水工隧洞施工及运行的ANSYS模拟讲课稿Word文档格式.docx
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Add/edit/delet,弹出ElementType对话框(图4-3)。
图4-3ElementType对话框
图4-4ElementType对话框
(3)点击增加单元按钮Add,弹出单元类型库对话框LibraryofElementType(图4-4)。
(4)在左侧A框中选择Solid,对应在左侧B框中选择Quad4node42类型,即为平面四边形单元,单元编号默认为1,点击Ok退出,则在ElementType对话框中显示已定义的单元Plane42(图4-5)。
图4-5平面单元的选取
图4-6已定义的平面单元Plane42
(5)平面应变的定义。
一般来说,Plane42默认为平面应力单元,因此需要对其进行修改。
点击图4-6中选项按钮Options…,弹出对话框(图4-7),在A框K3的下拉菜单中选择Planestain项,在B框K5项选择Integrationpts,点击Ok确定,退出到图4-6状态。
图4-7平面应变的定义
(6)点击Close,完成单元定义。
2.材料定义
从4.1中分析可知,整个分析中涉及到2种材料,即围岩体和衬砌混凝土(均假定为各向同性材料)。
因此需在ANSYS中定义2种材料,定义过程如下:
(1)点击MaterialProps>
MaterialModels,弹出材料模型行为定义框DefineMaterialmodelbehavior(图4-8),左侧列表中默认一种未定义参数的材料,这里定义为岩石材料,编号1。
图4-8材料模型行为定义框
(2)双击右侧框内的Structural(结构)>
Linear(线性)>
Elastic(弹性)>
Isotropic(各向同性),弹出对于材料1的线性各向同性材料性质的定义框(图4-9)。
图4-9材料性质定义
(3)在EX框(弹性模量)框中输入4e9(单位为Pa),Prxy(泊松比)框中输入0.25,点击OK确定,退回图4-8状态,则左侧框中出现线性各向同性性质项(图4-10);
图4-10已定义的线性各向同性性质项
(4)点击图4-10右侧框中的密度项Density,弹出对话框密度定义对话框,输入2400。
图4-11密度的定义
(5)(通过以上1-4步则定义了材料1线弹性分析所需的参数,图4-12)
图4-12已定义的材料1参数
(6)定义材料2(混凝土衬砌)的参数。
在图4-12中点击材料Material>
Newmodel(新建材料),则左侧框中出现MaterialModelNumber2,重复
(1)~(4),定义材料2的参数为Ex=2e10,Prxy=0.167,Dens=2500。
图4-13。
图4-13材料2(衬砌混凝土)参数的定义
Exit退出材料定义,点击
或
进行保存。
通过以上步骤,则定义了所需的材料,若有更多材料,则重复以上步骤即可,需要注意的是,不同的分析(弹性分析,弹塑性分析,蠕变分析,动力分析)所需的参数是不同的。
2.2.2实体建模
所谓实体建模,就是对通过创建点、线、面的方式,在ANSYS实际反映研究对象的体形特征,从而建立网格划分的基础。
本实例的最终实体模型包括围岩区域、衬砌区域(开挖后要回填)、开挖区域(不回填,形成隧洞)三个区域,在实体上表现为面Area。
建立面有两种方式,一是通过生成点生成线,再由线生成面,二是直接通过ANSYS工具生成面。
1.通过点、线生成面
建模过程:
(1)生成关键点
点击Modelling>
Create>
Keypoints>
InActiveCs(通过输入坐标直接生成关键点),弹出对话框(图4-14)。
其中第一行为关键点编号,不输则按顺序系统自动进行编号,第二行为三个方向坐标值,平面问题时则Z值不输。
按上述方法依次创建点(-50,-50),(50,-50),(50,50)和(-50,50),完成四个关键点的创建,则工作面出现4个关键点(图4-15)。
图4-14关键点的创建
图4-15已创建的关键点
(2)由点生成线
Lines>
StraightLine(通过关键点创建直线)。
弹出选点建线对话框CreatStraightLine(图4-16)。
先连接关键点1和关键2。
鼠标依次点击1点和2点,则生成线1(自动按顺序编号为1),按此方法,可以连接点2和3、3和4,4和1,依次生成线2~4(图4-17)。
图4-16创建直线对话框图4-17创建直线
(3)由线生成面
点击Modeling>
Areas>
Arbitrary>
ByLines(通过线创建面)。
