ANSYS隧道结构受力实例分析文档格式.docx

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计算要求如下：

（1）交通载荷已经存在。

（2）计算结果报告中包括约束条件、荷载；

位移、Y方向应力等值线图,塑性区等结果。

进行力学特性分析。

（3）提供建模、计算过程地GUI命令。

操作过程

一、创建物理环境

⒈在“开始”菜单中选取“所有程序>

ANＳYSPｒｏｄuct　lauｎｃheｒ”并点击；

⒉　选中，在WorｋiｎgDiｒecｔory栏输入工作目录“Ｃ:

\Users＼dell　\李懿鑫”，在“JｏbNamｅ”栏输入文件名“020４１101１2”。

⒊单击“RUN”按钮，进入ANSYS的GUI操作界面。

⒋过滤图形界面:

MainMenｕ>

Prｅｆｅrｅnceｓ,弹出Pｒｅｆｅrｅncｅs　forGUIＦｉltｅｒinｇ对话框,选中Structural来对后面的分析进行菜单及相应的图形界面过滤，如图1-１。

　　　　　　　　　　图１-1

⒌定义工作标题：

UｔilｉtyMenu>

Tiｔｌe，在弹出的对话框中输入0204110１12,单OK按钮，如图1-2。

图1－2

⒍定义单元类型

1）定义ＰLAＮE82单元:

Main　Mｅnｕ>

Ｐrｅproｃｅｓsor＞Element　Tｙpe>

Ａdd/Edit/Delｅte,弹出一个单元类型对话框，单击Aｄd按钮。

弹出如图1－3所示对话框。

在该对话框左边滚动栏中选择“Sｏlid”,在右边的滚动栏中选择Quad　8ｎoｄｅ８2单元。

然后单击ＯＫ。

图1-3

2）设定PLＡNE8２单元选项:

ＭａinMeｎu　>

Ｐrepｒocｅｓｓｏｒ>

　ＥlｅmeｎtType>

Add/Ｅdit/Delete,弹出一个单元类型对话框，选中Type２PＬＡNＥ８2，单击Oｐtｉon按钮,弹出一个PＬANE82elemｅｎtTｙｐe　optioｎs对话框，如图1－4所示。

在ElementｂｅhaviorＫ３栏后面的下拉菜单中选取Pｌaｎe　sｔrain，其他栏后面的下拉菜单采用AＮSYＳ默认设置就可以，单击ＯK按钮。

图1-４

①通过设置PLANE82单元选项K３为Plａinｓtrａｉn来设定本实例分析采取平面应变模型进行分析。

因为巷道是纵向很长的实体,故计算模型可以简化为平面应变问题。

②８借点PLANＥ82单元每个节点有UX和UＹ两个自由度，比4节点ＰLANＥ４2单元具有更高的精确性，对不规则网格适应性更强。

7.定义材料属性

1）定义巷道围岩1材料属性：

Main　＞Preproｃessoｒ>

　MatｅrialProｐs　>

MateｒialModel，弹出DｅfｉneMaterialModｅlBeｈａｖioｒ对话框,如图1-５所示。

图１-5

在图1-6中右边栏中连续单击Ｓtｒucｔuraｌ＞Ｌinear＞Elastｉc＞Isotropic后,又弹出如图1-7-2所示Linear　IsotｒopｉcProｐertｉeｓforMaｔｅriａlNｕmbｅｒ1对话框,在该对话框中EX后面输入１．4e10,在PRXY后面的输入栏中输入0.27,单击OＫ按钮。

再在选中Dｅnsity并单击，弹出如图１-7-２对话框，,在ＤENS后面的输入栏中输入巷道土体材料的密度2７00，单击OK按钮。

图1-6　线弹性材料模型对话框　图1-6材料面密度输入对话框

图1－7中右边栏中连续单击Struｃｔural>

Nonliｎeａr＞ｉneｓｌａstic>

Non-metalPlasticity后。

在Ｃohesion栏输入２.72e５,在Friｃ　Angｌe栏输入35。

　　　图１-7-a定义材料本构模型对话框

图1-7-b定义材料本构模型对话框

二、建立模型和划分网络

1）创建隧道各个代表关键点：

MainＭenｕ>

　Ｐreprｏcｅssor＞Moｄｅling>

Crｅatｅ>

Ｋeypｏintｓ＞ＩnActiveＣS，弹出“ＣｒeatＫeyｐoinｔsin　ＡctiveCoorｄinateSysｔem”对话框，如图2-1所示。

在对话框中以此输入关键点的号码，Ｘ，Y,Ｚ的坐标值,然后点击ＡPPLY,再输入下一个关键点的号码和坐标，直到所有的关键点全部输入后点击OＫ，关键点坐标依次为（０,5）、（－5,0）、（-5,-1０）、（5,-１0）、（５,０）（-５０,15）、（-5０,-６0）、（50,－6０）、（5０，1５）。

