基于ANSYS的烧结保温砌块块型及孔结构研究.pdf

432023年5月试验与研究江西建材基于ANSYS的烧结保温砌块块型及孔结构研究舒阳12,慎中山，吴炎平12，杨良12，曾兴华1,21.江西省建材产品质量监督检验站有限公司，江西南昌330001;2.江西省建材科研设计院有限公司，江西南昌330001摘要：研究以一种产品为参比对象，优化设计了三个方案的孔型结构的多孔砖模型，并且利用有限元分析软件ANSYS进行了力学性能和热工性能分析。结果表明，孔洞率45%的方案二块型，无论从热工性能，或是力学性能，均较普通块型有更大的优势。关键词：烧结多孔砖；ANSYS；有限元分析；热阻中图分类号：TU522文献标识码：A文章编号：10 0 6-2 8 9 0（2 0 2 3）0 5-0 0 43-0 3Research on the Block Type and Porous Structure of SinteredInsulation Bricks Based on ANSYSShu Yang2,Shen Zhongshan,Wu Yanping2,YanggLiangl2,ZengXinghua1.Jiangxi Building Materials Product Quality Supervision and Inspection Station Co.,Ltd,Nanchang,Jiangxi 330001;2.Jiangxi Building Materials Research and Design Institute Co.,Ltd,Nanchang,Jiangxi 330001Abstract:In this study,three different designs of porous brick models with optimized hole structures were developed and compared to areference product.The mechanical and thermal properties of these models were analyzed using finite element analysis software ANSYS.The results showed that the block type of scheme two with a porosity of 45%had significant advantages in both thermal and mechanicalperformance compared to the ordinary block type.Key words:Sintered porous brick;ANSYS;Finite element analysis;Thermal resistance0引言目前，建筑行业的能耗约占全国总能耗的3 0%。能耗效率仅为发达国家的3 0%左右，建筑节能的空间很大1。在建筑能耗中，建筑物围护结构的热损失量占比高达7 7%，通过墙体热量损失（含空气渗透散热）约占59.4%。因此，提高墙体材料的保温隔热性能是建筑节能的主要方法之一2 1。烧结保温砌块具有优良的保温隔热性能，是一种极具发展潜力的新型墙体材料。烧结保温砌块的孔型及孔洞排列方式对热工性能的影响很大3 。本研究以贝斯特产品为参比对象，对多孔保温砌块孔型结构进行设计，探讨了在保证抗压强度达标的情况下，通过优化孔型结构来降低传热系数。1设计思路为了研究烧结保温砌块的热工性能，我们可以把这种材料看成是由页岩或其他制砖土料和孔洞结构中空气共同组成的复合型传热模型，因此可以把保温砌块的传热结构拆分成两个组成部分。（1）固体热传递，即构成砌块多孔结构的孔肋材料的热传递，它是传导路径中的“热桥”，这种热量传递占主要效应，因此减小肋厚，减轻“热桥”效应是关键。（2）孔洞内空气间层热传递、热对流和热辐射。在烧结保作者简介：舒阳（19 8 9-），男，江西南昌人，硕士，工程师，主要研究方向为建筑材料。基金项目：江西省重点研发计划项目城市污泥无害化协同绿色建材制备的共性技术研究（项目编号：2 0 2 0 2 BBGL73078）。温砌块多孔结构体系中，热量传递既包括通过砌块孔洞中的空气分子和孔肋材料的导热传递，也包括借助孔壁面间的辐射热传递及孔洞中空气的对流热传递。对流传热以孔内冷空气下沉，热空气上升而产生涡漩运动为主来实现热交换。热辐射取决于孔洞壁面与其相邻壁面间发射和吸收电磁辐射来传递热量，与砌块的基体材料性质密切相关。孔壁面间的辐射热传递及孔洞中空气的对流热传递都和孔洞尺寸有关，空气的对流传热和辐射传热比较复杂。为了简化这一部分，在工程中常常采用空气间层的等效导热系数来表示。