Ansys的热载荷及热单元类型 Ansys的6种热载荷 ANSYS共提供了6种载荷，可以施加在实体模型或单元模型上，包括：温度、热流率、对流、热流密度、生热率和热辐射率。 1. 温度 作为第一类边界条件，温度可以施加在有限元模型的节点上，也可以施加在实体模型的关键点、线段及面上。 2. 热流率 热流率（Heal Flow)—种节点集中载荷，只能施加在节点或关键点上，主要用于线单元模型。提示：如果温度与热流率同时施加在某一节点上，則ANSYS读取温度值进行计算。 3.对流 对流（Convection)是一种面载荷，用于计算流体与实体的热交换。它可以施加在有限元模型的节点及单元上，也可以施加在实体模型的线段和面上。 4.热流密度 热流密度，又称热通量（Heat Flux)，单位为W/m2。热流密度是一种面载荷，表示通过单位面积的热流率。当通过单位面积的热流率己知时，可在模型相应的外表面施加热流密度。若输入值为正，则表示热流流入单元：反之，则表示热流流出单元。它可以施加在有限元模型的节点及单元上，也可以施加在实体模型的线段和面上。 提示：热流密度与对流可以施加在同一外表面，但ANSYS将读取最后施加的面载荷进行计算。 5. 生热率 如前所述，生热率既可看成是材料的一种基本属性，又可作为载荷施加在单元上，它可以施加在有限元模型的节点及单元上，也可以施加在实体模型的关键点、线段、面及体上。 6. 热辐射率 热辐射率也是一种面载荷，通常施加于实体的外表面。它可以施加在有限元模型的节点及单元上，也可以施加在实体模型的线段和面上。
Ansys的热单元类型 ANSYS 10.0热分析共提供了 40余种单元，其中包括辐射单元、对流单元、特殊单元以及前面所介绍的耦合场中-元等。其中常见的用于热分析的单元有16种： 下面一次对各单元进行介绍●MASS71 维度：1D、2D、3D 节点数：1 自由度：温度 性质：质量单元 几何形状 ●LINK31 维度：2D、3D 节点数：2 自由度：温度 性质：热辐射单元 几何形状
初学ANSYS的人，通常会被ANSYS所提供的众多纷繁复杂的单元类型弄花了眼，如何选择正确的单元类型，也是新手学习时很头疼的问题。 单元类型的选择，跟你要解决的问题本身密切相关。在选择单元类型前，首先你要对问题本身有非常明确的认识，然后，对于每一种单元类型，每个节点有多少个自由度，它包含哪些特性，能够在哪些条件下使用，在ANSYS的帮助文档中都有非常详细的描述，要结合自己的问题，对照帮助文档里面的单元描述来选择恰当的单元类型。 1.该选杆单元（Link）还是梁单元(Beam)？ 这个比较容易理解。杆单元只能承受沿着杆件方向的拉力或者压力，杆单元不能承受弯矩，这是杆单元的基本特点。梁单元则既可以承受拉，压，还可以承受弯矩。如果你的结构中要承受弯矩，肯定不能选杆单元。对于梁单元，常用的有beam3,beam4,beam188这三种，他们的区别在于： 1)beam3是2D的梁单元，只能解决2维的问题。 2)beam4是3D的梁单元，可以解决3维的空间梁问题。 3)beam188是3D梁单元，可以根据需要自定义梁的截面形状。 2.对于薄壁结构，是选实体单元还是壳单元？ 对于薄壁结构，最好是选用shell单元，shell单元可以减少计算量，如果你非要用实体单元，也是可以的，但是这样计算量就大大增加了。而且，如果选实体单元，薄壁结构承受弯矩的时候，如果在厚度方向的单元层数太少，有时候计算结果误差比较大，反而不如shell单元计算准确。 实际工程中常用的shell单元有shell63,shell93。shell63是四节点的shell 单元(可以退化为三角形)，shell93是带中间节点的四边形shell单元(可以退化为三角形),shell93单元由于带有中间节点，计算精度比shell63更高，但是由于节点数目比shell63多，计算量会增大。对于一般的问题，选用shell63 就足够了。除了shell63,shell93之外，还有很多其他的shell单元，譬如shell91,shell131，shell163等等，这些单元有的是用于多层铺层材料的，有的是用于结构显示动力学分析的，一般新手很少涉及到。通常情况下，shell63单元就够用了。 3.实体单元的选择。 实体单元类型也比较多，实体单元也是实际工程中使用最多的单元类型。常用的实体单元类型有solid45, solid92,solid185,solid187这几种。其中把 solid45,solid185可以归为第一类，他们都是六面体单元，都可以退化为四面体和棱柱体，单元的主要功能基本相同,(SOLID185还可以用于不可压缩超弹性材料)。Solid92, solid187可以归为第二类，他们都是带中间节点的四面体单元，单元的主要功能基本相同。 实际选用单元类型的时候，到底是选择第一类还是选择第二类呢？也就是到底是选用六面体还是带中间节点的四面体呢？如果所分析的结构比较简单，可以很方便的全部划分为六面体单元，或者绝大部分是六面体，只含有少量四面体和棱柱体，此时，应该选用第一类单元，也就是选用六面体单元；如果所分析的结构比较复杂，难以划分出六面体，应该选用第二类单元，也就是带中间节点的四面体单元。