弹出CreatAreabyLines(图4-18)。
依次点击线1、2、3、4,点击OK,则形成一个矩形面(图4-19)。
图4-18创建直线对话框图4-19创建面
(4)创建隧洞及衬砌
由于隧洞及衬砌为圆形/圆环形,可以通过ANSYS的工具直接创建,再通过布尔运算对圆进行操作,生成开挖区、衬砌及围岩区。
具体操作如下:
Circle(圆形)>
SolidCircle(实体圆),弹出实体圆面创建框(图4-20),图中的三个输入框中,WPX和WPY为圆心位置(不输值时,默认圆心位置在整体坐标系的原点;
若圆心位置不在整体坐标系原点,则需通过移动工作平面来实现圆心位置的确定)。
这里,隧洞内径为6m,外径为6.4m。
在图4-20对话框中的Radius中输入6,点击Apply,创建内圆;
再输入6.4,点击OK,创建外圆。
(点击鼠标右键,点击Replot,可以看到三个有重复区域的面,图4-21)
图4-20创建实体圆对话框图4-21创建的三个实体圆
通过上面的操作,在工作面上存在3个面Area,但三个面存在重合,因此,必须对三个面进行布尔操作,形成相互独立但边界连接的三个区域,即围岩区、衬砌区和开挖区。
Operate>
Booleans>
Overlap>
Areas(对面进行叠合操作),弹出对话框(图4-22)。
选择对话框中的PickAll,对所有的面进行操作,从而形成三个区域。
图4-22对面进行Overlap对话框图4-23经过布尔操作的圆面
(5)精细实体模型
经过上面的操作,初步形成了实体模型,可以进行网格的自由划分,但这样获得的网格往往没有规律性,同时没有突出重点(比如在隧洞周边的网格需要密一些)等等。
因此,可以对这些区域进行切割,划分为4个相同且对称的区域。
具体做法是:
在矩形区域的4个线/边中点创建4个关键点,连接成直线,然后用直线去切割3个面。
ANSYS操作:
A.显示所有的线:
UtilityMenu>
Plot>
Lines;
B.在线1的中点创建关键点:
Modeling>
OnLinew/Ration,对话框(图4-24),选择要创建点的线,点击Apply,弹出对话框(图4-25),在Lineratio(0-1)中输入0.5(表示中点),KeypointNumber默认,点击OK,即在创建了线1上的中点(图4-25),按此方法,创建其他3条边线上的中点关键点。
图4-24在线的中点创建关键点
C.连接关键点13和15,14和16,形成2条直线(按图4-16~图4-17的方法创建);
D.显示所有的元素:
UtilityMenu>
Multi-Plots;
E.对3个面进行切割:
Divide>
AreabyLine,弹出对话框DivideAreabyLine(图4-25),点击PickAll,弹出对话框,再点击PickAll,完成对面域的划分。
为了便于查看面,将面以颜色进行区分,做法为:
PlotCtrls>
Numbering…,弹出对话框,对图4-26中三个框选的部分按图中进行选择,点击OK,即可显示面(图4-27)。
图4-25切割面图4-26以颜色显示面设置
图4-27以颜色显示的面
通过以上操作,即完成了所有实体模型的创建。
由于在上述操作过程中,可能存在一些重合的元素,必须对此进行处理。
在ANSYS中的做法是:
点击Preprocessor>
NumberingCtrls>
MergeItems,弹出对话框,选择框中的All(图4-28),点击OK;
CompressNumbers…,弹出对话框(图4-29),选择All,点击OK结束。
图4-28消除重合的点、线、面/体
图4-29压缩点、线、面的编号(从1开始且编号连续)
同时,为了以后便于选择,可以通过ANSYS的工具创建面的组合,形成围岩组、衬砌组和开挖区组。
ANSYS的做法为:
图4-30选择面设置图4-31选择面图4-32选择的围岩区域
A.先只选择围岩区域:
Select>
Entities…,弹出对话框(图4-30),按图中框选部分进行选择,点击OK;
弹出对话框(图4-31),然后在工作区选择围岩区(图4-32)中的R1、R2、R3和R4,点击OK;
显示面,UtilityMenu>
Area,即可看到所选择的区域。
B.创建组件:
Comp/Assembly>
CreateComponent…,弹出对话框(图4-33),按框选部分设定,点击OK,即创建一个以ROCK命名的组件;
图4-33创建组件的设置
C.选择所有面:
Everything;
然后显示所有面:
Areas;
D.按A中的方法选择衬砌区的面Area(图4-33);
并按B中的方法定义衬砌组Lining;