故在本研究中，空气间层的导热系数将采用GB501762016民用建筑热工设计规范中的数值，三维建模与计算采用大型通用有限元软件ANSYS进行，借助于该软件的热分析与固体弹性力学分析方法4,研究孔型、孔洞率、孔洞间距及孔洞排列对热工性能与力学性能的影响。2分析流程2.1建立模型及定义材料属性在使用ANSYS进行热工建模与计算时，我们进行了一些计算假定：（1）烧结保温砌块材料大部分由晶体组成，各个方向上的导热系数差异性不大，因此，假定烧结保温砌块材料的各向导热系数相同。（2）由烧结保温砌块和砂浆砌入墙体后，砌块的孔洞内会附带有少量砂浆。其砂浆的体积具有不确定性，而且此类因素对砌块传热影响缺乏资料。故不考虑此因素对传热系数增大的影响。（3）实际应用中室内外温差较小，假定块体材料和空气的导热系数不随温度发生改变，在ANSYS软件中设置一个固定参数。（4）根据墙体形状的特性，墙体442023年5月试验与研究江西建材高度与宽度是远远大于其厚度，因此，视为大平壁一维稳态传热5,不考虑其垂直方向的温差传热效应。在研究孔洞设计对砌块热工性能的影响时，固定页岩参数及其他材料属性如表1。表1ANSYS建模材料导热系数取值垂直空气间层厚度/mm材料页岩5102030405060及以上导热系数0.75 0.05 0.071 0.1250.1760.2220.2780.333/W(m k)-2.2热工性能分析为了研究孔洞排列对砌块热工性能的影响，本研究在保温砌块生产厂家江苏丹阳贝斯特新型建材有限公司提取了砖型样品进行分析，见图2。此外，针对该块型的孔洞排列情况，本研究设计了三套孔洞排列的优化备选方案，见图3、4、5。15,10,10,.10,10,10导导8T图2江苏贝斯特块型尺寸/cm13,713.713,7137,13,7888图3方案一块型尺寸/cm135137371371371371333图4方案二块型尺寸/cm1310710.710710710.710710.7107108003图5方案三块型尺寸/cm表2优化备选方案与原方案比较序号方案一方案二方案三贝斯特孔洞率/%43454135理论容重9989621033/(kgm3)计算热阻0.750.810.850.78/(m.K).W-增大孔宽，减增大孔宽，减减小肋小肋厚，缩短小肋厚，孔洞方案说明厚，增加孔洞长度，增长度不变，增孔洞列数大孔洞率大孔洞率贝斯特砌块孔洞率偏小，小于40%。孔洞率偏小弊端在于成品密度偏重，有可能无法满足砌块容重小于10 0 0 kg/m的要求。备选方案在此基础上进行优化，将空洞率提高到40%以上。方案一的孔洞宽度较贝斯特块型大，而孔洞长度较贝斯特块型更短，未能有效延长传热路径；方案二虽然孔洞宽度较未优化块型略大，但其壁、肋厚度小于原方案，且孔洞长度也有所提高，整体传热路径有所延长，热工性能有所优化，如图4；方案三在孔洞宽度、长度、壁、肋厚度方面较原方案均更优，且孔洞列数由11列增至13 列，热工性能改善最为明显，如图5。但方案三的理论容重大于10 0 0 kg/m，无法满足国家产品标准要求，故综合而言，方案二块型最为合适，如图6。ANSYSAStaady.StaeThusmeAStoastaeemeANSYS14.014.0201501511:172015022814-50172.4Max160:8287.125Max149320277137.6178.52912674281143970.032102.78578491.17761-53679.5657.20067-8615303958:353487914.74644.5433313840.295215326.0479.922Min3179827.55Mm0.0000.1006ml0.0000.1000m)0.0500.050图6方案二烧结保温砌块块型及墙体切片热流密度云图2.3力学性能分析若仅注重砌块的热工性能，而忽略孔洞对砌块力学性能造成的影响是不合理的。砌块的孔型、孔洞率、排列方式不仅对砌块的热工性能有影响，还直接关系到其承载能力，只有在满足建筑质量安全的前提下去追求最优的保温隔热效果，才符合建筑节能宗旨和目标。为此，本研究将方案二砌块的块型建模，进行力学性能分析，结合其力学性能的表现，对砌块的合理孔洞设计做出综合的评价。烧结保温砌块均布受压实质上是一个求解固体弹性力学问题的过程。由于砌块的孔型形态结构和砖孔分布的复杂性，运用平衡方程、几何方程、形变连续方程和广义虎克定律解析45试验与研究2023年5月江西建材三维空间中通过砖实体中任意一点，求解这类问题几乎是不可能做到的。而ANSYS有限元力学分析方法正是建立在固体弹性力学基础上。应用该软件，我们可以研究特定孔型分布的烧结保温砌块在受到外力后，其实体部分的应力分布，分析其受力性能。最后可以评估特定孔型分布的烧结保温砌块的承载能力和破坏机制。我们把方案二的块型设计，假定其砖顶部受到匀布公称荷载q=3MPa的作用，作用范围均为2 40 mm240mm，具体的边界条件：顶板和底座均为变形为0 的刚体。