混凝 土表面温度T和气温Ta之差成正比， 即可表示： 式(3)中， βs为混凝土表面放热系数， kJ/(m2 ·h·℃)； q为热流量； λ为导热系数； τ为时 间； Ta为混凝土浇筑仓气温； n 为法向方向单位矢量； 将拱坝深孔表层 混凝土浇筑仓的气 温Ta和监测到的混凝土表面温度T以及考虑 保温材 料时的混凝土表面放热系数βs引入公式(3)中， 得到拱坝深孔表层混凝土浇筑仓的第三类 传热边界条件中的热流量， 并将其作为步骤S2所建立的拱坝孔口的有限元仿真模型的第三 类传热边界； S304， 为了减小单元数量和提 高计算效率， 采用经验公式(4)计算保温材料等效表面放 热系数：权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 114925571 A 2式中： Rs为保温板总热阻； β 为最外层保温板在空气中的放热系数； hi为保温板厚度； λi 为保温板的导 热系数； k1为风速修正系数， 取1.6(外面加不透风隔层)； k2为潮湿程度修正系 数， 潮湿材 料取3—5， 干燥材 料取1； S4： 由步骤S1记录得到的拱坝深孔部位表层混凝土各个时刻在覆盖保温材料时的温度 实际值， 结合气温以及冷却通水的影响， 引入步骤S2建立的拱坝深孔有限元仿 真模型中， 完 成考虑保温材 料影响的拱坝深孔仿真计算模型的构建； S5： 以施工现场实际情况作为参考工况， 针对不同保温材料及不同厚度作为对比工况， 计算每个工况下 的混凝土温度场； 根据各个工况下混凝土的温度状态， 结合温控施工技术 标准， 提出 更有针对性的低温季节孔口浇筑仓表面保温措施建议， 2.根据权利要求1所述的考虑保温材料的深孔浇筑仓有限元模型仿真计算的方法， 其 特征在于： 步骤S4中考虑保温材 料影响的拱坝深孔仿真计算模型的构建具体方法如下： S401， 确定通水影响计算表达式： 在一期通水冷却阶段， 需要换挡多次进行冷却； 因此 建立通水影响计算表达式： T(t)＝Twi+(Ti‑Twi)φi(t)+θ0ψi(t)   (5)； k＝2.09‑1.35 ξ +0.320 ξ2           (10)； 式中： e为数学中的自然常数， Twi为第i档通水水温； Ti为i‑1档通水结束且第i档通水开 始时的混凝土温度； φi(t)为第i档水温通水时的水冷函数； θ0为绝热温升； ψi(t)为第i档时 水冷温升函数； pi为第i档时水冷参数； ti为流量或水温改变时刻， 当流量或水温改变时t必 须从0开始； s、 m1、 m2为常数； k、 a ′、 D为常数； D为等效冷却柱体直径， b为等效冷却柱体半径， S1、 S2分别为水管布置的水平间距和垂直间距； ρ 为水的密度， q为通水流量， L为水管长度， c 为水的比热， λ为混凝 土导热系数； a ′为等效导温系数； S402， 根据已知的等效冷却柱 体半径b， 水管外半径 c， 水管内半径r0， 混凝土导热系数λ， 水管导热系数 λ1带入下述公式： 将计算出的等效导温系数a ′， 与混凝土导热系数λ和等效冷却柱体直径D带入公式(8) 得到各档水温通 水时的水冷参 数pi； 将各挡水温通水时的水 冷参数pi及冷却时间t带入公式 (6)中得到各档水温通水时的水冷函数φi(t)， s、 m1、 m2为常数， s＝0.60， m2＝ 0.10m1， n为混凝土水化热达到一半时的龄期， 将 得到的s、 m1、 m2、 pi、 实际通水流量或通水温权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 114925571 A 3