图２－1　在当前坐标系创建关键点对话框

2）创建隧道模型:

MaiｎMenｕ>

Ｐｒeproｃessｏｒ>

Moｄeｌｉｎg>

Crｅate>

Lineｓ>

InＡctiｖeCｏorｄ，弹出如图2-2所示的对话框。

依次连接关键点,如图2-３所示。

Maiｎ　Menu>

Prｅprｏcｅｓｓoｒ>

Modeliｎｇ＞Ｃreaｔe>

Liｎes>

Aｒcs>

ＢyＥｎｄKPｓ＆Rad,弹出如图2-4所示的对话框。

在对话框栏中输入关键点“2,5”，单击“Apply”。

在对话框栏中输入关键点“1”，弹出“Ａrc　ＢyＥndKPs&

　Rａｄ　”对话框。

在“RAＤRaｄiusoｆ　theａrｃ”栏后面输入弧线半径“5”，单击“Aｐply”按钮，这样就创建了弧线1。

最后单击“OK”按钮,生成隧道模型,如图２－５所示。

图2-２定义直线两端点对话框　　　　　图2-3画直线

图2-4定义弧线两端点对话框　　图2－5巷道模型

首先通过mainmｅnu>

ｐrepｒｏcessoｒ>

mｏdeliｎｇ>

ｃreate>

aｒeas>

arbitrａｒy>

ｂｙｌines由线生成２个面,然后通过mainｍenｕ>

preprｏceｓsor>

mｏdeling>

operatｅ>

Booleans>

dｉｖｉdｅ＞ａreas　bｙareaｓ将2个面通过布尔运算的图2-6和图2－7

　　　　　　　　　　　　图2-６、２－7隧道模型

4）划分网格：

Maｉn　Ｍenu>

Preｐrocessor>

Mesｈｉnｇ>

MeshTool,在弹出的Mesh　Toｏl中可以定义要划分面的类型。

划分网格时要设置网格划分份数：

在工具栏中SizeCｏntｒｏl栏，用鼠标单击lines后面的Ｓｅt弹出一个选择对话框用鼠标选择L1、L3,弹出一个ＥlemｅntＳiｚesonPickｅｄ　Liｎｅs对话框,在No　oｆ　eｌｅｍｅnｔ　dｉｖisiｏｎ栏后面输入40,单击Ａｐｐｌy按钮,再选择L2和L4、L５和L7、Ｌ6、L8，分别输入３５、10、5、１0,单击OK。

在网格划分工具栏中单击Ｍesh按钮，弹出一个拾取面积对话框,拾取大面积区域,单击OK按钮，生成隧道单元网格；

然后将隧道结构模型重新生成,用相同的操作步骤再次划分网格,结果如图2－8所示。

　　　　　　　　　　如图2-８模型网格

三、施加约束和荷载

对大矩形底边施加Y方向约束：

MainMeｎu>

Soｌｕtioｎ＞DeｆineLoads>

　Ａppｌy>

Strucｔuraｌ>

Displａcemeｎt>

Onlｉne用鼠标选取底边,单击OK按钮。

弹出ApｐlyU,ＲOTonNodes对话框,在DOFtobecoｎstraｉnｅd栏后面选取UY，单击OK按钮,如图３-1所示：

图3-1

同理，对大矩形左右两边施加Ｘ方向约束。

施加载荷:

mainmenu>

Sｏlution>

Ｄefinｅ　Lｏads＞Apｐｌy＞　Ｓtrｕcｔurａl>

　Pressure>

ｏｎliｎe，拾取大矩形顶部中间的线段，弹出所图所示对话框，在PREV　vａlue中输入经计算好的荷载25０００,如图3-2所示:

图3-2

单击OK按钮，荷载施加完成，如图3－3所示:

图3-3

MaiｎMｅnu　>

Soluｔiｏn>

Defiｎe>

Loads>

Appｌy>

Sｔruｃtural　>

Inertia>

Ｇravity＞Ｇlobal,在弹出的对话框,如图3-４所示。

在Y方向中输入9.8，完成重力的加载。

如图3-４隧道顶部荷载和重力

四、求解运算

1）求解设置

指定求解类型:

Main　Mｅnu＞Ｓolutｉon＞AnaｌysisTyｐe＞Ｎew　Anａlｙsiｓ,弹出一个如图4－１-ａ所示对话框,在Typeofanalｙｓis栏后面选中Sｔatiｃ,单击OK按钮。

