(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 202210940515.4 (22)申请日 2022.08.06 (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 吕从聪　徐谋　卢晓春　程波　 王宇　陈铝　胡颖　魏俊腾　 (74)专利代理 机构 宜昌市三峡专利事务所 42103 专利代理师 刘翠霞 (51)Int.Cl. G06F 30/13(2020.01) G06F 111/10(2020.01) G06F 119/08(2020.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 一种考虑湿热力条件下水利工程结构的应 力分析计算方法 (57)摘要 本发明提供一种考虑湿热力条件下水利工 程结构的应力分析计算方法， 包括如下步骤： 步 骤一、 确定热传导方程和水分扩散方程， 建立混 凝土湿热耦合传输数学模型； 步骤二、 考虑自然 环境下热传导、 相对湿度扩散的边界条件； 步骤 三、 确定湿热变形的混凝土弹性本构方程； 步骤 四、 确定水利工程结构的几何参数以及边界条 件， 根据步骤一~三的结果进行耦合分析后得到 应力分布。 利用该方法可以掌握在不同环境下水 利工程结构内部应力情况以及变化规律， 为今后 水利工程结构的设计、 施工和维护提供参 考。 权利要求书3页 说明书7页 附图5页 CN 115470543 A 2022.12.13 CN 115470543 A 1.一种考虑湿热力条件下水利工程结构的应力分析计算方法， 其特征在于， 包括如下 步骤： 步骤一、 确定热传导方程和水分扩散方程， 建立混凝 土湿热耦合传输数 学模型； 步骤二、 考虑自然环境下 热传导、 相对湿度扩散的边界条件； 步骤三、 确定湿热变形的混凝 土弹性本构方程； 步骤四、 确定水利工程结构的几何参数以及边界条件， 根据步骤一～三的结果进行耦 合分析后得到应力应 变分布。 2.根据权利要求1所述的一种考虑湿热力条件下水利工程结构的应力分析计算方法， 其特征在于， 所述 步骤一中， 根据傅里叶定律， 热传导方程表示 为： 其中， ( ρ CP)eff为混凝土的有效热容； T为混凝土的温度； 为温度梯度； t为时间； Q为热 源； keff为混凝土的有效导热系数； LV为混凝土的蒸发潜热； δp为混凝土的蒸汽渗透性； φ为 混凝土的相对湿度； psat为混凝土的饱和蒸汽压 。 3.根据权利要求2所述的一种考虑湿热力条件下水利工程结构的应力分析计算方法， 其特征在于， 所述热传导方程中， 有效导热系数keff计算公式为： keff(T， φ)＝ k0·F1(T)·F2(φ) 其中， k0为混凝土参考导热系数； F1(T)表示温度对有效导热系数影响的函数， F2(φ)表 示相对湿度对有效导热系数影响的函数； F1(T)＝1‑a(T‑Tref) a表示的是温度附加系数； T表示的是混凝 土温度； Tref为混凝土的初始温度； wc表示混凝 土的内部含水量； b为湿度附加系数； ρs表示混凝 土的密度。 4.根据权利要求2所述的一种考虑湿热力条件下水利工程结构的应力分析计算方法， 其特征在于， 所述热传导方程中， 混凝 土材料的有效热容计算公式为： ( ρ Cp)eff＝ρsCp， s+wcCp， w 其中， ( ρ Cp)eff为混凝土的有效热熔； wc为混凝土的含水量； Cp， s表示干燥混凝土的恒压 热容； Cp， w表示水的比热容。 5.根据权利要求1所述的一种考虑湿热力条件下水利工程结构的应力分析计算方法， 其特征在于， 所述 步骤一中， 根据Fick第二定律， 混凝 土水分扩散方程表示 为： 其中， φ为混凝土的相对湿度； wc为混凝土的含水量； Dw为混凝土的扩散系数； G为湿源； psat为混凝土的饱和蒸汽压； 将混凝土的相对湿度， 转 化为混凝土的内部含水量：权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 115470543 A 2式中， Wuni是表示吸附于水化产物表面的单一水分子层的质量； C是热性能参数； Q、 P、 M 表示方程系数。 6.根据权利要求5所述的一种考虑湿热力条件下水利工程结构的应力分析计算方法， 其特征在于， 所述混凝 土水分扩散方程中， 扩散系数计算公式为： Dw(φ， T)＝D0·F3(φ)·F4(T) 其中， D0为饱和混凝土的湿度扩散系数； F3(φ)表示相对湿度对扩散系数影响的函数； F4(T)表示的是温度对 扩散系数影响的函数； φ为混凝土的相对湿度， φc为混凝土的初始相对湿度； n表示湿度非线 性扩散方程的回 归系数； a0为经验系数； Q为20℃水的蒸发焓； T为气体常数； T0表示混凝 土的初始温度； T表示混凝 土当前温度。 7.根据权利要求1所述的一种考虑湿热力条件下水利工程结构的应力分析计算方法， 其特征在于， 所述 步骤二中， 混凝 土热传导的边界条件分为以下三类： (1)已知边界温度函数， 公式表示 为： T(t)|Γ＝f(t) 式中， f(t)为已知的温度函数； Γ物体的边界； (2)已知边界热流密度函数， 公式表示 为： 式中， k为导热系数； n 为混凝土材料表面的法线方向； q(t)为已知的热流密度函数； (3)已知边界热交换定律， 公式表示 为： 式中， h为换 热系数； TΓ(t)为混凝 土材料表面的温度； Ta(t)为环境温度。 8.根据权利要求1所述的一种考虑湿热力条件下水利工程结构的应力分析计算方法， 其特征在于， 所述 步骤二中， 混凝 土湿度扩散边界条件， 表达式为： φ(t)|Γ＝φ(t) 式中， φ(t)为已知的环境相对湿度函数； Γ为混凝土的边界； DW为扩散系数； n为混凝土 表面的法线方向； βp表示水分迁移系数； φΓ(t)表示混凝土表面的相对湿度； φamb(t)为环 境相对湿度。 9.根据权利要求1所述的一种考虑湿热力条件下水利工程结构的应力分析计算方法， 其特征在于， 所述 步骤三中， 混凝 土材料的弹性本构方程表示 为： 权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 115470543 A 3