ANSYS例题.docx

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ANSYS例题

3.3ANSYS隧道结构受力实例分析

3.3.1ANSTS隧道结构受力分析步骤

为了保证隧道施工和运行时间的安全性，必须对隧道结构进行受力分析。

由于隧道结构是在地层中修建的，其工程特性、设计原则及方法与地面结构是不同的，隧道结构的变形受到周围岩土体本身的约束，从某种意义上讲，围岩也是地下结构的荷载，同时也是结构本身的一部分，因此不能完全采用地面结构受力分析方法来对隧道结构进行分析。

当前，对隧道支护结构体系一般按照荷载—结构模型进行演算，按照此模型设计的隧道支护结构偏于保守。

再借助有限元软件（如ANSYS）实现对隧道结构的受力分析。

ANSYS隧道结构受力分析步骤：

1．荷载—结构模型的建立

2．创建物理环境

3．建立模型和划分网格

4．施加约束和荷载

5．求解

6．后处理（对结果进行分析）

3.3.1.1荷载—结构模型的建立

本步骤不在ANSYS中进行，但该步骤是进行ANSYS隧道结构受力分析前提。

只要在施工过程中不能使支护结构与围岩保持紧密接触，有效地阻止周围岩体变形而产生松动压力，隧道的支护结构就应该按荷载—结构模型进行验算。

隧道支护结构与围岩的相互作用是通过弹性支撑对支护结构施加约束来体现的。

本步骤主要包含2项内容：

◆选择荷载—结构模型

◆计算荷载

1．选择荷载—结构模型

荷载—结构模型虽然都是以承受岩体松动、崩塌而产生的竖向和侧向主动压力为主要特征，但对围岩与支护结构相互作用的处理上，大致有三种做法：

（1）主动荷载模型

此模型不考虑围岩与支护结构的相互作用，因此，支护结构在主动荷载作用下可以自由变形，其计算原理和地面结构一样。

此模型主要适用于软弱围岩没有能力去约束衬砌变形情况，如采用明挖法施工的城市地铁工程及明洞工程。

（2）主动荷载加被动荷载（弹性抗力）模型

此模型认为围岩不仅对支护结构施加主动荷载，而且由于围岩与支护结构的相互作用，还会对支护结构施加约束反力。

因为在非均匀分布的主动荷载作用下，支护结构的一部分将发生向着围岩方向的变形，只要围岩具有一定的刚度，就会对支护结构产生反作用力来约束它的变形，这种反作用力称为弹性抗力。

