!III级围岩，二维，全断面开挖/cle
/filname,ch-three-2D,1
!几何参数
!计算外围区域
*set,x1,-60
*set,x2,60
*set,y1,-30
*set,y2,50
*set,l1,3.5 !锚杆长度
*set,r1,0.0125 !锚杆半径
*set,th1,0.15 !初次衬砌厚度*set,th2,0.05 !中导洞喷层厚!材料参数
!中隔墙
*set,ec25,29.5e9
*set,uc25,0.2
*set,dens25,2500
!喷射混凝土
*set,ec20,21e9
*set,uc20,0.2
*set,dens20,2200
!锚杆
*set,el,170e9
*set,ul,0.3
*set,densl,7800
!围岩
*set,er,6e9
*set,ur,0.28
*set,densr,2500
*set,cr,0.8e6
*set,fir,40
/prep7
!定义单元类型
et,1,plane42
keyopt,1,3,2 !平面应变问题et,2,beam3
keyopt,2,6,1 !打开输出内力选项et,3,link1
!定义实常数
r,1,th1,th1/12,th1
r,2,th2,th2/12,th2
r,3,3.1415926*r1**2
!几何建模
!建中隔墙
k,1,-3,-1.69
k,2,-3,-0.89
k,3,-3,-0.37
k,4,-1.33552,-0.37 k,5,-0.95134,1.57593 k,6,-1.25121,3.53662 k,7,1.25121,3.53662 k,8,0.95134,1.57593 k,9,1.33552,-0.37 k,10,3,-0.37
k,11,3,-0.89
k,12,3,-1.69
l,1,2
l,2,3
l,3,4
larc,4,6,5
larc,6,7,5,3
larc,7,9,8
l,9,10
l,10,11
l,11,12
l,12,1
!左侧围岩及锚杆圈
k,13,-3,0.81
k,14,-2.52524,2.42963 k,15,-1.483023,4.11778 k,16,-1.77650,4.67036 k,17,-2.058364,5.09399 k,18,-2.37658,5.49104 k,19,-2.734606,5.864085 k,20,-3.12567,6.20235 k,21,-5.88951,7.72342 k,22,-9,8.25
k,23,-12.11049,7.72342 k,24,-14.8743,6.20235 k,25,-16.57763,3.97894 k,26,-17.02812,1.21456 k,27,-16.9,-0.89
k,28,-20.4,-0.89
k,29,-20.51567,0.91966 k,30,-19.7906,5.36705 k,31,-17.05,8.944
k,32,-13.26253,11.02838
k,33,-9,11.75
k,34,-4.146154,10.80594 k,35,0,8.11142
k,36,1.143324,6.85081 !导洞左侧圈
l,3,13
larc,13,6,14
!左侧开挖圈
larc,6,16,15
larc,16,18,17
larc,18,20,19
larc,20,22,21
larc,22,24,23
larc,24,26,25
l,26,27
!锚杆圈
l,28,29
larc,29,31,30
larc,31,33,32
larc,33,35,34
l,35,36
!内圈线合并
lcomb,15,16
lcomb,15,17
lcomb,15,18
lcomb,15,19
!外圈线合并
lcomb,20,21
lcomb,20,22
lcomb,20,23
numcmp,all
ldiv,14,,,2
ldiv,15,,,36
ldiv,16,,,36
ldiv,17,,,2
kdele,19,22,1
kdele,25,27,1
numcmp,all
kdele,17
numcmp,all
!锚杆线（40根，含建3维时可用的另外20根锚杆）l,16,21
l,22,93
l,17,20
*do,i,23,57,1
l,i,115-i
*enddo
l,18,19
l,18,2
numcmp,all
!内层细化区域
k,100,-16.9,-1.69 k,101,-20.4,-1.69 k,102,-24.9,-1.69 k,103,-24.9,-0.89 k,104,-24.9,16.25625 k,105,,16.25625
k,106,x1,-1.69
k,107,x1,16.25625 k,108,-24.9,y2
k,109,-24.9,y1
l,1,100
l,100,101
l,101,102
l,102,103
l,103,104
l,104,105
l,19,103
l,70,104
l,18,100
l,19,101
l,102,109
l,102,106
l,104,107
l,104,108
!左侧线镜像至右并建立各面alls
lsymm,x,11,143,1
rectng,x1,x2,y1,y2
asbl,1,all
