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第3章ANSYS隧道工程中的应用实例分析
本章重点
隧道工程概述隧道施工ANSYS模拟的实现
ANSYS隧道结构实例分析ANSYS隧道开挖模拟实例分析
本章典型效果图
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3.1 隧道工程相关概念
3.1.1 隧道工程设计模型
为达到各种不同的使用目的，在山体或地面下修建的建筑物，统称为“地下工程”。在地下工程中，用以保持地下空间作为运输孔道，称之为“隧道”。由于地层开挖后容易变形、塌落或是有水涌入，所以在除了在极为稳固地层中且没有地下水的地方以外，大都要在坑道的周围修建支护结构，称之为“衬砌”。隧道工程建筑物是埋于地层中的结构物，它的受力和变形与围岩密切相关，支护结构与围岩作为一个统一的受力体系相互约束，共同作用。隧道工程所处的环境条件与地面工程是全然不同的，但长期以来都沿用适应地面的工程理论和方法来解决地下工程中所遇到的各类问题，因而常常不能正确地阐明地下工程中出现的各种力学现象和过程，是地下工程长期处于“经验设计”和“经验施工”的局面。这种局面与迅速发展的地下工程现实
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极不相称，促使人们努力寻找新的理论和方法来解决地下工程遇到的各种问题。
地下工程的设计理论和方法经历了一个相当长的发展过程。在20世纪20年代以前，地下工程支护理论主要有古典的压力理论和散体压力理论，以砖、石头材料作为衬砌，采用木支撑或竹支撑的分部开挖方法进行施工。此时，只是将衬砌作为受力结构，围岩是看作载荷作用在衬砌结构上，这种设计理论过于保守，设计出的衬砌厚度偏大。20世纪50年代以来，岩石力学开始成为一门独立的学科，围岩弹性、弹塑性和粘弹性解答逐步出现。土力学的发展促使松散地层围岩稳定和围岩压力理论的发展，而岩石力学的发展则促使围岩压力和地下工程支护结构理论的进一步的飞跃。同时，锚杆和喷射混凝土的作为初期支护得到广泛应用。这种柔性支护允许开挖后的围岩有一定的变形，使围岩能够发挥其稳定性，从而可以大大地减小衬砌厚度。
国际隧道学会认为，目前采用的隧道设计模型主要有以下几种：
◆以工程类比为主的经验设计方法。
◆以现场测试和实验室试验为主的实用设计方法（如现场和实验室的岩土力学试验、以
洞周围测量值为基础的收敛—约束法以及实验室模型试验等）。
◆作用—反作用设计模型，即目前隧道设计常用的载荷—结构模型，包括弹性地基梁、
弹性地基圆环等。
◆连续介质模型，包括解析法（封闭解和近似解）和数值法（以FEM为主）。
国际隧道学会于1978年成立了隧道结构设计模型研究小组，收集和汇总了各会员国目前
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采用的隧道工程设计模型，详见表3-1。
表3-1 隧道工程设计模型
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注：表中NATM指新奥法，是NEW AUSTRIA TUNNELING METHOD的简称。
FEM指有限元法，是FINITE ELEMENT METHOD的简称。
各种隧道设计模型各有其适合的场合，也各有自身的局限性。由于隧道结构设计受到各种复杂因素的影响，因此在世界各国隧道设计中，主要采用以工程类比为主的经验设计法，特别是在支护结构预设计中应用最多。即使内力分析采用比较严格的理论，其计算结果往往也需要用经验类比加以判断和补充。如常见公路或铁路隧道，都是选取以工程类比为主的经验设计法来进行结构参数的拟定，可见公路或铁路隧道设计规范。但是，采用此法设计的隧道结构是不安全的和不经济的。因为设计的隧道的地质勘探不可能做到对每一段都进行钻探，因而会出现地质条件错误判断现象，有可能实际围岩类别比设计采用的要低，这样按高类别围岩设计出的隧道结构是不安全的。相反，若实际围岩类别比设计采用高，则采用的设计是不经济的。
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随着NATM的出现，以测试为主的实用设计法为现场人员所欢迎，因为它能提供直觉的材料，以更准确地估计地层和地下结构的稳定性和安全程度。其中应用最多的是收敛—约束法，其主要思想是：一边施工，一边进行洞周围量测，随着位移变化情况，来选用合适的隧道支护参数，这样就可以按实际地质条件来设计隧道支护，避免了工程类比既不安全又不经济的缺点。收敛—约束法将支护和围岩视为一体，作为共同承载的隧道结构体系，通过调整支护来控制变形，从而最大限度地发挥了围岩自身的承载能力。采用此模型，有些问题可以使用解析法求解，但大部分问题因数学上的困难必须依赖数值方法。
理论计算法可用于进行无经验可循的新型隧道工程设计，因此基于作用与反作用模型和连续介质模型的计算理论成为一种特定的计算手段日益为人们重视。由于隧道工程所处环境的复杂性，以及各种隧道设计模型各有优缺点，因此工程技术人员在设计隧道结构时，往往需要同时进行多种设计模型的比较，以作出既经济又安全的合理设计。
从各国地下结构设计实践看，目前隧道设计主要采用两种模型。
第一种模型即为传统的结构力学模型。它是将支护结构和围岩分开来考虑，支护结构是承载主体，围岩作为载荷的来源和支护结构的弹性支撑，故又称为荷载—结构模型。采用这种模型时，认为隧道支护结构与围岩的相互作用是通过弹性支撑对结构施加约束来体现的，而围岩饿承载能力则在确定围岩压力与弹性支撑的约束能力时间接地考虑。围岩承载能力越高，它给予支护结构的压力越小，弹性支撑的约束支护结构变形的抗力越大。这种模型主要适用于围岩
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因过分变形而发生松弛和崩塌，支护结构主动承担围岩“松动”压力情形。利用这种模型进行隧道设计关键问题是如何确定作用在支护结构上的主动荷载，其中最重要的是围岩松动压力和弹性支撑作用于支护结构的弹性抗力。一旦解决了这两个问题，就可以运用结构力学方法求出朝静定体系的内力和位移。因为这种模型概念清晰，计算简便，便于被工程师接受，所以至今很通用，特别是在模筑衬砌。
属于这种模型的计算方法有弹性连续框架（含拱形）法、假定抗力法和弹性地基梁（含曲梁和圆环）法等。当软弱地层对结构变形的约束能力较差时（或衬砌与地层间的空隙回填、灌浆不密实时），隧道结构内力计算常用弹性连续框架法，反之，采用假定抗力法或弹性地基法。
第二种模型叫现代岩体力学模型。它将支护结构和围岩视为一体，作为共同承载的隧道结构体系，故又称为围岩—结构共同作用模型。这种模型中，围岩是直接的承载单元，支护结构只是用来约束和限制围岩的变形，这一点刚好与第一种模型相反。这种模型主要用于由于围岩变形而引起的压力，压力值必须通过支护结构与围岩共同作用而求得，这是反映当前现代支护结构原理的一种设计方法，需采用岩石力学方法进行计算。应当指出，支护体系不仅是指衬砌与喷层等结构物，而且还包括锚杆、钢筋及钢拱架等支护在内。
围岩—结构共同作用模型是目前隧道结构体系设计中力求采用的或正在发展的模型，因为它符合当前施工技术水平，采用快速和超强的支护技术可以限制围岩的变形，从而阻止围岩松动压力的产生。这种模型还可以考虑各种几何形状、围岩特性和支护材料的非线性特性、开挖
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面空间效应所形成的三维状态以及地质中不连续面等。利用此模型进行隧道设计的关键问题是，如何确定围岩初始应力场和表示材料非线性特性的各种参数及其变化情况。一旦这些问题解决了，原则上任何场合都可用有限单元法求出围岩与支护结构的应力及位移状态。
这种模型中只有一些特殊隧道可以用解析法或收敛—约束法图解，绝大部分隧道求解时因数学上的困难必须依赖数值方法，借助计算机来进行分析求解。
3.1.2 隧道结构的数值计算方法
通常，隧道支护结构计算需要考虑地层和支护结构的共同作用，一般都是非线性的二维或三维问题，并且计算还与开挖方法、支护过程有关。对于这类复杂问题，必须采用数值方法。目前用于隧道开挖、支护过程的数值方法有：有限元法、边界元法、有限元—边界元耦合法。