而支护结构的另一部分则背离围岩向着隧道内变形，不会引起弹性抗力，形成所谓“脱离区”。

这种模型适用于各种类型的围岩，只是所产生的弹性抗力不同而已。

该模式广泛地应用于我国铁路隧道，基于这种模式修建了好几千公里的铁路隧道，并且在实际使用中，它基本能反映出支护结构的实际受力状况。

（3）实际荷载模型

这种模型采用量测仪器实地量测到的作用在衬砌上的荷载值代替主动荷载模型中的主动荷载。

实地量测的荷载值包含围岩的主动压力和弹性抗力，是围岩与支护结构相互作用的综合反映。

切向荷载的存在可以减小荷载分布的不均匀程度，从而改善结构的受力情况。

但要注意的是，实际量测的荷载值，除与围岩特性有关外，还取决与支护结构刚度及支护结构背后回填的质量。

2．计算荷载

目前隧道结构设计一般采用主动荷载加被动荷载模型，作用在隧道衬砌上的荷载分为主动荷载和被动荷载，可见表2-2。

进行ANSYS隧道结构受力分析时，一般要进行计算以下几种隧道荷载：

（1）围岩压力

围岩压力是隧道最主要的荷载，主要根据相关隧道设计规范进行计算。

对于铁路隧道，可以根据〈〈铁路隧道设计规范〉〉进行计算。

（2）支护结构自重

支护结构自重可按预先拟定的结构尺寸和材料容重计算确定。

（3）地下水压力

在含水地层中，静水压力可按照最低水位考虑。

（4）被动荷载

被动荷载即围岩的弹性抗力，其大小常用以温克列尔假定为基础的局部变形理论来确定。

该理论认为围岩弹性抗力与围岩在该点的变形成正比，用公式表示为：

（3-14）

式中：

——围岩表面上任意一点的压缩变形，单位——m；

◆

——围岩在同一点的所产生的弹性抗力，单位——Mpa；

◆

——围岩弹性抗力系数，单位——Mpa/m。

◆对于列车荷载、地震力等其它荷载，一般情况可以忽略不计算。

3.3.1.2创建物理环境

在定义隧道结构受力分析问题的物理环境时，进入ANSYS前处理器，建立这个隧道结构体的数学仿真模型。

按照以下几个步骤来建立物理环境：

1、设置GUT菜单过滤

如果你希望通过GUI路径来运行ANSYS，当ANSYS被激活后第一件要做的事情就是选择菜单路径：

MainMenu>Preferences，执行上述命令后，弹出一个如图3-2所示的对话框出现后，选择Structural。

这样ANSYS会根据你所选择的参数来对GUI图形界面进行过滤，选择Structural以便在进行隧道结构受力分析时过滤掉一些不必要的菜单及相应图形界面。

2、定义分析标题（／TITLE）

在进行分析前，可以给你所要进行的分析起一个能够代表所分析内容的标题，比如“TunnelSupportStructuralAnalysis”，以便能够从标题上与其他相似物理几何模型区别。

用下列方法定义分析标题。

命令：

／TITLE

GUI：

UtilityMenu>File>ChangeTitle

3、说明单元类型及其选项（KEYOPT选项）

与ANSYS的其他分析一样，也要进行相应的单元选择。

ANSYS软件提供了100种以上的单元类型，可以用来模拟工程中的各种结构和材料，各种不同的单元组合在一起，成为具体的物理问题的抽象模型。

例如，隧道衬砌用beam3梁单元来模拟，用COMBIN14弹簧单元模拟围岩与结构的相互作用性，这两个单元组合起来就可以模拟隧道结构。

大多数单元类型都有关键选项（KEYOPTS），这些选项用以修正单元特性。

例如，梁单元beam3有如下KEYOPTS：

KEYOPT（6）力和力矩输出设置

KEYOPT（9）设置输出节点I与J之间点结果

KEYOPT（10）设置SFNEAM命令施加线性变化的表面载荷

COMBIN14弹簧单元有如下KEYOPTS：

KEYOPT

（1）设置解类型

KEYOPT

（2）设置1-D自由度

KEYOPT（3）设置2-D或3-D自由度

设置单元以及其关键选项的方式如下：

命令：

ET

KEYOPT

GUI：

MainMenu>Preprocessor>ElementType>Add/Edit/Delete

图3-2GUI图形界面过滤

4、设置实常数和定义单位

单元实常数和单元类型密切相关，用R族命令（如R，RMODIF等）或其相应GUI菜单路径来说明。

在隧道结构受力分析中，你可用实常数来定义衬砌梁单元的横截面积、惯性矩和高度以及围岩弹性抗力系数等。

当定义实常数时，要遵守如下二个规则：

Ø必须按次序输入实常数。

Ø对于多单元类型模型，每种单元采用独立的实常数组（即不同的REAL参考号）。

但是，一个单元类型也可注明几个实常数组。

命令：

R

GUI：

MainMenu>Preprocessor>RealConstants>Add/Edit/Delete

ANSYS软件没有为系统指定单位，分析时只需按照统一的单位制进行定义材料属性、几何尺寸、载荷大小等输入数据即可。

结构分析只有时间单位、长度单位和质量单位三个基本单位，则所有输入的数据都应当是这三个单位组成的表达方式。

如标准国际单位制下，时间是秒（s），长度是米（m），质量是千克（kg），则导出力的单位是kg•m/s2（相当于牛顿N），材料的弹性模量单位是kg/m•s2（相当于帕Pa）。