ANSYS软件中常用的单元类型 一、单元 （1）link(杆)系列： link1(2D)和link8(3D)用来模拟珩架，注意一根杆划一个单元。 link10用来模拟拉索，注意要加初应变，一根索可多分单元。 link180是link10的加强版，一般用来模拟拉索。 （2）beam(梁)系列： beam3(2D)和beam4(3D)是经典欧拉梁单元，用来模拟框架中的梁柱，画弯据图用etab 读入smisc数据然后用plls命令。注意：虽然一根梁只划一个单元在单元两端也能得到正确的弯矩图，但是要得到和结构力学书上的弯据图差不多的结果还需多分几段。该单元需要手工在实常数中输入Iyy和Izz，注意方向。 beam44适合模拟薄壁的钢结构构件或者变截面的构件，可用"/eshape,1"显示单元形状。 beam188和beam189号称超级梁单元，基于铁木辛科梁理论，有诸多优点：考虑剪切变形的影响，截面可设置多种材料，可用"/eshape,1"显示形状，截面惯性矩不用自己计算而只需输入截面特征，可以考虑扭转效应，可以变截面（8.0以后），可以方便地把两个单元连接处变成铰接（8.0以后，用ENDRELEASE命令）。缺点是：8.0版本之前beam188用的是一次形函数，其精度远低于beam4等单元，一根梁必须多分几个单元。8.0之后可设置“KEYOPT(3)=2”变成二次形函数，解决了这个问题。可见188单元已经很完善，建议使用。beam189与beam188的区别是有3个结点，8.0版之前比beam188精度高，但因此建模较麻烦，8.0版之后已无优势。 (3)shell(板壳)系列 shell41一般用来模拟膜。 shell63可针对一般的板壳，注意仅限弹性分析。它的塑性版本是shell43。加强版是shell181（注意18*系列单元都是ansys后开发的单元，考虑了以前单元的优点和缺陷，因而更完善），优点是：能实现shell41、shell63、shell43...的所有功能并比它们做的更好，偏置中点很方便（比如模拟梁板结构时常要把板中面望上偏置），可以分层，等等。 (4)solid(体)系列 土木中常用的就solid45、solid46、solid65、solid95等。 solid45就不用多说了，solid95是它的带中结点版本。
ANSYS中单元类型介绍和单元的选择原则 ANSYS中单元类型的选择 初学ANSYS的人，通常会被ANSYS所提供的众多纷繁复杂的单元类型弄花了眼，如何选择正确的单元类型，也是新手学习时很头疼的问题。 类型的选择，跟你要解决的问题本身密切相关。在选择单元类型前，首先你要对问题本身有非常明确的认识，然后，对于每一种单元类型，每个节点有多少个自由度，它包含哪些特性，能够在哪些条件下使用，在ANSYS的帮助文档中都有非常详细的描述，要结合自己的问题，对照帮助文档里面的单元描述来选择恰当的单元类型。 1.该选杆单元（Link）还是梁单元(Beam)？ 这个比较容易理解。杆单元只能承受沿着杆件方向的拉力或者压力，杆单元不能承受弯矩，这是杆单元的基本特点。 梁单元则既可以承受拉，压，还可以承受弯矩。如果你的结构中要承受弯矩，肯定不能选杆单元。 对于梁单元，常用的有beam3,beam4,beam188这三种，他们的区别在于： 1)、beam3是2D的梁单元，只能解决2维的问题。 2)、beam4是3D的梁单元，可以解决3维的空间梁问题。 3)、beam188是3D梁单元，可以根据需要自定义梁的截面形状。（常规是6个自由度，比如是用于桁架等框架结构，如鸟巢，飞机场的架构） 2.对于薄壁结构，是选实体单元还是壳单元？ 对于薄壁结构，最好是选用shell单元，shell单元可以减少计算量，如果你非要用实体单元，也是可以的，但是这样计算量就大大增加了。而且，如果选实体单元，薄壁结构承受弯矩的时候，如果在厚度方向的单元层数太少，有时候计算结果误差比较大，反而不如shell单元计算准确。 实际工程中常用的shell单元有shell63,shell93。shell63是四节点的shell单元(可以退化为三角形)，shell93是带中间节点的四边形shell单元(可以退化为三角形),shell93单元由于带有中间节点，计算精度比shell63更高，