其中有限元法是一种发展最快的数值方法，已经成为分析隧道及地下工程围岩稳定和支护结构强度计算的有力工具。有限元法可以考虑岩土介质的非均匀性、各向异性、非连续性以及几何非线性等，适用于各种实际的边界条件。但该法需要将整个结构系统离散化，进行相应的插值计算，导致数据量大，精度相对底。大型通用有限元软件ANSYS就可用于隧道结构的数值计算，还可以实现隧道开挖与支护以及连续开挖的模拟。
边界元法在一定程度上改进了有限元法精度，它的基本未知量只在所关心问题的边界上，如在隧道计算时，只要对分析对象的边界作离散处理，而外围的无限域则视为无边界。但该法
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要求分析区域的几何、物理必须是连续的。
有限元—边界元耦合法则使采用两种方法的长处，从而可取得良好的效果。如计算隧道结构，对主要区域（隧道周围区域）采用有限元法，对于隧道外部区域可按均质、线弹性模拟，这样计算出来的结果精度一般较高。
3.1.3 隧道荷载
参照相关隧道设计规范，隧道设计主要考虑荷载包括永久荷载、可变荷载和偶然荷载，详见表3-2。其中最重要的是围岩的松动压力，支护结构的自重可按预先拟定的结构尺寸和材料重度计算确定。在含水地层中，静水压力可按最底水位考虑。在没有仰拱结构中，车辆荷载直接传给地层。
表3-2 隧道荷载
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3.2 隧道施工过程ANSYS模拟的实现
3.2.1 单元生死
3.2.1.1 单元生死的定义
如果模型中加入或删除材料，对应模型中的单元就存在或消失，把这种单元的存在与消失的情形定义为单元生死。单元的生死选项就用于在这种情况下杀死或重新激活所选择单元。单元生死功能主要用于开挖分析（如煤矿开挖和隧道开挖等）、建筑物施工过程（如近海架桥过程）、顺序组装（如分层计算机的组装）以及许多其他方面应用（如用户可以根据已知单元位置来方便地激活或杀死它们）。
需要注意的是，ANSYS单元的生死功能只适用于ANSYS/Multiphysics，ANSYS/Mechanical和ANSYS/Structure产品。此外，并非所有ANSYS单元具有生死功能，具有此生死功能的单元见表3-1。
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表3-1 ANSYS中具有生死功能的单元
在一些情况下，单元生死状态可以根据ANSYS计算所得数值来决定，如温度值、应力值等。可以利用ETABLE命令和ESEL命令来确定选择单元的相关数据，也可以改变单元的状态（如溶解、固结、破裂等）。这个特性对因相变引起的模型效应（如焊接过程中，结构上的可熔材料的固结状态因焊接从不生效变成生效，从而使模型增加了原不生效部分）、失效面扩展以及其他相关分析的单元变化是很有效的。
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3.2.1.2 单元生死的原理
要实现单元生死效果，ANSYS程序并不是将“杀死”的单元从模型中删除，而是将其刚度（或传导或其他分析特性）矩阵乘以一个很小的因子ESTIF。因子的默认值为10E-6，也可以赋予其他数值。死单元的单元荷载将为0，从而不对荷载向量生效（但任然在单元荷载列表中出现）。同样，死单元的质量、阻尼、比热和其他类似参数也设置为0。死单元的质量和能量将不包括在模型求解结果中。一旦单元被杀死，单元应变也就设为0。
同理，当单元“出生”，并不是将其添加到模型中去，而是重新激活它们。用户必须在前处理器PREP7中创建所有单元，包括后面将要被激活的单元。在求解阶中不能生成新的单元，要添加“一个单元，必须先杀死它，然后在合适的荷载步中重新激活它。
当一个单元被重新激活时，其刚度、质量、单元荷载等将恢复其原始的数值。重新激活的单元没有应变记录，也无热量存储。然而，初始应变以实参数形式输入（如LINK1单元）却不受单元生死操作的影响。此外，除非打开大变形选项（NLGEOM，ON），一些单元类型将恢复它们以前的几何特性（大变形效果有时了用来得到合理的结果）。如果其承受热量体荷载，单元在被激活后第一个求解过程中同样可以有热应变。根据其当前荷载步温度和参考温度计算刚被激活单元的热应变。因此，承受热荷载的刚被激活单元是有应力的。
3.2.1.3 单元生死的使用
用户可以在大多数静态和非线性瞬态分析中使用单元生死功能，其在各种分析操作中的基
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本过程是相同的。这个过程可包括以下3个步骤：
1. 建立模型
在前处理器PREP7中生成所有的单元，包括那些只有在以后荷载步中激活的单元。因为在求解器中不能生成新单元。
2. 施加荷载并求解
在求解器SOLUTION中执行下列操作：
（1）定义第一个荷载步
在第一个荷载步中，用户必须选择分析类型和所有的分析选项。可以利用命令或GUI方法来指定分析类型：
命令方式：ANTYPE
GUI方式：Main Menu>Solution>Analysis Type>New Analysis
对于所有单元生死应用，在第一个荷载步中应设置，因为ANSYS程序不能预知EKILL命令出现在后面的荷载步中。可以利用命令或GUI方法来完成此项设置：
命令方式：NLGEOM，ON
GUI方式：Main Menu>Solution>Analysis Options
杀死所有要加入到后续荷载步中的单元，可以利用命令或GUI方法来杀死单元：
命令方式：EKILL
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GUI方式：Main Menu>Solution>Load Step Opts>Other>Birth&Death>Kill Elements
单元在第一个子步被杀死或激活，然后在整个荷载步中保持这种状态。作为默认刚度矩阵的缩减因子在一些情况下不能满足要求，此时可以采用更严格的缩减因子。可以利用命令或GUI 方法来完成此操作：
命令方式：ESTIF
GUI方式：Main Menu>Solution>Load Step Opts>Other>Birth&Death>StiffnessMult
不与任何激活单元相连的节点将“漂移”，或具有浮动的自由度数值。在以下情况下，用户可能要约束不被激活的自由度（D，CP等）以减少要求解的方程数目，并防止出现错误条件。当激活具有特定形状（或温度）的单元时，约束没有激活的自由度显得更为重要。因为在重新激活单元时要删除这些人工约束，同时要删除没有激活自由度的节点荷载（也就是不与任何激活单元相连的节点0。同样，重新激活的自由度上必须施加节点荷载。
定义第一个荷载步命令输入示例如下：
！第一个荷载步
TIME，…！设定荷载步时间（静态分析选项）
NLGEOM，ON ！打开大变形效果
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NROPT，FULL ！设定牛顿-拉夫森选项
ESTIF，…！设定非默认缩减因子
ESEL，…！选择在本荷载步将被杀死的单元
EKILL，…！杀死所选择的单元
ESEL，S，LIVE ！选择所有活动单元
NSEL，S ！选择所有活动节点
NSEL，INVE ！选择所有不活动节点（不与活动单元相连的节点）D，ALL，ALL，0 ！约束所有不活动节的自由度
NSEL，ALL ！选择所有节点
ESEL，ALL ！选择所有单元
D，…！施加合适约束
F，…！施加合适的活动节点自由度荷载
SF，…！施加合适的单元荷载
BF，…！施加合适的体荷载
SAVE
SOLVE
（2）定义后续荷载步
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在后续荷载步中，用户可以根据需要随意杀死或激活单元。但必须要正确地施加和删除约束和节点荷载。
用下列命令来杀死单元：
命令方式：EKILL
GUI方式：Main Menu>Solution>Load Step Opts>Other>Birth&Death>Kill Elements
用下列命令来激活单元：
命令方式：ELIVEL
GUI方式：Main Menu>Solution>Load Step Opts>Other>Birth&Death>Active Elements
!第二步或后续荷载步
TIME，…
ESEL，…
EKILL，…. ！杀死所选择的单元
ESEL，….