命令：

/UNITS

5、定义材料属性

大多数单元类型在进行程序分析时都需要指定材料特性，ANSYS程序可方便地定义各种材料的特性，如结构材料属性参数、热性能参数、流体性能参数和电磁性能参数等。

ANSYS程序可定义的材料特性有以下三种：

（1）线性或非线性。

（2）各向同性、正交异性或非弹性。

（3）随温度变化或不随温度变化。

隧道结构受力分析中需要定义隧道混凝土衬砌支护的材料属性：

容重、弹性模量、泊松比、凝聚力以及摩擦角。

命令：

MP

GUI：

MainMenu>Preprocessor>MaterialProps>MaterialModels

或MainMenu>Solution>LoadStepOpts>Other>ChangeMatProps>MaterialModels

3.3.1.3建立模型和划分网格

创建好物理环境，就可以建立模型。

在进行隧道结构受力分析时，需要建立模拟隧道衬砌结构的梁单元和模拟隧道结构与围岩间相互作用的弹簧单元。

在建立好的模型各个区域内指定特性（单元类型、选项、实常数和材料性质等）以后，就可以划分有限元网格了。

通过GUI为模型中的各区赋予特性：

1、选择Main Menu>Preprocessor>Meshing>MeshAttributes>PickedAreas

2、点击模型中要选定的区域。

3、在对话框中为所选定的区域说明材料号、实常数号、单元类型号和单元坐标系号。

4、重复以上三个步骤，直至处理完所有区域。

通过命令为模型中的各区赋予特性：

ASEL（选择模型区域）

MAT（说明材料号）

REAL（说明实常数组号）

TYPE（指定单元类型号）

ESYS（说明单元坐标系号）

在进行隧道结构分析中，只需要给隧道衬砌结构指定材料号、实常数号、单元类型号和单元坐标系号就可以。

3.3.1.4施加约束和荷载

在施加边界条件和荷载时，既可以给实体模型（关键点、线、面）也可以给有限元模型（节点和单元）施加边界条件和荷载。

在求解时，ANSYS程序会自动将加到实体模型上的边界条件和载荷转递到有限元模型上。

隧道结构分析中，主要是给弹簧施加自由度约束。

命令：

D

施加荷载包括重力以及隧道结构所受到的力。

3.3.1.5求解

接着就可以进行求解，ANSYS程序根据现有选项的设置，从数据库获取模型和载荷信息并进行计算求解，将结果数据写入到结果文件和数据库中。

命令：

SOLVE

GUI：

MainMenu>Solution>Solve>CurrentLS

3.3.1.6后处理

后处理的目的是以图和表的形式描述计算结果。

对于隧道结构受力分析中，很重要一点就是进入后处理器后，观察结构受力变形图，根据弹簧单元只能受压的性质，去掉受拉弹簧，再进行求解，随后再观察结构受力变形图，看有没有受拉弹簧，如此反复，直到结构受力变形图中无受拉弹簧为止。

这时就得到隧道结构受力分析的正确结果，进去后处理器，绘出隧道支护结构的变形图、弯矩图、轴力图和剪力图，列出各单元的内力和位移值，以及输出结构的变形图和内力图。

最后按照相关设计规范进行强度和变形验算，如果不满足设计要求，提出相应的参数修改意见，再进行新的分析。

命令：

／POST1

GUI：

MainMenu>GeneralPostproc

3.3.2实例描述

选取新建铁路宜昌（宜）－万州（万）铁路线上的别岩槽隧道某断面，该断面设计单位采用的支护结构如图3-3所示。

为保证结构的安全性，采用了荷载—结构模型，利用ANSYS对其进行计算分析。

主要参数如下：

◆隧道腰部和顶部衬砌厚度是65cm，隧道仰拱衬砌厚度为85cm。

◆采用C30钢筋混凝土为衬砌材料。

◆隧道围岩是Ⅳ级,洞跨是5.36米，深埋隧道。

◆隧道仰拱下承受水压，水压0.2MPa。

图3-3隧道支护结构断面图

隧道围岩级别是Ⅳ级，其物理力学指标及衬砌材料C30钢筋混凝土的物理力学指标见表3-3所示。

表3-3物理力学指标

名称

容重

（

）

弹性抗力系数

K（MPz/m）

弹性模量

E（GPa）

泊松比

内摩擦角

（。

）

凝聚力

C（MPa）

Ⅳ级围岩

22

300

1.5

0.32

29

0.35

C30钢筋

混凝土

25

-

30

0.2

54

2.42

表3-4荷载计算表

荷载

种类

围岩压力

结构自重

水压

N/m3

垂直匀布力N/m3

水平匀布力N/m3

值

80225

16045

通过ANSYS添加

200000

根据《铁路隧道设计规范》，可计算出深埋隧道围岩的垂直匀布力和水平匀布力。

对于竖向和水平的分布荷载，其等效节点力分别近似的取节点两相临单元水平或垂直投影长度的一般衬砌计算宽度这一面积范围内的分布荷载的总和。

自重荷载通过ANSYS程序直接添加密度施加。

隧道仰拱部受到的水压0.2MPa按照径向方向载置换为等效节点力,分解为水平竖直方向加载。

3.3.3GUI操作方法

3.3.3.1创建物理环境

1）在【开始】菜单中依次选取【所有程序】/【ANSYS10.0】/【ANSYSProductLauncher】，得到“10.0ANSYSProductLauncher”对话框。

2）选中【FileManagement】，在“WorkingDirectory”栏输入工作目录“D:

\ansys\example301”，在“JobName”栏输入文件名“Support”。

3）单击“RUN”按钮，进入ANSYS10.0的GUI操作界面。

4）过滤图形界面：

MainMenu>Preferences，弹出“PreferencesforGUIFiltering”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。

5）定义工作标题：

UtilityMenu>File>ChangeTitle，在弹出的对话框中输入“TunnelSupportStructuralAnalysis”，单击“OK”，如图3-4所示。

图3-4定义工作标题

6）定义单元类型：

MainMenu>Preprocessor>ElementType>Add/Edit/Delete，弹出“ElementTypes”单元类型对话框，如图3-5所示，单击“Add”按钮，弹出“LibraryofElementTypes”单元类型库对话框，如图3-6所示。

在该对话框左面滚动栏中选择“Beam”，在右边的滚动栏中选择“2D-elastic3”，单击“Apply”，定义了“Beam3”单元。

再在左面滚动栏中选取“Combination”，右边的滚动栏中选择“Spring-damper14”，如图3-7所示。

然后单击“OK”按钮，这就定义了“Combin14”单元，最后单击图3-5单元类型对话框中的“Close”按钮。

图3-5单元类型对话框

3-6定义Beam3单元对话框

3-7定义Combin14单元对话框

7）定义材料属性：

MainMenu>Preprocessor>MaterialProps>MaterialModels，弹出“DefineMaterialModelBehavior”对话框，如图3-8所示。

在右边的栏中连续双击“Structural>Linear>Elastic>Isotropic”后，又弹出如图3-9所示“LinearIsotropicPropertiesforMaterialNumber1”对话框，在该对话框中“EX”后面的输入栏输入“3E10”，在“PRXY”后面的输入栏输入“0.2”，单击“OK”。

再在定义材料本构模型对话框选中“Density”并双击，弹出如图3-10所示“DensityforMaterialNumber1”对话框，在“DENS”后面的栏中输入隧道衬砌混凝土材料的密度“0.2”，再单击“OK”按钮。

图3-8定义材料本构模型对话框

图3-9线弹性材料模型对话框图3-10材料密度输入对话框

最后单击“Material>Exit”结束，得到结果如图3-11所示。

`

图3-11材料属性定义结果

8）定义实常数：

MainMenu>Preprocessor>RealConstants>Add/Edit/Delete，弹出“RealConstants”实常数对话框，如图3-12所示。

单击“Add”按钮，弹出如图3-13所示的选择单元类型对话框，选中“Type1BEAM3”，单击“OK”按钮，弹出如图3-14所示“RealConstantforBEAM3”对话框，在对话框中分别输入隧道腰部和顶部衬砌支护结构BEAM3梁单元的横截面积AREA“0.65”、惯性矩IZZ“0.022885417”、高度HEIGHT“0.65”。

图3-12实常数对话框图3-13选择单元类型对话框

图3-14定义隧道腰部和顶部BEAM3实常数1对话框

图3-15定义隧道仰拱BEAM3实常数2对话框

然后单击“OK”按钮，然后在弹出的对话框中单击“Add”按钮，弹出如图3-13所示的选择单元类型对话框，选中“Type1BEAM3”，单击“OK”按钮，弹出如图3-15所示的对话框，在对话框中分别输入隧道腰部和顶部衬砌支护结构BEAM3梁单元的横截面积AREA“0.85”、惯性矩IZZ“0.05117833”、高度HEIGHT“0.85”。

这是因为隧道衬砌支护仰拱和腰部及顶部的厚度不同，所以要建立2个BEAM2实常数。

然后单击“OK”按钮，在弹出的对话框中单击“Add”按钮，弹出如图3-13所示的选择单元类型对话框，选中“Type2Combin14”，单击“OK”按钮，弹出如图3-16所示“RealConstantSetNumber3forCOMBIN14”对话框，在“SPRINGCONSTANT”栏后面输入“30000000”，单击“OK”按钮，弹出如图3-17对话框，最后单击“Close”按钮

图3-16COMBIN14实常数后对话框

图3-17定义完实常数后对话框

3.3.3.2建立模型和划分网格

1）创建隧道衬砌支护关键点：

MainMenu>Preprocessor>Modeling>Create>Keypoints>InActiveCS，弹出“CreaeKeypointsinActiveCooedinateSystem”对话框，如图3-18所示。

在“NPTkeypointnumber”栏后面输入“1”，在“X，Y，ZLocationinactiveCS”栏后面输入“（0，0，0）”，单击“Apply”按钮，这样就创建了关键点1。

