土木工程专业ANSYS初学者经典例题Word文件下载.docx
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3.1设置分析类型8
3.2施加边界条件9
3.3施加上部面压力:
10
3.4施加重力加速度:
3.4设置加载步骤:
3.5求解初始地应力:
11
3.6保存分析结果:
4浏览初始地应力的计算结果(后处理)12
4.1显示变形形状:
12
4.2查看节点结果等值线图:
5开挖巷道求解16
5.1杀死巷道对应的单元:
16
5.2输入加载步文件:
5.3查看杀死巷道单元后的受力情况:
5.4求解开挖后的有限元模型:
6浏览查看开挖后的计算结果(后处理)17
6.1显示变形形状:
17
6.2查看节点结果等值线图:
7应力集中分析22
8总结体会22
某半圆形拱巷道断面,参数见图,其所处地质条件为IV级围岩,上覆盖层厚度为100米后,各材料的力学参数见表。
表物理力学指标参数表
名称
容重(kn/m3)
弹性模量Gpa
泊松比
内摩擦角
凝聚力Mpa
IV级围岩
28
1.6
0.32
33
0.35
要求:
利用单元的生死实现巷道开挖,分析应力的集中区域。
有限元模型概述
本题采用ANSYS有限元分析软件模拟巷道开挖过程。
由于地下巷道属于细长结构物,即巷道的横断面相对于纵向的长度来说很小,可假定在围岩荷载作用下,其纵向没有位移,只有横向发生位移.所以,巷道的力学分析可以采用弹性力学理论中的平面应变模型进行,这是一个较复杂的非线性力学问题。
采用ANSYS有限元分析软件对巷道开挖进行模拟时,应首先根据地质条件建立合适的地下有限元分析模型,由于巷道对整个地下空间来说是属于“小孔口问题”,巷道周围出现孔口应力集中,并且应力集中区域影响范围约大于1.5倍的孔口尺寸,因此建几何模型时要选择合适的尺寸,其次采用PLANE42单元类型来分析平面应变问题。
接下来设定单元尺寸大小划分网格。
然后分步求解载荷,第一步求解初始地应力,第二步杀死巷道对应的单元后求解开挖后的载荷,最后分析巷道周围岩石的、位移、应力、应变的变化。
1建立有限元模型
1.1定义工作文件和工作标题
(1)启动ANSYS程序.
(2)定义工作文件名:
执行UtilityMenu>
File>
ChangeJobname命令,在弹出的对话框中输入“xiangdaokaiwa”并选择YES复选框,单击OK按钮。
(3)定义工作标题:
执行UtilityMenu>
File>
ChangeTitle命令,在弹出的对话框中输入“xiangdaokaiwamodel”单击OK。
1.2定义单元类型、实常数和材料
(1)选择分析模块:
执行MainMenu>
Preferences,选择<
Stuctural>
复选框,单击OK。
巷道开挖属于结构模块。
(2)选择单元类型:
Preprocessor>
ElementType>
Add/Edit/Delete命令,弹出<
对话框,单击Add按钮,弹出<
LibraryofElement>
对话框。
选择”Structuralsolid”和“Quad4node42”选项,单击OK,在返回到<
对话框中单击<
option>
按钮,在弹出对话框中将单元力学模型的区K3设置成“PlaneStrain”选项(即平面应变模式),再单击OK,最后单击单元类型中的<
Close>
按钮。
如图1所示。
这里的单元模型没有几何参数,不需要设置实常数。
图1设置平面应变模式
(3)设置材料属性:
Preprocessor>
MaterialProps>
MaterialModels命令,在弹出的窗口中双击<
MaterialModelAvailable>
列表框中的“Structural\Linear\Elastic\Isotropic”选项,弹出<
LinearIsotropicMaterialProrertiesforMaterialNumber1>
在<
EX>
和<
PRXY>
文本框中分别输入“1.6E9”及“0.32”,单击OK,。
然后双击<
列表中的<
Density>
在弹出的对话框中的<
DENSY>
文本框中输入“2800”,单击OK,最后退出。
如图2所示
图2设置弹性模量、泊松比及密度
1.3建立几何模型
模型说明:
根据巷道开挖受影响的范围,模拟地层的横向边界距离巷道墙壁可定为两倍巷道宽度(6.8m)即14m,则地层宽度为34.8m,约为35m,巷道的顶拱为三心拱,拱高为1/4墙高即1.7m,整个巷道高度8.5m,巷道埋深为100m,巷道底下设两倍巷道高度即20m。
考虑建模时简便,有限元模型的巷道顶部到模型边界为50m,模型上部再加50m的均布载荷,即p=ρgh=2800*10*50=1.400000Pa。