EALIVE，…！重新激活所选择单元
….
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FDELE，…！删除不活动自由度的节点荷载
D，…!约束不活动自由度
…
F，…！给活动自由度施加合适的节点荷载
DDELE，…！删除重新激活自由度上的约束
SAVE
SOLVE
3. 查看结果
在大多数情况下，用户对包含生死单元进行后处理分析时因该按照标准步骤来进行操作。必须清楚的是，尽管对刚度（传导等）矩阵的贡献可以忽略，但杀死的单元仍然在模型中。因此，它们将包括在单元显示、输出列表等操作中。例如，由于节点结果平均时包含死单元，因此会“污染”结果。可以忽略整个死单元的输出，因为很多项带来的效果很小。建议在单元显示和其它后处理操作前用选择功能将死单元选出来。
3.2.1.4 单元生死的控制
1. 利用ANSYS结果控制单元生死
在许多时候，用户不能清楚知道要杀死和激活单元的确切位置。如，在热分析中要杀死熔融的单元（即在模型中移去的熔化材料），事先不知道这些单元的位置，这时，用户就可以根据
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ANSYS计算出的温度来确定这些单元。当用户根据ANSYS计算结果（如温度、应力、应变）来决定杀死或激活单元时，用户可以使用命令来识别并选择关键单元。
用下列方法识别单元：
命令方式：ETABLE
GUI方式：Main Menu>General Postproc>Element T able>Define T able
用下列方法来选择关键单元：
命令方式：ESEL
GUI方式：Utility Menu>Select>Entities
接着用户可以用EKILL/EALIVE命令杀死/激活所选择的单元。用户也可以用ANSYS的APDL语言编写宏来执行这些操作。
下面的例子是杀死总应变超过允许应变的单元：
/SOLU ！进入求解器
... ！标准求解过程
SOLVE
FINISH
/POST1 ！进入后处理器
SET，...
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ETABLE,STRAIN,EPTO,EQV ！将总应变存入ETABLE
ESEL,S,ETAB,STRAIN,0.20 ！选择所有总应变大于或等于0.20的单元
FINISH
/SOLU ！重新进去求解器
ANTYPE,,REST ！重复以前的静态分析
EKILL,ALL ！杀死所选择（超过允许值）的单元
ESEL,ALL ！选择所有单元
... ！继续求解
3.2.1.5 单元生死使用提示
下列提示有助于用户更好地利用ANSYS的单元生死功能进行分析：
（1）不活动自由度上不能施加约束方程（CE，CEINTF）。当节点不与活动单元相连时，不活动自由度就会出现。
（2）可以通过先杀死单元，然后再激活单元来模拟应力松弛（如退火）。
（3）在进行非线性分析时，注意不要因杀死或激活单元引起奇异性（如结构分析中的尖角）或刚度突变，这样会使收敛困难。
（4）如果模型是完全线性的，也就是说除了生死单元，模型不存在接触单元或其它非线性单元且材料是线性的，则ANSYS就采用线性分析，因此不会采用ANSYS默认（SOLCONTROL，
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ON）非线性求解器。
（5）在进行包含单元生死的分析中，打开全牛顿-拉夫森选项的自适应下降选项将产生很好的效果。用下列方法来完成此操作：
命令方式：NROPT，FULL，ON
GUI方式：Main Menu>Solution>Analysis Options
（6）可以通过一个参数值来指示单元的生死状态。下面命令能得到活单元的相关参数值：*GET，PAR，ELEM，n，ATTR，LIVE
该参数值可以用于APDL逻辑分支（*IF）或其它用户需要控制单元生死状态的场合。
（7）用荷载步文件求解法（LSWRITE）进行多荷载步求解时不能使用生死功能，因为生死单元状态不会写进到荷载步文件。多荷载步生死单元分析必须采用一系列SOLVE命令来实现。
此外，用户可以通过MPCHG命令来改变材料特性来杀死或激活单元。但这个过程要特别小心。软件保护和限制使得杀死的单元在求解器中改变材料特性时将不生效（单元的集中力、应变、质量和比热等都不会自动变为0）。不当的使用MPCHG命令可能会导致许多问题。例如，如果把一个单元的刚度减小到接近0，但仍保留质量，则在有加速度或惯性效应时就会产生奇异性。
MPCHG命令的应用之一：模拟系列施工中使“出生”单元的应变历程保持不变。这时用
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. 第3章ANSYS隧道工程中的应用实例分析 本章重点 隧道工程概述隧道施工ANSYS模拟的实现 ANSYS隧道结构实例分析ANSYS隧道开挖模拟实例分析 本章典型效果图 可编辑
. 3.1 隧道工程相关概念 3.1.1 隧道工程设计模型 为达到各种不同的使用目的，在山体或地面下修建的建筑物，统称为“地下工程”。在地下工程中，用以保持地下空间作为运输孔道，称之为“隧道”。由于地层开挖后容易变形、塌落或是有水涌入，所以在除了在极为稳固地层中且没有地下水的地方以外，大都要在坑道的周围修建支护结构，称之为“衬砌”。隧道工程建筑物是埋于地层中的结构物，它的受力和变形与围岩密切相关，支护结构与围岩作为一个统一的受力体系相互约束，共同作用。隧道工程所处的环境条件与地面工程是全然不同的，但长期以来都沿用适应地面的工程理论和方法来解决地下工程中所遇到的各类问题，因而常常不能正确地阐明地下工程中出现的各种力学现象和过程，是地下工程长期处于“经验设计”和“经验施工”的局面。这种局面与迅速发展的地下工程现实 可编辑