nummrg,all,,,low numcmp,all
lcomb,287,288
lcomb,289,290
lcomb,294,295
lcomb,296,297
lcomb,130,292
numcmp,all
alls
!定义材料属性
!岩体
*do,i,1,6,1
mp,ex,i,er
mp,prxy,i,ur mp,dens,i,densr tb,dp,i
tbdata,1,cr,fir
*enddo
!中导洞及隧道初支*do,i,7,10,1
mp,ex,i,ec20
mp,prxy,i,uc20 mp,dens,i,dens20 *enddo
!锚杆左右侧
*do,i,11,12,1 mp,ex,i,el
mp,prxy,i,ul
mp,dens,i,densl
*enddo
mp,ex,13,ec25 mp,prxy,13,uc25 mp,dens,13,dens25 !中导洞初支
!左侧
type,2
mat,7
real,2
lsel,s,line,,1,2,1 lsel,a,line,,11,12,1 lesize,1,,,1 lesize,2,,,1 lesize,11,,,2 lesize,12,,,6 lmesh,all
!右侧
mat,8
real,2
lsel,s,line,,8,9,1 lsel,a,line,,259,260,1 lsel,a,line,,5
lesize,8,,,1 lesize,260,,,2 lesize,259,,,6 lesize,5,,,4 lmesh,all
!左侧隧道初支mat,9
real,1
lsel,s,line,,13,15,1 lsel,a,line,,18,52,1 lsel,a,line,,288 lesize,13,,,3 lesize,all,,,1 lmesh,all
!右侧隧道初支mat,10
real,1
lsel,s,line,,139,140,1 lsel,a,line,,142,176,1 lsel,a,line,,286 lsel,a,line,,292
lesize,all,,,1 lmesh,all
!左隧道锚杆type,3
mat,11
real,3
lsel,s,line,,89,123,2 lsel,a,line,,263,269,3 lsel,a,line,,271,279,8 lsel,a,line,,210 lsel,a,line,,266 lesize,263,,,3 lesize,269,,,3 lesize,271,,,1 lesize,279,,,1 lesize,210,,,1 lesize,266,,,1 lesize,all,,,5,2 lmesh,all
!右隧道锚杆type,3
mat,12
real,3
lsel,s,line,,212,246,2 lsel,a,line,,277,280,3 lsel,a,line,,265 lsel,a,line,,270 lsel,a,line,,87
lsel,a,line,,17 lesize,277,,,3 lesize,280,,,3 lesize,265,,,1 lesize,270,,,1 lesize,87,,,1 lesize,17,,,1 lesize,all,,,5,2 lmesh,all
!中墙
type,1
mat,1
lsel,s,line,,1,10,1 lesize,3,,,2 lesize,4,,,8
lesize,6,,,8 lesize,7,,,2 lesize,10,,,8 amesh,97
!左中导洞mat,2 amesh,2
!右中导洞mat,3 amesh,3
!左隧道内岩体mat,4
lsel,s,line,,124 lesize,124,,,20 amesh,101
!右隧道内岩体mat,5
lsel,s,line,,261 lesize,261,,,20 amesh,102
!导洞上方围岩mat,6
lsel,a,line,,281
lsel,a,line,,268,278,10
lsel,a,line,,272
lesize,264,,,3
lesize,278,,,3
lesize,all,,,1
!左侧锚杆加固圈
lsel,s,line,,88,122,2 !还有264,267,281为扩展到3维的锚杆lesize,all,,,5,2
lsel,s,line,,53,86,1
lsel,a,line,,16
lsel,a,line,,287
lesize,all,,,1
!右侧锚杆加固圈
lsel,s,line,,211,245,2 !还有278,87,17为扩展到3维的锚杆lesize,all,,,5,2
lsel,s,line,,177,209,1
lsel,a,line,,291,294,3
lsel,a,line,,141
lesize,all,,,1
!小外围上部
lsel,a,line,,188,209,1 lsel,a,line,,294 lccat,all
lsel,a,line,,130,132,1 lsel,a,line,,252 lesize,130,,,46 lesize,132,,,8,2 lesize,252,,,8,2 amesh,103
!小外围左