图4-33选择的衬砌区的面并创建Lining组件
E.按C、D中的方法确定开挖组件Kaiwa,图4-34。
图4-34选择的开挖区的面并创建Kaiwa组件
查看已创建的组件可以通过以下方式进行:
ComponentManager…,弹出对话框(图4-35),即可看到已定义的3个组件。
图4-35已创建的组件
2.直接生成面
以上是通过面的下级元素(点和线)来逐步生成面,ANSYS中提供了直接创建面的方法。
具体做法为:
Preprocessor>
Modelling>
Area>
Rectangle(四边形面)>
ByDimension,弹出对话框(图4-36),输入相应的尺寸,创建的面与通过上述方法创建的面完全一样。
图4-36直接生成面
下面的步骤同上面方法一致。
点击
2.2.3网格划分
建立了经过优化的实体模型后,即可进行平面网格的划分。
1.指定面的属性
在开始划分网格前,必须对面的属性(单元形式和材料号)进行指定,换句话说,在进行网格划分前,材料和单元类型必须已经定义/存在。
在本问题中,隧洞开挖前,所有的面均属于岩石材料(即材料1),因此,指定所有面的属性均为Plane42单元,材料号为1。
点击Meshing>
MeshAttributes>
Allareas…,弹出对话框(图4-37),按框选部分的选择进行设定(材料号1,单元类型Plane42),点击OK,即完成了面的属性指定。
图4-37面属性的指定
2.网格划分密度的指定
尽管可以进行自由划分,但获得的网格很难满足用户的要求,因此对于面域,可以通过指定线的划分密度(长度或数目)来对面域进行映射划分Mapped(对于3边形映射划分,三条边的数目要相同,且最好为偶数;
4边形时,对边的划分数目必须相等)。
A.显示所有的线:
Lines
B.指定衬砌及开挖区内线的划分密度
MeshingTool,弹出对话框(图4-38),选择Lines>
Set,弹出线选择对话框(图4-39),选择衬砌的内外圈(共8条线)以及开挖区4根线,点击OK,弹出线划分密度设定对话框(图4-40)。
线密度的设定可以通过设定长度或数目来进行,这里选择数目,本模型中设定为10,点击OK。
图4-38线密度划分对话框图4-39选择要设定的线
图4-40线密度的指定图4-41衬砌厚度线(圆圈部分)
衬砌厚度的确定也按上述方法,选择4条厚度方向的线,设定数目为2。
图4-42过渡线
C.过渡线的设定
对图4-42中A、B、C、D四条线而言,由于我们关注隧洞周边,因此,网格密度要大一些,即网格以隧洞为圆心,朝外侧网格逐渐过渡,增大。
按B中的方法,选择这4条线,按图4-43进行设定,点击OK,完成设定。
需要注意的是,由于线的方向的原因,过渡系数可能为小数,也可能为整数,操作时可先试设定,若刚好相反,则取原过渡系数的倒数,如试取5,不合适的话,则取1/5。
图4-43过渡线数目的设定
需要说明的是,映射划分一般针对3边形或4边形(平面情况),若为5边形,则需要另外的映射方法,可按下面的规则进行设定,即把5边形的其中两边假象为一条边,则“变为”四边形,则按四边形划分规则进行设定(也就是说,假象为“一条边”的两条线的划分数目和要等于这两条线对应的一条边的划分数目,另外两边数目也要相等)。
图4-44所有线的划分数目汇总
3.网格划分
在设定所有线的划分密度后,即可进行网格划分,划分分两种情况(先显示为面):
A.对于3边形或四边形
MeshingTool,弹出对话框(图4-45),按图中框选进行设定,点击Mesh后,弹出面选择框(图4-46),选择开挖区和衬砌区(3边形或四边形)的面后,点击OK,工作面显示为图4-47。
图4-45划分工具图4-46面选择框图4-47已划分的网格
A.对于5边形
选择显示面UtilityMenu>
Area。
MeshingTool,弹出对话框(图4-48),按图中框选进行设定,点击Mesh后,弹出面选择框(图4-49),选择且只能选择其中一个面(5边形),点击OK,再选择5边形的其中4个角点(图4-50,由于假象两条线为“一条线”,因此,选择时不再选择这两条线之间的交点),即可完成5边形面的划分,图4-51。
图4-48划分工具图4-49面选择框
图4-50选择点的顺序图4-51已划分的网格
按照上面方法划分其余3个5边形面的划分,点击UtilityMenu>
Elements,显示划分后的网格如图4-52。
图4-52划分后的网格
点击File>
Saveas,在弹出的对话框中,将文件另存为Tunnel-mesh.db(用于后面的计算)。
在完成有限元网格的划分后,即完成了有限元的建模,可以进行求解。
通过下面进入求解模块。
Mainmenu>