. 极不相称，促使人们努力寻找新的理论和方法来解决地下工程遇到的各种问题。 地下工程的设计理论和方法经历了一个相当长的发展过程。在20世纪20年代以前，地下工程支护理论主要有古典的压力理论和散体压力理论，以砖、石头材料作为衬砌，采用木支撑或竹支撑的分部开挖方法进行施工。此时，只是将衬砌作为受力结构，围岩是看作载荷作用在衬砌结构上，这种设计理论过于保守，设计出的衬砌厚度偏大。20世纪50年代以来，岩石力学开始成为一门独立的学科，围岩弹性、弹塑性和粘弹性解答逐步出现。土力学的发展促使松散地层围岩稳定和围岩压力理论的发展，而岩石力学的发展则促使围岩压力和地下工程支护结构理论的进一步的飞跃。同时，锚杆和喷射混凝土的作为初期支护得到广泛应用。这种柔性支护允许开挖后的围岩有一定的变形，使围岩能够发挥其稳定性，从而可以大大地减小衬砌厚度。 国际隧道学会认为，目前采用的隧道设计模型主要有以下几种： ◆以工程类比为主的经验设计方法。 ◆以现场测试和实验室试验为主的实用设计方法（如现场和实验室的岩土力学试验、以 洞周围测量值为基础的收敛—约束法以及实验室模型试验等）。 ◆作用—反作用设计模型，即目前隧道设计常用的载荷—结构模型，包括弹性地基梁、 弹性地基圆环等。 ◆连续介质模型，包括解析法（封闭解和近似解）和数值法（以FEM为主）。 国际隧道学会于1978年成立了隧道结构设计模型研究小组，收集和汇总了各会员国目前 可编辑
第四章子结构 什么是子结构？ 子结构就是将一组单元用矩阵凝聚为一个单元的过程。这个单一的矩阵单元称为超单元。在ANSYS分析中，超单元可以象其他单元类型一样使用。唯一的区别就是必须先进行结构生成分析以生成超单元。子结构可以在ANSYS/Mutiphysics，ANSYS/Mechanical和ANSYS/Structural中使用。 使用子结构主要是为了节省机时，并且允许在比较有限的计算机设备资源的基础上求解超大规模的问题。原因之一如a)非线性分析和带有大量重复几何结构的分析。在非线性分析中，可以将模型线性部分作成子结构，这样这部分的单元矩阵就不用在非线性迭代过程中重复计算。在有重复几何结构的模型中（如有四条腿的桌子），可以对于重复的部分生成超单元，然后将它拷贝到不同的位置，这样做可以节省大量的机时。 子结构还用于模型有大转动的情况下。对于这些模型，ANSYS假定每个结构都是围绕其质心转动的。在三维情况下，子结构有三个转动自由度和三个平动自由度。在大转动模型中，用户在使用部分之前无须对子结构施加约束，因为每个子结构都是作为一个单元进行处理，是允许刚体位移的。 另外一个原因b)一个问题就波前大小和需用磁盘空间来说相对于一个计算 1
机系统太庞大了。这样，用户可以通过子结构将问题分块进行分析，每一块对于计算机系统来说都是可以计算的。 如何使用子结构 子结构分析有以下三个步骤： ●生成部分 ●使用部分 ●扩展部分 生成部分就是将普通的有限元单元凝聚为一个超单元。凝聚是通过定义一组主自由度来实现的。主自由度用于定义超单元与模型中其他单元的边界，提取模型的动力学特性。图4-1是一个板状构件用接触单元分析的示意。由于接触单元需要迭代计算，将板状构件形成子结构将显著地节省机时。本例中，主自由度是板与接触单元相连的自由度。 图4-1 子结构使用示例 2
3.4 ANSYS隧道开挖模拟实例分析 3.4.1 实例描述 选取新建铁路宜昌（宜）－万州（万）铁路线上的某隧道，隧道为单洞双车道，隧道正下方存在一个溶洞，隧道支护结构为曲墙式带仰拱复合衬砌。 主要参数如下： ◆隧道衬砌厚度为30cm。 ◆采用C25钢筋混凝土为衬砌材料。 ◆隧道围岩是Ⅳ级,隧道洞跨是13m，隧道埋深是80m。 ◆溶洞近似圆型，溶洞半径是3.6m,溶洞与隧道距离12.8m。 ◆围岩材料采用Drucker-Prager模型。 ◆隧道拱腰到拱顶布置30根25 Φ锚杆。 隧道围岩的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3-7所示。 表3-7 物理力学指标 名称容重 γ（3 /m kN）弹性抗力系数 K（MPz/m） 弹性模量 E（GPa） 泊松比 v 内摩擦角 ?（。） 凝聚力 C（MPa） Ⅳ级围岩22 300 3.6 0.32 37 0.6 C25钢筋混凝土25 - 29.5 0.15 54 2.42 锚杆79.6 - 170 0.3 - - 利用ANSYS提供的对计算单元进行“生死”处理的功能，来模拟隧道的分步开挖和支 护过程，采用直接加载法，将岩体自重、外部恒载、列车荷载等在适当的时候加在隧道周围 岩体上。利用ANSYS后处理器来查看隧道施工完后隧道与溶洞之间塑性区贯通情况，来判 断隧道底部存在溶洞情形时，实际所采用的设计和施工方案是否安全可行。 3.4.2 ANSYS模拟施工步骤 ANSYS模拟计算范围确定原则：通常情况下，隧道周围大于3倍洞跨以外的围岩受到 隧道施工的影响很小了，所以，一般情况下，计算范围一般取隧道洞跨3倍。但因为本实例 隧道下部存在溶洞，所以，垂直方向：隧道到底部边界取为洞跨的5倍，隧道顶部至模型上 部边界为100米，然后根据隧道埋深情况将模型上部土体重量换算成均布荷载施加在模型上 边界上；水平方向长度为洞跨的8倍。 模型约束情形：本实例模型左、右和下部边界均施加法向约束，上部为自由边界，除均 布荷载外未受任何约束。围岩采用四节点平面单元（PLANE42）加以模拟，初期支护的锚 杆单元用LINK1单元来模拟，二次衬砌支护用BEAM3来模拟，计算时首先计算溶洞存在 时岩体的自重应力场，然后再根据上述方法模拟开挖过程。 ANSYS模拟隧道施工步骤如下： 1）建立模型。
水工隧洞施工及运行的ANSYS模拟 4.1 数值模拟对象 4.2 有限元建模 4.2.1单元定义和材料定义 4.2.2实体建模 4.2.3网格划分 4.2.4边界条件和初始条件 4.3 水工隧洞施工过程模拟 4.3.1初始状态模拟 4.3.2毛洞开挖工况模拟 4.3.3毛洞支护工况模拟 4.3.4计算结果查看及处理 4.4 水工隧洞运行期模拟 4.4.1运行期内水压力的模拟 4.4.2 运行期外水压力的模拟 水工隧洞施工及运行的ANSYS模拟 由于ANSYS在水利工程中应用面广,可以广泛用于水利工程的各个专业领域中,包括水工隧洞、地下厂房、高边坡、重力坝、拱坝、截流堰等水工结构;水轮机组的动力分析;水文预测以及高速水力学等.基于对ANSYS基本操作的进一步熟悉,并建立对水工结构ANSYS分析的概念,本章以一个典型水工隧洞的开挖过程为例,简单介绍ANSYS在水利工程中的应用,并以此作为初学者的入门实例. 2.1 数值模拟对象 对于实际工程而言,对所要数值模拟对象的熟悉程度是进行有效的ANSYS 建模和正确进行有限元分析的基础,熟悉的内容主要包括:研究对象地形地质条件(不同的地质分层、断层、节理、裂隙等)、地层及结构的物理力学参数(如果涉及到渗流分析或温度分析,则还需要水力学参数和热力学参数等)、纵横剖面、水文条件以及荷载条件等,以及工程的施工工法,工序安排等,从而为有限元的建模提供前提条件. 需要注意的是,作为有限元数值模拟,只是对实际工程的高度近似,换句话说,不可能达到百分之百的相同.因此,对实际工程需要进行一定的简化,否则是无法、也不可能进行数值模拟的.