lsel,s,line,,53,63,1 lsel,a,line,,287 lsel,a,line,,16 lccat,all
lsel,s,line,,129 lsel,a,line,,131 lesize,129,,,13 lesize,131,,,8,2 amesh,99
!小外围右
lsel,s,line,,291
lsel,a,line,,177,187,1 lsel,a,line,,141 lccat,all
lsel,a,line,,250 lesize,250,,,13 lsel,a,line,,251 lesize,251,,,8,2 amesh,100
!小外围下
lsel,s,line,,128 lesize,128,,,1
lsel,s,line,,127 lesize,127,,,8,2 lsel,s,line,,133,134,1 lesize,all,,,1
lsel,s,line,,126 lesize,126,,,5,2 lsel,s,line,,125 lesize,125,,,20 lsel,s,line,,262 lesize,262,,,20 lsel,s,line,,253,254,1
lesize,all,,,1
lsel,s,line,,247 lesize,247,,,5,2
lsel,s,line,,249 lesize,249,,,1
lsel,s,line,,248 lesize,248,,,8,2 amesh,42,43 amesh,1,4,3 amesh,82,83
!大外围网格划分lsel,s,line,,274,276,2 lsel,a,line,,136,137,1 lsel,a,line,,256,257,1 lsel,a,line,,282,285,3 lesize,all,,,18,2.5 lsel,s,line,,273,283,10 lsel,a,line,,135,255,120 lesize,all,,,15,2.5 lsel,s,line,,275,284,9 lsel,a,line,,138,258,120 lesize,all,,,18,2.5
lsel,s,line,,290,295,5 lesize,290,,,46 lesize,295,,,74 lsel,s,line,,289,293 lesize,all,,,14
lsel,s,line,,128,129 lccat,all
lsel,s,line,,249,250 lccat,all
lsel,s,line,,125,127,1 lsel,a,line,,10
lsel,a,line,,262 lsel,a,line,,247,248,1 lccat,all
amesh,all
alls
lsel,s,lccat
ldele,all numcmp,all
allsel
save,data
!施加约束
alls
nsel,s,loc,x,x1 nsel,a,loc,x,x2 d,all,ux
nsel,s,loc,y,y1
d,all,uy
alls
acel,,10
fini
/solu
antype,static pred,on
lnsrch,on nlgeom,on nropt,full outress,all,all deltim,0.1,0.05,0.2 !荷载步1
time,1
esel,s,type,,2,3,1 ekill,all
esel,all
. 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
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
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
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）
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
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。
/TITLE，Mechanical analysis on sectional metro tunnel based on mine method ! 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 fini /cle *set,x1,-12 !以下为面2的几何参数，该面为矩形，最左下角顶点 !坐标为x1和y1，矩形的宽度为w1、高为h1。 *set,y1,-12 !所有长度单位为m *set,w1,28.9 *set,h1,30.15 *set,x2,-25 !面3的几何参数 *set,y2,-12 *set,w2,13 *set,h2,30.15 *set,x3,16.9 !面4的几何参数 *set,y3,-12 *set,w3,13 *set,h3,30.15 *set,x4,-25 !面5的几何参数 *set,y4,-30 *set,w4,54.9 *set,h4,18 *set,th,0.4 !支护结构的厚度 *set,length_z,50 !隧道纵向的长度，这里为了简化计算，只是说明应用情况，!