再依次重复在“NPTkeypointnumber”栏后面输入“2、3、4、5、6、7”，在对应“X，Y，ZLocationinactiveCS”栏后面输入“（0，3.85，0）、（0.88，5.5，0）、（2.45，6.15，0）、（4.02，5.5，0）、（4.9，3.85，0）、（4.9，0，0），最后单击“OK”按钮，生成7个关键点，如图3-19所示。

图3-18在当前坐标系创建关键点对话框

图3-19隧道支护关键点

2）创建隧道衬砌支护线模型：

MainMenu>Preprocessor>Modeling>Create>Lines>Arcs>ByEndKPs&Rad，弹出如图3-20所示的对话框。

在对话框栏中输入关键点“1，2”，单击“Apply”，弹出如图3-21所示对话框。

在对话框栏中输入关键点“6”，弹出“ArcByEndKPs&Rad”对话框，如图3-22所示。

在“RADRadiusofthearc”栏后面输入弧线半径“8.13”，单击“Apply”按钮，这样就创建了弧线1。

图3-20定义弧线两端点对话框图3-21定义弧线曲率关键点对话框

图3-22画弧线对话框

重复以上操作步骤，分别把图3-22对话框栏中空栏依次输入“3.21，2，3，6”、“2.22，3，4，6”、“2.22，4，5，2”、“3.21，5，6，2”、“8.13，6，7，2”、“6，7，1，4”，最后单击“OK”按钮，生成隧道衬砌支护线模型，如图3-23所示。

图3-23隧道衬砌支护线模型

3）保存几何模型文件；UtilityMenu>File>Saveas，弹出一个“SaveDatabase”对话框，在“SaveDatabaseto”下面输入栏中输入文件名“Support-geom.db”，单击“OK”。

4）给线赋予特性：

MainMenu>Preprocessor>Meshing>MeshTool，弹出“MeshTool”对话框，如图3-24所示。

在“ElementAttributes”后面的下拉式选择栏中选择“Lines”，按“Set”按钮，弹出一个“LinesAttributes”线拾取框，在图形界面上拾取编号为“L1、L2、L3、L4、L5、L6”的线，单击拾取框上的“OK”按钮，又弹出一个如图3-25所示的“LinesAttributes”对话框，在“Materialnumber”后面的下拉式选择栏中选取“1”，在“RealConstantsetnumber”后面的下拉式选择栏中选取“1”，在“Elementtypenumber”后面的下拉式选择栏中选取“1BEAM3”。

单击“Apply”再次弹出线拾取框。

用相同方法给线L7赋予特性，其他选项与“L1、L2、L3、L4、L5、L6”的线一样，只是在“RealConstantsetnumber”后面的下拉式选择栏中选取“2”，单击“OK”按钮退出。

图3-24网格划分工具栏图3-25赋予线特性对话框

5）控制线尺寸：

在“MeshTool”对话框中的“Sizecontrols”下面的选择栏中的“Lines”右边单击“Set”，在弹出对话框中拾取线L1和L6，单击拾取框上的“OK”按钮，弹出“ElementSizesonAllSelectedLines”对话框，如图3-26所示。

在“Noofelementdivisions”栏后面输入“4”。

再单击“Apply”按钮。

用相同方法控制线L2、L3、L4、L5、L7的尺寸，只是线L2、L3、L4、L5在“Noofelementdivisions”栏后面输入“2”，线L7在“Noofelementdivisions”栏后面输入“8”。

图3-26线单元尺寸划分对话框

6）划分网格：

在图3-24网格划分工具栏中单击“Mesh”按钮，弹出一个对话框，单击“PickALL”，生成24个梁单元，如图3-27所示。

图3-27隧道支护单元图

7）打开节点编号显示：

UtilityMenu>PlotCtrls>Numbering，弹出“PlotNumberingControls”对话框，如图3-28所示。

选中“NodeNumbers”选项，后面的文字由“off”变为“on”,单击“OK”关闭窗口。

显示这些节点编号目的是为后面创建弹簧单元准备，这些节点是弹簧单元的一个节点。

图3-28显示节点编号对话框

8）创建弹簧单元：

MainMenu>Preprocessor>Modeling>Create>PipingModels>DefinePipes>SpringSupport，弹出一个选择节点对话框，选择节点1后，单击“OK”按钮，又弹出一个“DefineSupportSpring”对话框，如图3-29所示。

在图3-29对话框中，在“Nodeatspringl