图4-1 水工隧道的简单实例 问题描述:以一个简单隧洞为例,隧洞内径6米,衬砌厚40厘米,地层均质,隧洞进行全断面开挖,开挖后进行一次性衬砌支护. 问题抽象:从描述中可以分析,分析为平面应变问题,问题中涉及两种材料(岩石和混凝土衬砌),研究区域根据一定的规则选取为100米×100米(在后面的章节中进行介绍)矩形区域,工程分析过程分为3步,即初始状态>毛洞开挖>支护. 2.2 有限元建模 启动ANSYS Product Laucher,定义好工作目录和文件名称.建议不同的工程建立不同的工作目录,文件名称尽量取与工程名称相关且最好包含日期信息,以便日后对计算过程的回顾和再利用.如目录取为Shuigong,文件名取为Tunnel060824,如图4-2.然后运行Run(如目录不存在,则会弹出对话框提示,直接 点击确定,则在相应位置新建,若已存在,则点击Browse 去选取,文件名同样如此), 进入ANSYS主操作界面. 图4-2 工作目录和文件名的定义2.2.1 单元定义和材料定义 1．单元定义
ANSYS 结构稳态(静力)分析之经典实例-命令流格式.txt两人之间的感情就像织毛衣，建立 的时候一针一线，小心而漫长，拆除的时候只要轻轻一拉。。。。/FILNAME,Allen-wrench,1 ! Jobname to use for all subsequent files /TITLE,Static analysis of an Allen wrench /UNITS,SI ! Reminder that the SI system of units is used /SHOW ! Specify graphics driver for interactive run; for batch ! run plots are written to pm02.grph ! Define parameters for future use EXX=2.07E11 ! Young's modulus (2.07E11 Pa = 30E6 psi) W_HEX=.01 ! Width of hex across flats (.01m=.39in) *AFUN,DEG ! Units for angular parametric functions定义弧度单位 W_FLAT=W_HEX*TAN(30) ! Width of flat L_SHANK=.075 ! Length of shank (short end) (.075m=3.0in) L_HANDLE=.2 ! Length of handle (long end) (.2m=7.9 in) BENDRAD=.01 ! Bend radius of Allen wrench (.01m=.39 in) L_ELEM=.0075 ! Element length (.0075 m = .30 in) NO_D_HEX=2 ! Number of divisions on hex flat TOL=25E-6 ! Tolerance for selecting nodes (25e-6 m = .001 in) /PREP7 ET,1,SOLID45 ! 3维实体结构单元；Eight-node brick element ET,2,PLANE42 ! 2维平面结构；Four-node quadrilateral (for area mesh) MP,EX,1,EXX ! Young's modulus for material 1；杨氏模量 MP,PRXY,1,0.3 ! Poisson's ratio for material 1；泊松比 RPOLY,6,W_FLAT ! Hexagonal area创建规则的多边形 K,7 ! Keypoint at (0,0,0) K,8,,,-L_SHANK ! Keypoint at shank-handle intersection K,9,,L_HANDLE,-L_SHANK ! Keypoint at end of handle L,4,1 ! Line through middle of hex shape L,7,8 ! Line along middle of shank L,8,9 ! Line along handle LFILLT,8,9,BENDRAD ! Line along bend radius between shank and handle! 产生 一个倒角圆，并生成三个点 /VIEW,,1,1,1 ! Isometric view in window 1 /ANGLE,,90,XM ! Rotates model 90 degrees about X! 不用累积的旋转 /TRIAD,ltop /PNUM,LINE,1 ! Line numbers turned on LPLOT
平面问题斜支座的处理 如图5-7所示，为一个带斜支座的平面应力结构，其中位置2及3处为固定约束，位置4处为一个45o的斜支座，试用一个4节点矩形单元分析该结构的位移场。 (a)平面结构(b)有限元分析模型 图5-7 带斜支座的平面结构 基于ANSYS平台，分别采用约束方程以及局部坐标系的斜支座约束这两种方式来进行处理。 (7) 模型加约束 左边施加X,Y方向的位移约束 ANSYS Main Menu: Solution →Define Loads →Apply →-Structural→Displacement On Nodes →选取2，3号节点→OK →Lab2: All DOF(施加X,Y方向的位移约束) →OK 以下提供两种方法处理斜支座问题，使用时选择一种方法。 ?采用约束方程来处理斜支座 ANSYS Main Menu：Preprocessor →Coupling/ Ceqn →Constraint Eqn ：Const :0, NODE1:4, Lab1: UX,C1:1,NODE2:4,Lab2:UY,C2:1→OK 或者?采用斜支座的局部坐标来施加位移约束 ANSYS Utility Menu：WorkPlane →Local Coordinate System →Create local system →At specified LOC + →单击图形中的任意一点→OK →XC、YC、ZC分别设定为2，0，0,THXY：45 →OK ANSYS Main Menu：Preprocessor →modeling →Move / Modify →Rotate Node CS →To active CS → 选择4号节点 ANSYS Main Menu：Solution →Define Loads →Apply →Structural →Displacement On Nodes →选取4号节点→OK →选择Lab2:UY(施加Y方向的位移约束) →OK 命令流； !---方法1 begin----以下的一条命令为采用约束方程的方式对斜支座进行处理 CE,1,0,4,UX,1,4,UY,-1 !建立约束方程(No.1): 0=node4_UX*1+node_UY*(-1) !---方法1 end --- !--- 方法2 begin --以下三条命令为定义局部坐标系，进行旋转，施加位移约束 !local,11,0,2,0,0,45 !在4号节点建立局部坐标系 !nrotat, 4 !将4号节点坐标系旋转为与局部坐标系相同 !D,4,UY !在局部坐标下添加位移约束 !--- 方法2 end
隧道台阶法开挖的有限元模拟分析 1.力学模型的建立 岩体的性质是十分复杂的，在地下岩体的力学分析中，要全面考虑岩体的所有性质几乎是不可能的。建立岩体力学模型，是将一些影响岩石性质的次要因素略去，抓住问题的主要矛盾，即着眼于岩体的最主要的性质。在模型中，简化的岩体性质有强度、变形、还有岩体的连续性、各项同性及均匀性等。考虑岩石的性质和变形特性，以及外界因素的影响，采用的模型有弹性、塑性、弹塑性、粘弹性、粘弹塑性等。 根据对隧道的现场调查及试验结果分析，围岩具有明显的弹塑性性质。因此，根据隧道的实际情况，考虑岩体的弹塑性性质，在符合真实施工工序和支护措施的基础上，在数值模拟过程中将计算模型简化成弹塑性平面应变问题，采用Drucker—Prager屈服准则来模拟围岩的非线性并且不考虑其体积膨胀，混凝土材料为线弹性且不计其非线性变形。 对地下工程开挖进行分析，一般有两种计算模型： （1）“先开洞，后加载” 在加入初始地应力场前，首先将开挖掉的单元从整体刚度矩阵中删除，然后对剩余的单元加入初始地应力场进行有限元计算。 （2）“先加载，后开洞” 这种方法是首先在整个计算区域内作用地应力场，然后在开挖边界上施加反转力，经过有限元计算得到所需要的应力、位移等物理量。 两种方法对线弹性分析而言，所得到的应力场是相同的，而位移场是不同的，模型（2）（即：“先加载，后开洞”）更接近实际情况。在实际地下工程开挖中部分岩体已进入塑性状态，必须用弹塑性有限元进行计算分析，而塑性变形与加载的路径有关，所以模拟计算必须按真实的施工过程进行，即在对地下工程开挖进行弹塑性数值模拟过程中，必须遵循“先加载，后开洞”的原则。 在有限元法中，求解非线性问题最常采用的方法是常刚度初应力法。对于弹塑性问题，由于塑性变形不可恢复，应力和应变不再是一一对应的关系，即应力状态与加载路径有关，因此应该用增量法求解。弹塑性应力增量与应变增量之间的关系可近似地表示为