取纵向长度为50m，每天开挖5米，10天施工完成。 /prep7 et,1,mesh200,2 !3-D线单元2节点 et,2,mesh200,6 !3-D面单元4节点 et,3,SHELL63 !用于模拟支护结构的壳单元 et,4,SOLID45 !用于模拟围岩的三维实体单元 r,1,th !壳单元的厚度，单位 mp,ex,1,3.0e10 !支护结构材料属性，弹性模型，单位Pa mp,prxy,1,0.2 mp,dens,1,2700 mp,ex,2,2.5e8 !围岩材料属性 mp,prxy,2,0.32 !泊松比，无单位 mp,dens,2,2200 mp,ex,3,2.5e8 !开挖部分土体的材料属性与围岩材料一样 mp,prxy,3,0.32 mp,dens,3,2200 !材料密度，单位kg/m3 save !保存数据库
由于水平有限，不足之处，敬请谅解！ ANSYS学习的一些心得--隧道开挖的有限元分析 推荐的基本参考用书 1.《ANSYS7.0基础教程与实例详解》或《ANSYS9.0经典产品基础教程与实例详 解》，都是“中国水利水电出版社”的 如果要系统地学，最好从基础学起，后面我会具体介绍一下我学习中的一些小小的经验和体会。 2.李权.ANSYS在土木工程中的应用.人民邮电出版社，2005 这本书讲的都是实例，基本囊括土木工程中的所有项目，针对每一个实例的操作步骤写的也比较详细。初学者可以照着练习，但对打基础帮助不大。关于隧道的那一节，书上的例题考虑材料属性时将岩土简单的设成线性的，而实际工程往往要用非线性来考虑，这就需要再输入材料属性的时候注意了，将岩土材料考虑成弹塑性时，一般材料用Drucker-prager(D-P)屈服条件来输入，具体是在Mainmenu>preprocessor>Material props> MaterialModels,在弹出的对话框中双击structure>Nonliner>Inelastic>Non-metalPlasticity >Drucker-prager，在弹出的对话框中输入粘聚力（cohesion）和内摩擦角(fric angle)，如直接输这两个参数，ansys会提示先输入弹性模量以及泊松比，照常输入弹模和泊松比后即可输入C和φ。 3.ANSYS土木工程应用实例，中国水利水电出版社 这本书有很多命令流的介绍，还有一些分析方法的介绍，对后期学命令流操作还是很有用的。要学习ANSYS的命令流，有这本书帮助会很大。 4.《ANSYS9.0经典产品高级分析技术与实例详解》中国水利水电出版社。 这本书介绍了参数化（APDL）有限元分析技术，优化设计，单元生死技术等，是在学习的提高阶段不错的一本书，在做隧道的开挖模拟时，单元生死技术是很关键的，该书的第四篇对单元生死技术有比较详细的讲解，另外还有个基坑开挖的实例，跟隧道的开挖其实也是同出一辙。 推荐的一个比较好的论坛：https://www.doczj.com/doc/f4446327.html, ANSYS自带的help里可以找到所有的命令方式，所以遇到不懂的命令可以到里面查！
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，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“020４１101１2”。 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> 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:Ｍａin Meｎu > Ｐrepｒocｅｓｓｏｒ > Ｅlｅmeｎt Type > Add/Ｅdit/Delete,弹出一个单元类型对话框，选中Type２ P ＬＡNＥ８2，单击Oｐtｉon按钮,弹出一个PＬANE82elemｅｎt Tｙｐe optio ｎs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。 图1-４
隧道断面的ANSYS分析 摘要：本文通过对ANSYS软件的学习和研究，针对实际工程范例，即某隧道断面的结构分析，对截面进行建模，分析其在特殊条件下的位移和应力分布情况。 关键词：ANSYS；建模；分析 ANSYS analysis of the cross-section of the tunnel Abstract:In this paper, through the study and research of the ANSYS software, examples of practical engineering, structural analysis of a tunnel section of the cross-sectional modeling, analysis of displacement and stress distribution under special conditions. Key words: ANSYS;Modeling; Analysis 设计范例概况 某地铁工程为分安全考虑，需对断面进行特殊情况下断面位移和应力分布的情况，其内受均布水压力q，外受土壤均布压力p，隧道模型简化为外环为30，内环为20的圆环（如图1） 图1 四．ANSYS建模 无限长的隧道可以简化成一个受均布载荷的平面应力问题；由于隧道的圆环面高度对称，只需分析1/4圆环即可，受轴对称约束的作用，隧道的内外表面受均布载荷，每次载荷分别三角形单元和四边形单元进行分析比较。 进入ANSYS，设置计算类型为Structural