如图3所示。
图3模型简图
(1)创建三心拱巷道断面:
由于用ANSYS创建三心拱难度较大,为了方便高效,这里采用AUTOCAD来创建三心拱巷道断面,并且用DXFTOANSYS软件将AUTOCAD输出的DXF文件转化为ANSYS能够读取的LGW文件。
将xiangdao.lgw文件导入ANSYS中得到图4。
图4三心拱巷道断面图
(2)创建边界:
Modeling>
Create>
Keypoints>
InActiveCS命令,弹出当前坐标创建关键点的对话框,名关键点分别是KP15(21,-20,0),KP16(-14,-20,0),KP17(21,58,0),KP18(-14,58,0)。
(3)创建直线:
执行MainMenu>
Preprocessor>
Lines>
StraightLine命令,将地层边界连接起来。
如图5所示。
图5几何模型
(4)创建地层面积:
Modeling>
Areas>
Arbitrary>
ByLines,创建三个叠加起来的面积。
(5)面积叠加的布尔运算:
Operate>
Booleans>
Overlap>
Areas命令,将三个面积进行布尔叠加计算,得到三个独立的面积。
(6)压缩全部编号:
NumberingCtrls>
CompressNumbers命令,弹出对话框中选择<
All>
选项,得到编号压缩的模型。
如图6所示。
图6完整的几何模型
2网格划分
(1)设置单元尺寸大小:
Meshing>
SizeCntrls>
ManualSize>
Layers>
PickedLines选项,弹出以线来控制单元尺寸的对话框,选择要划分尺寸的线条,弹出<
ElementSizesbyPickedLines>
对话框,在对应线条划分数量的文本框中输入一个合适的数字,L1线划分为8段,L9线划分为15段,L10线划分为20段。
划分尺寸时应在巷道周围划分相对较小的单元,使巷道内外的网格更加密集,计算更加精确。
(2)自由划分网格:
Meshing>
Mesh>
Free命令,弹出一个拾取框。
拾取面积A1、A2、A3,单击OK,完成自由网格单元划分。
如图7所示
图7自由网格划分
(3)保存网格数据:
单击ANSYSTOOLBAL中的<
Save_db>
3加载与初始地应力模拟
3.1设置分析类型
(1)设置求解控制:
Solution>
.Analysistype>
Solutioncontrols命令,弹出如图所示对话框,如图8设置求解控制。
图8设置求解控制
(2)设定求解方法:
Analysisoption命令,弹出<
StatisorSteadyanalysis>
对话框,在“NROPT(NEWTON---RAPHSONOPTION)”下拉列表中选择“FULLN—P”选项,单击OK,如图9所示。
Newton-Raphson是一种求解非线性方程组的数值方法,简称N-R法。
要运用单元生死,就要设定全牛顿-拉普森选项,才能有较好的效果。
图9在静态与稳态分析对话框中设定全牛顿-拉普森选项
3.2施加边界条件
模型水平左右方向位移为零,底部为固定约束,垂直方向为自由滑动,上部边界受垂直地压力作用。
(1)横向X方向约束和底部全约束:
DefineLoads>
Apply>
Structural>
Displacement>
OnLines命令,弹出一个拾取框。
拾取L10和L12,单击OK,弹出如图所示的<
ApplyU,RotonLines>
选择<
UX>
并在“Value”中赋值0。
单击〈Apply〉再次拾取L9,单击OK,弹出如图10所示的<
AllDof>
最后单击Ok。
图10横向X方向约束
(2)关键点约束:
Loads>
Apply>
OnKeypoints命令,弹出一个拾取框。
拾取K17和K18,单击OK,弹出如图所示的<
ApplyU,RotonKeypoints>
并在“Value”中赋值0,单击〈Apply〉再次拾取K15和K16,单击OK,弹出<
DefineLoads>
Structural>
Pressure>
OnLines命令,拾取上部边界线L11,弹出如下对话框。
输入压力P=1.4E6Pa。
图10<
ApplyPRESonlines>
对话框
Inertia>
Gravity>
Global命令,弹出惯性力的输入对话框。
以对应Y方向加速度文本框中输入10.单击OK。
如图11所示。
图11重力加速度设定
LoadStepOpts>
WriteLSFile命令,弹出对话框,如图12所示
图12保存步载荷文件
3.5求解初
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