第3章-ANSYS隧道工程中的应用实例分析 第3章ANSYS隧道工程中的应用实例分析 本章重点 隧道工程概述隧道施工ANSYS模拟的实现 ANSYS隧道结构实例分析ANSYS隧道开挖模拟实例分析 本章典型效果图 156 / 156
第3章-ANSYS 隧道工程中的应用实例分析 157 / 156 3.1 隧道工程相关概念 3.1.1 隧道工程设计模型 为达到各种不同的使用目的，在山体或地面下修建的建筑物，统称为“地下工程”。在地下工程中，用以保持地下空间作为运输孔道，称之为“隧道”。由于地层开挖后容易变形、塌落或是有水涌入，所以在除了在极为稳固地层中且没有地下水的地方以外，大都要在坑道的周围修建支护结构，称之为“衬砌”。隧道工程建筑物是埋于地层中的结构物，它的受力和变形与围岩密切相关，支护结构与围岩作为一个统一的受力体系相互约束，共同作用。隧道工程所处的环境条件与地面工程是全然不同的，但长期以来都沿用适应地面的工程理论和方法来解决地下工程中所遇到的各类问题，因而常常不能正确地阐明地下工程中出现的各种力学现象和过程，是地下工程长期处于“经验设计”和“经验施工”的局面。这种局面与迅速发展的地下工程现实极不相称，促使人们努力寻找新的理论和方法来解决地下工程遇到的各种问题。 地下工程的设计理论和方法经历了一个相当长的发展过程。在20世纪20年代以前，地下工程支护理论主要有古典的压力理论和散体压力理论，以砖、石头材料作为衬砌，采用木支撑或竹支撑的分部开挖方法进行施工。此时，只是将衬砌作为受力结构，围岩是看作载荷作用在衬砌结构上，这种设计理论过于保守，设计出的衬砌厚度偏大。20世纪50年代以来，岩石力学开始成为一门独立的学科，围岩弹性、弹塑性和粘弹性解答逐步出现。土力学的发展促使松散地层围岩稳定和围岩压力理论的发展，而岩石力学的发展则促使围岩压力和地下工程支护结构理论的进一步的飞跃。同时，锚杆和喷射混凝土的作为初期支护得到广泛应用。这种柔性支
ANSYS中的超单元 从8.0版开始，ANSYS中增加了超单元功能，本文通过一些实际例子，探讨了ANSYS 中超单元的具体使用。 1 使用超单元进行静力分析 根据ANSYS帮助文件，使用超单元的过程可以划分为三个阶段(称为Pass)： (1) 生成超单元模型(Generation Pass) (2) 使用超单元数据(Use Pass) (3) 扩展模型(Expansion Pass) 以下摘自htbbzzg邹老师博客，请勿乱传! 下面以一个例子加以说明： 一块板，尺寸为20×40×2，材料为钢，一端固支，另一端承受法向载荷。 首先生成原始模型se_all.db，即按照整个结构进行分析，以便后面与超单元结果进行比较： 首先生成两个矩形，尺寸各为20×2。然后定义单元类型shell63； 定义实常数1为： 2 (板厚度)。 材料性能：弹性模量E=201000；波松比μ=0.3；密度ρ=7.8e-9； 单位为mm-s-N-MPa。 采用边长1划分单元；一端设置位移约束all，另一端所有(21个)节点各承受Z向力5。计算模型如下图：
静力分析的计算结果如下：
为了后面比较的方便，分别给出两个area上的结果：
超单元部分，按照上述步骤操作如下： (1) 生成超单元 选择后半段作为超单元，前半段作为非超单元(主单元)。 按照ANSYS使用超单元的要求，超单元与非超单元部分的界面节点必须一致(重合)，且最好分别的节点编号也相同，否则需要分别对各节点对建立耦合方程，操作比较麻烦。 实际上，利用ANSYS中提供的mesh200单元，对超单元和非超单元的界面实体，按照同一顺序，先于所有其它实体划分单元，很容易满足界面节点编号相同的要求。对于多级超单元的情况，则还要结合其它操作(如偏移节点号等)以满足这一要求。 对于本例，采用另一办法，即先建立整个模型，然后再划分超单元和非超单元。即：将上述模型分别存为se_1.db (超单元部分)和se_main.db (非超单元部分)两个文件，然后分别处理。 对于se_1.db模型，按照超单元方式进行处理。由于模型及边界条件已建立，只需删除前半段上的划分，结果就是超单元所需的模型。 然后直接进入创建超单元矩阵的操作，首先说明一下创建超单元矩阵的一般步骤： A进入求解模块： 命令：/Solu GUI：Main menu -> Solution B设置分析类型为“子结构或部件模态综合“
本章首先介绍了隧道工程的相关概念；然后介绍了ANSYS 的生死单元及DP 材料模型；最后用2个实例分别详细描述了用ANYS 实现隧道结构设计和隧道施工模拟的全过程。 内容 提要 第3章 ANSYS 隧道工程中的应用实例分析 本章重点 隧道工程概述 隧道施工ANSYS 模拟的实现 ANSYS 隧道结构实例分析 ANSYS 隧道开挖模拟实例分析 本章典型效果图
3.1 隧道工程相关概念 3.1.1 隧道工程设计模型 为达到各种不同的使用目的，在山体或地面下修建的建筑物，统称为“地下工程”。在地下工程中，用以保持地下空间作为运输孔道，称之为“隧道”。由于地层开挖后容易变形、塌落或是有水涌入，所以在除了在极为稳固地层中且没有地下水的地方以外，大都要在坑道的周围修建支护结构，称之为“衬砌”。隧道工程建筑物是埋于地层中的结构物，它的受力和变形与围岩密切相关，支护结构与围岩作为一个统一的受力体系相互约束，共同作用。隧道工程所处的环境条件与地面工程是全然不同的，但长期以来都沿用适应地面的工程理论和方法来解决地下工程中所遇到的各类问题，因而常常不能正确地阐明地下工程中出现的各种力学现象和过程，是地下工程长期处于“经验设计”和“经验施工”的局面。这种局面与迅速发展的地下工程现实极不相称，促使人们努力寻找新的理论和方法来解决地下工程遇到的各种问题。 地下工程的设计理论和方法经历了一个相当长的发展过程。在20世纪20年代以前，地下工程支护理论主要有古典的压力理论和散体压力理论，以砖、石头材料作为衬砌，采用木支撑或竹支撑的分部开挖方法进行施工。此时，只是将衬砌作为受力结构，围岩是看作载荷作用在衬砌结构上，这种设计理论过于保守，设计出的衬砌厚度偏大。20世纪50年代以来，岩石力学开始成为一门独立的学科，围岩弹性、弹塑性和粘弹性解答逐步出现。土力学的发展促使松散地层围岩稳定和围岩压力理论的发展，而岩石力学的发展则促使围岩压力和地下工程支护结构理论的进一步的飞跃。同时，锚杆和喷射混凝土的作为初期支护得到广泛应用。这种柔性支护允许开挖后的围岩有一定的变形，使围岩能够发挥其稳定性，从而可以大大地减小衬砌厚度。 国际隧道学会认为，目前采用的隧道设计模型主要有以下几种： ◆以工程类比为主的经验设计方法。 ◆以现场测试和实验室试验为主的实用设计方法（如现场和实验室的岩土力学试验、以 洞周围测量值为基础的收敛—约束法以及实验室模型试验等）。 ◆作用—反作用设计模型，即目前隧道设计常用的载荷—结构模型，包括弹性地基梁、 弹性地基圆环等。 ◆连续介质模型，包括解析法（封闭解和近似解）和数值法（以FEM为主）。 国际隧道学会于1978年成立了隧道结构设计模型研究小组，收集和汇总了各会员国目前采用的隧道工程设计模型，详见表3-1。