然后选择单元类型,Preprocessor,Element Type,Add/Edit/Delete中选择Solid Quad 4 node 42 图3
本章首先概述了水利工程ANSYS 应用，其次介绍了ANSYS 重力坝抗震性能分析步骤，最后用实例详细介绍了ANSYS 抗震性能分析过程。 内容 提要 第5章 ANSYS 水利工程应用实例分析 本章重点 水利工程 ANSYS 重力坝抗震性能分析步骤 ANSYS 重力坝抗震性能用实例分析 本章典型效果图
5.1 水利工程概述 虽然我国水利资源非常丰富，但河流在地区和时间分配上很不均衡，许多地区在枯水季节容易出现干早，而在洪水季节又往往由于水量过多而形成洪涝灾害。为了解决这一矛盾，人们修建了许多水利工程来达到防洪、灌溉、发电、供水、航运等目的，促进国民经济建设的发展。 水利工程中各种建筑物按其在水利枢纽中所起的作用，可以分为以下几类: (1)挡水建筑物用以拦截河流，形成水库，如各种坝和水闸以及抵御洪水所用的堤防等。 (2)泄水建筑物用以宣泄水库〔或渠道)在洪水期间或其它情况下的多余水量，以保证坝(或渠道)的安全，如各种溢流坝、溢流道、泄洪隧道和泄洪涵管等。 (3)输水建筑物为灌溉、发电或供水，从水库(或河道)向库外(或下游)输水用的建筑物，如引水隧道、引水涵管、渠道和渡槽等。 (4)取水建筑物是输水建筑物的首部建筑，如为灌溉、发电、供水而建的进水闸、扬水站等。 (5)整治建筑物用以调整水流与河床、河岸的相互作用以及防护水库、湖泊中的波浪和水流对岸坡的冲刷，如丁坝、顺坝、导流堤、护底和护岸等。 由于破坏后果的灾难性，大型水利工程建设的首要目标是安全可靠，其次才是经济合理。所以说研究大坝等水工建筑物的安全分析、评价和监控，是工程技术人员需要解决的课题，正确分析大坝性态已经成为当务之急。 当前对各种水利工程评价主要采用有限元分析方法，借助各种有限元软件对这些水利工程建筑物进行安全评价，其中应用比较广泛的是ANSYS软件。目前，ANSYS软件在水利工程中主要应用以下几个方面： (1)应用各种坝体工程的设计和施工 利用ANSYS软件，模拟各种坝体施工过程以及坝体在使用阶段受到各种载荷（如水位变化对坝体的压力、地震荷载等）下结构的安全性能进行评价，模拟坝体的温度场和应力场，借助模拟结果修改设计或对坝体采取加固措施。 (2)应用于各种引水隧道、引水涵管等设计和施工 利用ANSYS软件，模拟这些工程开挖、支护、浇注、回填过程，分析结构在载荷作用下的变形情况、结构的安全可靠度，以及衬砌支护结构在水压、温度发生变化后产生的变形情况和结构内力，依靠ANSYS模拟结果对结构安全性进行评价。 (3)应用于各种水库闸门的设计和施工 水库闸门在上游水作用下将发生弯曲、扭转、剪切和拉压等组合变形，利用ANSYS中的SHELL63单元来模拟闸门，利用大型结构有限元分析程序ANSYS，对闸门结构进行三维有限元分析，根据分析结果进行强度校核。
隧道工程课程设计 一、工程概况 某地区一暗挖双线马蹄形隧道，埋深h=125m，围岩等级为v级，地层平均容重16.0 kN/m3。宽度B=13.08m，隧道采用复合式衬砌形式，衬砌厚度为0.42m，配筋采用Ф22@200mm，钢材采用HRB335，钢筋保护层厚度50mm。 二、计算 1、衬砌结构的计算模型 隧道工程建筑物是埋置于地层中的结构物，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，共同工作。这种共同作用正是地下结构与地面结构的主要区别。根据本工程浅埋及松散地层的特点，使用阶段结构安全性检算采用“荷载—结构”模式，即将支护和围岩分开考虑，支护结构是承载主体，围岩作为荷载的来源和支护结构的弹性支承。支护结构与围岩的相互作用是通过弹性支承对支护结构施加约束来实现的。 计算模型中，二衬结构采用弹性平面梁单元模拟，弹性抗力以及隧底地基均采用弹簧单元模拟。组合荷载根据不同作用方向分别转换成等效节点力施加在相应的单元结点上。具
体计算模型见图1。 2、荷载计算 围岩压力计算参照课本中有关我国铁路隧道推荐的方法进行确定（双线隧道）或参照《铁路隧道设计规范》，深浅埋分别计算。 按破坏阶段设计计算垂直压力公式： q=r x h q = 0.45 x 2^(s-1) x r x w 式中：h q——等效荷载高度值 S——围岩级别 r——围岩的容重 w——宽度影响系数，其值为w=1+i（B-5） 计算得，q=0.45x2^(5-1)x16000x1.805=2.082816e6N/m 水平均布松动压力系数取0.3，则e=0.3q=0.0634e6N/m 3、ANSYS操作命令流 !荷载——结构方法计算(马蹄形断面） finish !退出当前处理程序 /clear !清除以前数据,重新开始一个新的分析 /COM,Structural !定义分析类型,结构分析(热分析、流体分析等) /prep7 !进入前处理器 *AFUN,deg !定义角度单位为度（缺省为弧度，RAD） ! 定义建模及材料参数的一些变量值 *set,Py,2.082816e5 !定义垂直围岩压力大小（若有地表荷载加地表荷载值） *set,px1,0.0634e6