Solutｉon>

AnalysisTｙpｅ>

Sｏl’nConｔrols,在baｓic中选择大变形分析类型,如图4-1-ｂ所示,单击OＫ按钮

图４-１－ａ

如图4-1－b　　求解类型

2）求解

MａinMｅnｕ>

Solｕtioｎ＞Solve＞CurrentLS,弹出一个求解选项信息和一个当前求解载荷对话框，检查无误后，单击OK，开始是求解运算,直到出现一个Solutioｎｉｓdone的提示栏,表示求解结束。

如图4－2求解过程

计算时ANSYS会显示计算收敛的曲线，如图4-3所示,计算完成后会弹出Sｏlutiｏn　is　done!

信息。

如果计算不收敛，ＡNSYＳ会给出错误信息，以便用户查找原因并改正。

图4-3求解结果

五、对计算结果进行分析

1）单元生死控制：

通过在ＡNＳYS主菜单Solutioｎ->

ＬoadＳtｅpOｐts->

Otｈer->

Ｂirｔｈ&

Death->

KillElｍentｓ,点击隧道单元即可实现杀死命令。

在下列操作步骤后都完成后,通过控制生死单元可以得到另一组类似的结构，并将显示在每个分析步骤中未杀死前结果的下面，在下面的操作分析步骤中就不再赘述。

2）绘制结构变形图：

Ｍaｉn　Menu　＞GeneralPosｔpｒｏcessor>

ＰlotRｅsultｓ　>

Defoｒmed　shaｐe，弹出一个“PlotＤeforｍedShape”的对话框,选中“Def+uｎdeｆ　edge”并单击“OK”,就得到隧道结构变形图，如图５-1所示。

　　　　　　　　图5-１　结构变形图

３）显示巷道位移云图:

MａinMenu＞GenerａlＰｏstproc＞PlotＲesｕｌt>

ｃontour　Plｏt＞Nodaｌ　Solu,弹出一个ContｏｕｒＮｏdａlSｏｌutiｏｎDａｔａ　对话框,用鼠标依次单击NodａｌSoｌutiｏｎ/DOＦＳolｕtiｏn/X-Coｍpoｍeｎtｏｆdiｓｐlaｃeｍeｎt，再单击OK按钮,就得到X方向位移云图,重复操作，依次可获得Y方向和总位移云图，如下图所示。

图5-2　X方向位移云图

图5-3　Ｙ方向位移云图

图５-4　总位移云图

4）绘制结构应力图：

Menu>

GｅnｅralPｏstprocessor＞PｌotRｅsults>

－ConｔourＰlot-ＮodeｌＳolutiｏn，弹出一个ConｔoｕrNodal　Solutioｎ　Daｔa对话框，用鼠标依次单击NodａｌＳolutioｎ/Stress/X-Ｃoｍｐｏmentof　ｓｔｒess,再单击OＫ按钮,就得到X方向位移云图，重复操作,依次可获得Y方向和XY面的应力云图，如下图所示。

图5-５X方向应力云图

图５－6Y方向应力云图

图5-7XY面应力云图

5）绘制结构塑性区：

Menｕ>

GｅｎeｒalPoｓtｐｒocessor>

Plot　Resｕltｓ>

-ConｔourPｌｏt-NodeｌSolｕtion,弹出一个Ｃoｎtoｕr　NoｄalSolutiｏｎData对话框,用鼠标依次单击NodalSolution/Plａstiｃ　straiｎ/Eqｕivaleｎt　plasticstｒaiｎ,再单击OK按钮，就得到结构塑性区,如图5-8所示。

图5－8结构塑性区变形

6）绘制地面变形:

GｅｎeralPostproceｓｓor>

ＰathOperatiｏns>

Deｆine　Patｈ>

ByＮｏdes,创建地面路径,Menｕ>

General　Ｐｏstprocessor>

PathＯｐerａtions>

Mape　Oｎtｏ　Path和PｌotPaｔｈItｅm＞OnGｒapｈ,显示地面变形结果。

图2-9

六、力学特性分析

由应力分布云图可知,隧道顶板中点水平应力在周边附近一定范围内为拉应力，越往围岩内部,拉应力逐渐减弱，然后又转化为压应力；

隧道顶底板中点铅垂应力为零,越往围岩内部,应力越大；

两帮中点水平应力为零，越往围岩内部，应力越大;

两帮中点铅垂应力为零,越往围岩内部,应力逐渐减小。

转角处产生较大的应力集中现象,不利于隧道的稳定。

可以看出隧道顶板变形较大，对于隧道的稳定来说同样也是很不利的因素。