6.1施工过程仿真分析 1．材料、实常数和单元类型定义 /TITLE，Mechanical analysis on railway tunnel 1nd lining ! 确定分析标题 /NOPR !菜单过滤设置 /PMETH，OFF，0 KEYW，PR_SET，1 KEYW，PR_STRUC，1 !保留结构分析部分菜单/COM， /COM，Preferences for GUI filtering have been set to display: /COM，Structural /PREP7 !进入前处理器 ET,1,PLANE42 !设置实体单元类型 KEYOPT,1,1,0 KEYOPT,1,2,0 KEYOPT,1,3,2 !设置为平面应变模式 KEYOPT,1,5,0 KEYOPT,1,6,0 ET,2,PLANE42 !设置实体单元类型 KEYOPT,1,1,0 KEYOPT,1,2,0 KEYOPT,1,3,2 !设置为平面应变模式 KEYOPT,1,5,0 KEYOPT,1,6,0 ET，3，BEAM3 !设置梁单元类型 R,1,0.25,1.5e-3,0.25, , , , !设置梁单元几何常数 MPTEMP,,,,,,,, MPTEMP,1,0 MPDATA,EX,1,,0.8e9 !输入弹性模量（围岩） MPDATA,PRXY,1,,0.38 !输入泊松比（围岩） MPDATA,DENS,1,,2000 !输入密度（围岩） TB,DP,1,,, !采用DP准则进行弹塑性分析 TBMODIF,1,1,0.2e6 !输入凝聚力（围岩） TBMODIF,1,2,30 !输入摩擦角（围岩） TBMODIF,1,3, MPTEMP,,,,,,,, MPTEMP,1,0 MPDATA,EX,2,,3.2e9 !输入弹性模量（加固圈） MPDATA,PRXY,2,,0.32 !输入泊松比（加固圈）
ANSYS分析实例详解 姓名：XXX 学号：XXX 专业：XXX 内容：空调支架的有限元分析 本次作业为对一空调支架的有限元分析，其主要内容包括空调支架的建模、有限元分析、强度校核以及结构优化等。下图为空调支架一侧的实物图片： 1、空调支架的特点分析 由于空调支架为一个完全对称结构，空调的重量均匀分部在两侧对称支架上，因此只要对空调支架的一侧进行分析即可达到对整体空调支架的分析，同时也达到了简化空调支架分析的目的。本次作业可以分三部分来完成：一，空调支架一侧的建模；二，利用商业化有限元分析软件对建好的空调支架模型进行有限元分析；三，根据空调支架模型有限元分析的结果对支架进行强度校核以及结构优化。 2、空调支架的建模 空调支架的具体尺寸图如下图所示：
考虑到空调支架模型结构简单，故在此没有利用三维软件建模而是直接在有限元分析软件中进行建模，本次作业采用的有限元分析软件为美国ANSYS公司研制的大型通用有限元分析（FEA）软件ANSYS10.0。建立模型包括设定分析作业名和标题，定义单元类型、定义材料属性、建立三维模型、划分有限元网格。 2.1设定分析作业名和标题 打开ANSYS软件进入ANSYS操作界面，首先从主菜单中选择【Preferences】命令，勾选Structural。然后从实用菜单中选择【Change Jobname】命令，将文件名修改为Ktiao2，从实用菜单中选择【Change Title】命令，将标题修改为Ktiao2。如下图所示： 2.2定义单元类型 在进行有限元分析时，首先应根据分析问题的几何结构、分析类型和所分析的问题精度要求等，选定适合具体分析的单元类型。本文中选用8节点六面体单元Solid185。如下图所示：
平面结构静力有限元分析 一、实验目的： 1、掌握ANSYS软件基本的几何形体构造方法、网格划分方法、边界条件施加方法及 各种载荷施加方法。 2、熟悉有限元建模、求解及结果分析步骤和方法。 3、能利用ANSYS软件对平面结构进行静力有限元分析。 二、实验设备： 微机，ANSYS软件。 三、实验内容： 单位厚度的方板中间有一个圆孔（如图所示），平板所用材料的弹性模量为E=107Mpa，泊松比为0.3。沿圆孔边缘施加P=1Mpa的压力。分析方板的应力及位移。 四、实验步骤： 1、建立有限元模型。 （1）创建工作文件夹并添加标题； 在ANSYS工作目录下创建一个文件夹，命名为plate，以便用这个文件夹保存分析过程中所生成的文件。选择Reference菜单，在弹出的对话框中选择结构分析（Structural），取消选择与结构分析无关的选项。 （2）定义几何参数； 为方便起见，以参数化的方式定义方板的1/4模型，即方板的半宽a，圆孔半径r，压力p，材料参数E和υ。 操作GUI: Utility Menu > Parameters > Scalar Parameters 依次输入下面的参数：a=10e-3 r=7e-3 p=1e6 E=1e13
nu=0.3 （3）选择单元； 首先进入单元类型库，操作如下： GUI: Main Menu >Preprocessor >Element Type >Add/Edit/Delete >Add 在对话框左侧选择Solid选项，在右侧列表中选择Quad 4 node 42选项，然后单击OK 按钮。 （4）定义实常数； 选定单元后，根据单元类型定义实常数，操作如下： GUI: Main Menu >Preprocessor >Real Constants >Add/Edit/Delete >Add （5）定义材料属性； 定义材料属性（弹性模量和泊松比）的操作如下： GUI: Main Menu >Preprocessor >Material Props >Material Models >Structural >Linear >Elastic>Isotropic 在弹性模量（杨氏模量，Young’s modulus EX）文本框中输入“E”，在泊松比（Poisson’s Ratio PRXY）文本框中输入“nu”。 （6）创建实体模型； 由于几何模型、材料参数和载荷均关于水平、竖直中心线对称，所以只需要建立方板的1/4模型即可。取坐标原点为圆孔中心，建立右上角的1/4模型。首先由半宽a生成板，然后减去半径为r的1/4圆。 ①创建矩形（1/4板） 通过长宽定义矩形，操作如下： GUI: Main Menu >Preprocessor >Modeling >Create >Areas >Rectangle >By Dimensions ②创建圆面（1/4部分圆） 创建1/4部分圆，操作如下： GUI: Main Menu >Preprocessor >Modeling >Create >Areas>Circle >Partial Annulus ③从方板中减去圆 通过布尔操作实现面相减，操作如下： GUI: Main Menu >Preprocessor >Modeling >Operate >Booleans >Subtract >Areas （7）设定网格尺寸并划分网格； 单元及实体模型定义完毕后，划分网格。首先进入MeshTool对话框，操作如下： GUI: Main Menu >Preprocessor >MeshTool ①定义网格的单元属性 ②设定网格尺寸 通过设定SmartSize值，可让系统自动设定每个边的网格尺寸。 ③划分模型网格 ④保存数据库 操作GUI: Toolbar >SA VE_DB 2、施加载荷并求解。 （1）选择分析类型； 选择分析类型为静力分析（Static）。 （2）定义约束； 由于实体模型及载荷约束均对称，所以利用对称性定义约束。ANSYS提供了专门的设置，以方便设置对称条件，即沿对称轴设置“symmetry boundary condition”，操作如下：GUI: Main Menu >Preprocessor >Loads >Define
基于图形界面的桁架桥梁结构分析(step by step) 下面以一个简单桁架桥梁为例，以展示有限元分析的全过程。背景素材选自位于密执安的"Old North Park Bridge" (1904 - 1988)，见图3-22。该桁架桥由型钢组成，顶梁及侧梁，桥身弦杆，底梁分别采用3 种不同型号的型钢，结构参数见表3-6。桥长L=32m,桥高H=5.5m。桥身由8 段桁架组成，每段长4m。该桥梁可以通行卡车，若这里仅考虑卡车位于桥梁中间位置，假设卡车的质量为4000kg，若取一半的模型，可以将卡车对桥梁的作用力简化为P1 ，P2 和P3 ，其中P1= P3=5000 N, P2=10000N，见图3-23。 图3-22 位于密执安的"Old North Park Bridge" (1904 - 1988) 图3-23 桥梁的简化平面模型(取桥梁的一半) 表3-6 桥梁结构中各种构件的几何性能参数 解答以下为基于ANSYS 图形界面(Graphic User Interface , GUI)的菜单操作流程。 (1) 进入ANSYS（设定工作目录和工作文件）