【ANSYS 算例】3.3.7(3) 三梁平面框架结构的有限元分析 针对【典型例题】3.3.7(1)的模型，即如图3-19所示的框架结构，其顶端受均布力作用，用有限元方法分析该结构的位移。结构中各个截面的参数都为：113.010Pa E =?， 746.510m I -=?，426.810m A -=?，相应的有限元分析模型见图3-20。在ANSYS 平台 上，完成相应的力学分析。 图3-19 框架结构受一均布力作用 （a ） 节点位移及单元编号 （b ） 等效在节点上的外力 图3-20 单元划分、节点位移及节点上的外载 解答 对该问题进行有限元分析的过程如下。 1．基于图形界面的交互式操作(step by step) (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): beam3→Run → OK (2) 设置计算类型 ANSYS Main Menu: Preferences… → Structural → OK (3) 选择单元类型 ANSYS Main Menu: Preprocessor →Element Type →Add/Edit/Delete… →Add… →beam ：2D elastic 3 →OK (返回到Element Types 窗口) →Close
(4) 定义材料参数 ANSYS Main Menu:Preprocessor →Material Props →Material Models→Structural →Linear →Elastic→Isotropic: EX:3e11 (弹性模量) →OK →鼠标点击该窗口右上角的“ ”来关闭该窗口 (5) 定义实常数以确定平面问题的厚度 ANSYS Main Menu: Preprocessor →Real Constant s… →Add/Edit/Delete →Add →Type 1 Beam3→OK→Real Constant Set No: 1 (第1号实常数), Cross-sectional area:6.8e-4 (梁的横截面积) →OK →Close (6) 生成几何模型 生成节点 ANSYS Main Menu: Preprocessor →Modeling →Creat→Nodes→In Active CS→Node number 1 →X:0,Y:0.96,Z:0 →Apply→Node number 2 →X:1.44,Y:0.96,Z:0 →Apply→Node number 3 →X:0,Y:0,Z:0→Apply→Node number 4 →X:1.44,Y:0,Z:0→OK 生成单元 ANSYS Main Menu: Preprocessor →Modeling →Create →Element →Auto Numbered →Thru Nodes →选择节点1，2(生成单元1)→apply →选择节点1，3(生成单元2)→apply →选择节点2，4(生成单元3)→OK (7)模型施加约束和外载 左边加X方向的受力 ANSYS Main Menu:Solution →Define Loads →Apply →Structural →Force/Moment →On Nodes →选择节点1→apply →Direction of force: FX →V ALUE：3000 →OK→ 上方施加Y方向的均布载荷 ANSYS Main Menu: Solution →Define Loads →Apply →Structural →Pressure →On Beams →选取单元1(节点1和节点2之间)→apply →V ALI：4167→V ALJ：4167→OK 左、右下角节点加约束 ANSYS Main Menu:Solution →Define Loads →Apply →Structural →Displacement →On Nodes →选取节点3和节点4 →Apply →Lab:ALL DOF →OK (8) 分析计算 ANSYS Main Menu:Solution →Solve →Current LS →OK →Should the Solve Command be Executed? Y→Close (Solution is done! ) →关闭文字窗口 (9) 结果显示 ANSYS Main Menu: General Postproc →Plot Results →Deformed Shape … →Def + Undeformed →OK (返回到Plot Results) (10) 退出系统 ANSYS Utility Menu: File→Exit …→Save Everything→OK (11) 计算结果的验证 与MA TLAB支反力计算结果一致。 2．完全的命令流 !%%%%%%%%%% [典型例题]3.3.7(3) %%% begin %%%%% / PREP7 !进入前处理 ET,1,beam3 !选择单元类型 R,1,6.5e-7,6.8e-4 !给出实常数(横截面积、惯性矩)