ANSYSA:StaticStructuralPressureTime:1.s2016/10/715:0814.0Pressure:3.e+006Pa0.0000.200(m)0.100图7方案二最优砌块承受均布荷载按照砌块实际承压方式以及在万能试验机上的受力特点进行抗压强度模拟，设砌块中每一点沿x、y、z 轴的变形量为U、V、W，则有Vy=0。将图7 中给出的荷载值，以及边界条件写人ANSYS的命令流，同时设定砖体材料的弹性模量E=2.16GPa 和 V=0.18。烧结保温制品属于脆性材料6 ，模拟采用第三强度理论计算。经求解器运算后，得到砌块中各个点的应力状态、出现应力最大点的位置以及砌块的应力分布云图，如图8 所示。ANSYS运算结果输出的应力强度SINT（s t r e s s i n t e n s i t y）实际上是砖体中每一点的最大剪应力值的二倍，即SINT=2tmax。A:StaticStructuralStress IntensityType:Stress IntensityUnit:PaTime:12016/10/714:551.1074e7Max1.0296e79.5186e68.741e67.9633e67.1857e66.4081865.6305864.8528e64.0752e63.2976e62.52e61.7423e69.647e51.8707e5Min0.0000.100(m)0.050图8方案二应力分布云图及最大应力点第三强度理论认为，最大剪应力是引起材料破坏失效的主要因素5。无论在简单或复杂应力状态下，一旦最大剪应力达到并超过单向应力状态下破坏时的最大剪应力水平，材料即发生破坏。由于单向应力状态下，有max=2tmx关系，因而可以认为只要ANSYS计算输出的应力强度结果SINTmax大于等于保温砌块的许用应力，我们即认为烧结保温砌块处于不安全状态。为标记方便，我们将1与保温砌块最大应力强度SINTmax与许用应力比值的差，叫做安全富余系数，记为C,即1-SINTmaxC=其物理意义是砌块承压之后不破坏的安全边际。当C0时，表示砌块安全，不破坏，数值越大，象征可靠性越大。当C=0时，表示砌块处于破坏临界状态。当C0时，表示砌块抵抗破坏能力极弱，处于不安全状态。在单向应力状态下，设砌块基体材料的强度极限根据材性试验中江西省纯页岩烧结强度大值mar=26MPa，即当保温砌块内部某一点的应力超过max时，砌块完全破坏失效。取砌块基材的安全系数no=1.25，所以，砌块基材许用应力为【=0max/no=20.8MPa。按上述公式计算出砌块的安全富余系数，列于表3 中。表3最大应力强度SINTmax和安全富余系数计算荷载许用应力应力强度富余系数C/MPa/MPaSINTmax/MPa3.020.811.10.47根据图8 应力强度SINT云图中的max值，砌块顶面在受到相同计算荷载q=3.0MPa的作用时，该块型的富余系数高，且为正值，表明砌块在承受计算荷载时均处于安全状态。3结论（1）孔洞的短边宽度宜为10 13 mm，长边取值3 5 40 mm较佳。（2）孔洞率至少宜43%，但不一定越大越好，大孔空气对流、热辐射明显增强，反而降低了砌块的计算热阻，对提高砌块保温性能不利。（3）基材页岩导热系数会对砌块孔洞设计产生影响，对于导热系数很大的基材页岩而言，没有最优异的块型设计，只有更匹配材性的块型设计。（4）砌块肋厚宜取6 8 mm，尽可能增加传热方向孔洞的排数，但最多不宜超过13 排。（5）均匀细长孔的孔型不仅热工性能最好，而且在相同外部荷载作用下，力学性能最有利，安全富余系数最大。综上所述，无论是通过降低砌块壁、肋厚度的方式，还是通过缩小孔洞宽度、延长孔洞长度、增加砌块孔洞率的方式，都对提高砌块的保温性能起到一定的作用。但要真正实现砌块热工性能与力学性能的高度优化，必须综合考虑砌块的基材性能以及成型工艺，并结合精确化的砌块孔洞排列、尺寸数值模拟设计方可达到。经本研究论证，均匀细长孔的方案二块型，其无论从热工性能，或是力学性能，均较普通块型有更大的优势。在确保其孔洞率大于44%的前提下，烧结保温砌块应优先采用该砌块块型。参考文献1】马保国，黄祥，穆松，等.基于ANSYS的烧结多孔砖热模拟研究J】.砖瓦，2 0 0 9（12）：14-15.2刘利军.建筑节能关键墙体保温J】。建筑科学，2 0 0 7（4）：82-82.3宋光杰，越祖朕，苏明霞，等.利用低品位石英砂制备保温砖的孔结构研究J】.新型建筑材料，2 0 10（5）：2 7-2 9.4张朝晖.ANSYS热分析教程与实例解析M.北京：中国铁道出版社，2 0 0 7.5关琼琼.轻质烧结页岩砖及其砌体热工性能研究【D】.南宁：广西科技大学，2 0 19.6吴健.页岩烧结保温砌块及其砌体受力性能试验研究D.西安：西安建筑科技大学，2 0 16.