程序→ANSYS →ANSYS Interactive →Working directory（设置工作目录）→Initial jobname （设置工作文件名）:TrussBridge →Run →OK (2) 设置计算类型 ANSYS Main Menu：Preferences… →Structural →OK (3) 定义单元类型 ANSYS Main Menu：Preprocessor →Element Type →Add/Edit/Delete... →Add…→Beam: 2d elastic 3 →OK（返回到Element Types窗口）→Close (4) 定义实常数以确定梁单元的截面参数 ANSYS Main Menu: Preprocessor →Real Constants…→Add/Edit/Delete →Add…→select Type 1 Beam 3 →OK →input Real Constants Set No. : 1 , AREA: 2.19E-3，Izz: 3.83e-6(1号实常数用于顶梁和侧梁) →Apply →input Real Constants Set No. : 2 , AREA: 1.185E-3，Izz: 1.87E-6 (2号实常数用于弦杆) →Apply →input Real Constants Set No. : 3, AREA: 3.031E-3，Izz: 8.47E-6 (3号实常数用于底梁) →OK (back to Real Constants window) →Close (the Real Constants window) (5) 定义材料参数 ANSYS Main Menu: Preprocessor →Material Props →Material Models →Structural →Linear →Elastic →Isotropic →input EX: 2.1e11, PRXY: 0.3(定义泊松比及弹性模量) →OK →Density (定义材料密度) →input DENS: 7800, →OK →Close（关闭材料定义窗口） (6) 构造桁架桥模型 生成桥体几何模型 ANSYS Main Menu：Preprocessor →Modeling →Create →Keypoints →In Active CS →NPT Keypoint number：1，X，Y，Z Location in active CS：0，0 →Apply →同样输入其余15个特征点坐标（最左端为起始点，坐标分别为(4,0), (8,0), (12,0), (16,0), (20,0), (24,0), (28,0), (32,0), (4,5.5), (8,5.5), (12,5.5), (16.5.5), (20,5.5), (24,5.5), (28,5.5)）→Lines →Lines →Straight Line →依次分别连接特征点→OK 网格划分 ANSYS Main Menu: Preprocessor →Meshing →Mesh Attributes →Picked Lines →选择桥顶梁及侧梁→OK →select REAL: 1, TYPE: 1 →Apply →选择桥体弦杆→OK →select REAL: 2, TYPE: 1 →Apply →选择桥底梁→OK →select REAL: 3, TYPE:1 →OK →ANSYS Main Menu：Preprocessor →Meshing →MeshTool →位于Size Controls下的Lines：Set →Element Size on Picked →Pick all →Apply →NDIV：1 →OK →Mesh →Lines →Pick all →OK (划分网格) (7) 模型加约束 ANSYS Main Menu: Solution →Define Loads →Apply →Structural→Displacement →On Nodes →选取桥身左端节点→OK →select Lab2: All DOF(施加全部约束) →Apply →选取桥身右端节点→OK →select Lab2: UY(施加Y方向约束) →OK (8) 施加载荷 ANSYS Main Menu: Solution →Define Loads →Apply →Structural →Force/Moment →On Keypoints →选取底梁上卡车两侧关键点（X坐标为12及20）→OK →select Lab: FY，Value: -5000 →Apply →选取底梁上卡车中部关键点（X坐标为16）→OK →select Lab: FY，Value: -10000 →OK →ANSYS Utility Menu：→Select →Everything (9) 计算分析 ANSYS Main Menu：Solution →Solve →Current LS →OK (10) 结果显示 ANSYS Main Menu：General Postproc →Plot Results →Deformed shape →Def shape only →OK（返回到Plot Results）→Contour Plot →Nodal Solu →DOF Solution, Y-Component of Displacement →OK（显示Y方向位移UY）(见图3-24(a))
2.3 工字钢-ANSYS 实例分析 (三维实体结构) 介绍三维实体结构的有限元分析。 一、问题描述 图1所示为一工字钢梁，两端均为固定端，其截面尺寸为 1.0,0.16,0.2,0.02,0.02l m a m b m c m d m =====。试建立该工字钢梁的三维实体模型，并在考虑重力的情况下对其进行结构静力分析。 图1 工字钢结构示意图 其他已知参数如下： 弹性模量（也称杨式模量） E= 206GPa ；泊松比3.0=u ； 材料密度3 /7800m kg =ρ；重力加速度2/8.9s m g =； 作用力F y 作用于梁的上表面沿长度方向中线处，为分布力，其大小F y =-5000N 。 二、实训步骤 (一) ANSYS10.0的启动与设置 1、启动。点击：开始>所有程序> ANSYS10.0> ANSYS ，即可进入ANSYS 图形用户主界面。 2、功能设置(过滤)。点击主菜单中的“Preference”菜单(Main Menu > Preferences)，弹出“参数设置”对话框，选中“Structural”复选框，点击“OK”按钮，关闭对话框，如图2所示。本步骤的目的是过滤不必要的菜单，仅使用该软件的结构分析功能，以简化主菜单中各级子菜单的结构。
图2 Preference参数设置对话框 3、系统单位设置。由于ANSYS软件系统默认的单位为英制，因此，在分析之前，应将其设置成国际公制单位。在命令输入栏中键入“/UNITS，SI”，然后回车即可(系统一般看不出反应，但可以在Output Window 中查看到结果，如图3所示)。（注：SI表示国际公制单位） 设置完成后按主菜单中前处理器(在ANSYS中称为PREP7)设定的先后顺序进行，具体如图4所示。
矿业软件与应用——Ansys考试试题 学院：资源与安全工程学院 指导老师：xxx
姓名：xxx 学号：xxxxxxxx 时间：2014年6月21日 ANSYS隧道结构受力实例分析某隧道工程为三心拱隧道，隧道位于地表以下10米处，洞直径10米，其具体尺寸见下图。根据工程地质勘探报告，岩土各参数为：密度为2700kg/m3，E=1.4×1010Pa，u=0.27，黏聚力c=2.72×106Pa，内摩擦角Φ=35°。地面上主要为交通荷载，根据估计每米有2.5吨的荷载直接作用于地基上。
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>ANSYS Product launcher”并点击； ⒉选中File Management，在Working Directory栏输入工作目录“C:\Users\dell \李懿鑫”，在“Job Name”栏输入文件名“020*******”。 ⒊单击“RUN”按钮，进入ANSYS的GUI操作界面。 ⒋过滤图形界面：Main Menu>Preferences,弹出Preferences for GUI Filtering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：Utility Menu>File>Change Title，在弹出的对话框中输入020*******，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:Main Menu > Preprocessor > Element Type > Add/Edit/Delete，弹出一个单元类型对话框，选中Type2 PLANE82，单击Option 按钮，弹出一个PLANE82element Type options对话框，如图1-4所示。在Element behavior K3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。