Solution。
2.2.4边界条件和初始条件
1.边界条件
对于水工隧洞的计算区域而言,所选的区域一般进行位移边界约束,即左右为水平X法向约束,底部为铅直Y法向约束。
DefineLoads>
Apply>
Structural>
Displacement>
OnNodes(施加在节点上),弹出节点选择对话框,选择Box窗选方式,选择左右边界的节点(图4-54),点击OK,弹出对话框(图4-55),选择X方向约束,点击OK,
图4-53节点选择框图4-54被选择的节点
图4-55指定约束方向UX图4-56被约束的左右边界
同样,窗选底部节点,指定UY约束,完成底部边界条件设定。
图4-57指定约束方向UY图4-58被约束的底部边界
2.初始条件
初始条件包括初始应力状态,本问题中主要是自重应力情况,即要设定重力加速度。
Inertia>
Gravity>
Global,弹出对话框,在铅直Y方向输入9.8,点击OK,完成重力加速度的设定。
图4-59重力加速度的设定
2.3水工隧洞施工过程模拟
在本问题,隧洞的施工模拟包括三个过程,即初始应力状态(荷载步1)→毛洞开挖(荷载步2)→毛洞支护(荷载步3)。
本节中按这三个步骤进行计算模拟。
(保证你处于Solution求解模式状态)
由于在下面的分析中涉及到单元的生(开挖)或死(激活,如开挖回填、施作衬砌等),因此必须打开N-R模式,具体做法为:
AnalysisType>
AnalysisOptions(分析选项)(有时在点击AnalysisType后,不能发现AnalysisOptions,此时可点击Solution>
UnabridgedMenu,即可显示出来),弹出对话框(图4-60),选择FullN-R选项,点击OK即完成设置。
图4-60FullN-R的设置
2.3.1初始状态模拟
初始状态是指研究对象所在的地质区域未受人工扰动(开挖、支护等人类活动)之前就已客观存在的状态,包括自重应力场和构造应力场,其中以自重应力场为主。
初始状态的求解过程为:
A.设定初始状态分析的荷载步Loadstep=1,具体做法为:
点击AnalysisType>
Sol’Controls,弹出对话框(图4-61),按图中框选设定,点击OK,完成荷载步设置;
图4-61荷载步的设置
B.求解,Solve>
CurrentLs,点击OK,开始求解,当出现下列界面时,证明求解成功,点击Close,完成求解。
图4-62
经过上面过程,即完成了初始状态的计算。
2.3.2毛洞开挖工况模拟
毛洞成洞过程实际包括两个部分,即衬砌部分和开挖后不回填部分,在本步中,衬砌和开挖区都会被挖去,在ANSYS程序中成为“杀死Kill”。
具体过程为(显示界面为单元):
A.设定初始状态分析的荷载步Loadstep=2,具体做法为:
Sol’Controls,弹出对话框(图4-63),按图中框选设定,点击OK,完成荷载步设置;
图4-63第2荷载步的设置
B.根据前面4.2.2中创建的三个组件,选择要开挖的衬砌区和开挖区单元。
●点击UltilityMenu>
ComponentManager,弹出下面对话框,先在下面的列表中选择Kaiwa和Lining两个组件,再点击上面的
按钮后,关闭该对话框。
图4-64
●显示选择的面UltilityMenu>
Areas。
然后选择附着于所选面的单元。
UltilityMenu>
Entities…,在弹出的对话框中,按下图设定后,点击OK,选择显示单元UltilityMenu>
Element,如下图(图4-64),即为本步中要开挖的单元。
图4-64选择要开挖的单元
C.在命令行中输入Ekill,all,杀死/开挖所选的单元。
D.选择全部元素:
UtilitiesMenu>
everthing;
并显示右键>
Replot;
E.进行毛洞开挖求解Solve>
图4-65求解成功
显示为单元UtilitiesMenu>
Elements,点击
2.3.3毛洞支护工况模拟
毛洞稳定到一定状态后,即可进行衬砌施作,形成隧洞主体结构,有限元对此过程的模拟过程为(显示为单元UtilitiesMenu>
Elements):
A.指定荷载步Loadstep=3;
Sol’Controls,弹出对话框(图4-66),按图中框选设定,点击OK,完成荷载步设置;
图4-66第3荷载步的设置
B.选择先前设定的衬砌区域/面Lining及相应附着在面上的单元;
ComponentManager,弹出下面对话框
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- 水工 隧洞 施工 运行 ANSYS 模拟 讲课