. 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
ANSYS中单元类型介绍和单元的选择原则ANSYS中单元类型的选择 初学ANSYS的人，通常会被ANSYS所提供的众多纷繁复杂的单元类型弄花了眼，如何选择正确的单元类型，也是新手学习时很头疼的问题。 类型的选择，跟你要解决的问题本身密切相关。在选择单元类型前，首先你要对问题本身有非常明确的认识，然后，对于每一种单元类型，每个节点有多少个自由度，它包含哪些特性，能够在哪些条件下使用，在ANSYS的帮助文档中都有非常详细的描述，要结合自己的问题，对照帮助文档里面的单元描述来选择恰当的单元类型。 1.该选杆单元（Link）还是梁单元(Beam)？ 这个比较容易理解。杆单元只能承受沿着杆件方向的拉力或者压力，杆单元不能承受弯矩，这是杆单元的基本特点。 梁单元则既可以承受拉，压，还可以承受弯矩。如果你的结构中要承受弯矩，肯定不能选杆单元。 对于梁单元，常用的有beam3,beam4,beam188这三种，他们的区别在于： 1)、beam3是2D的梁单元，只能解决2维的问题。 2)、beam4是3D的梁单元，可以解决3维的空间梁问题。 3)、beam188是3D梁单元，可以根据需要自定义梁的截面形状。（常规是6个自由度，比如是用于桁架等框架结构，如鸟巢，飞机场的架构） 2.对于薄壁结构，是选实体单元还是壳单元？ 对于薄壁结构，最好是选用shell单元，shell单元可以减少计算量，如果你非要用实体单元，也是可以的，但是这样计算量就大大增加了。而且，如果选实体单元，薄壁结构承受弯矩的时候，如果在厚度方向的单元层数太少，有时候计算结果误差比较大，反而不如shell单元计算准确。 实际工程中常用的shell单元有shell63,shell93。shell63是四节点的shell单元(可以退化为三角形)，shell93是带中间节点的四边形shell单元(可以退化为三角形),shell93单元由于带有中间节点，计算精度比shell63更高，但是由于节点数目比shell63多，计算量会增大。对于一般的问题，选用shell63就足够了。
a n s y s单元类型
在结构分析中，“结构”一般指结构分析的力学模型。 按几何特征和单元种类，结构可分为杆系结构、板 壳结构和实体结构。 杆系结构：其杆件特征是一个方向的尺度远大于其它两个方向的尺度，例如长度远大于截面高度和宽度的 梁。单元类型有杆、梁和管单元（一般称为线单元）板壳结构：是一个方向的尺度远小于其它两个方向尺度的结构，如平板结构和壳结构。单元为壳单元 实体结构：则是指三个方向的尺度约为同量级的结构，例如挡土墙、堤坝、基础等。单元为3D实体单元和2D 实体单元 杆系结构： ①当构件15>L/h≥4时，采用考虑剪切变形的梁单元。 ②当构件L/h≥15时, 采用不考虑剪切变形的梁单元。 ③BEAM18X系列可不必考虑的上限，但在使用时必须 达到一定程度的网格密度。 对于薄壁杆件结构，由于剪切变形影响很大，所以必 须考虑剪切变形的影响。 板壳结构： 当L/h<5～8时为厚板，应采用实体单元。 当5～8<L/h<80～100时为薄板，选2D体元或壳元 当L/h>80～100时,采用薄膜单元。 对于壳类结构，一般R/h≥20为薄壳结构，可选择薄 壳单元，否则选择中厚壳单元。 对于既非梁亦非板壳结构，可选择3D实体单元。 杆单元适用于模拟桁架、缆索、链杆、弹簧等构件。该类单元只承受杆轴向的拉压，不承受弯矩，节点只有 平动自由度。不同的单元具有弹性、塑性、蠕变、膨胀、 大转动、大挠度（也称大变形）、大应变（也称有限应变）、应力刚化（也称几何刚度、初始应力刚度等）等 功能 ⑴杆单元均为均质直杆，面积和长度不能为零（LINK11 无面积参数）。仅承受杆端荷载，温度沿杆元长线性变 化。杆元中的应力相同，可考虑初应变。 ⑵LINK10属非线性单元，需迭代求解。LINK11可作用线 荷载；仅有集中质量方式。 ⑶LINK180无实常数型初应变，但可输入初应力文件， 可考虑附加质量；大变形分析时，横截面面积可以是变 化的，即可为轴向伸长的函数或刚性的。 ⑷通常用LINK1和LINK8模拟桁架结构，如屋架、网架、 网壳、桁架桥、桅杆、塔架等结构，以及吊桥的吊杆、 拱桥的系杆等构件，必须注意线性静力分析时，结构
第七章梁分析和横截面形状 7.1 梁分析概况 梁单元用于生成三维结构的一维理想化数学模型。与实体单元和壳单元相比，梁单元求解效率更高。 本章的内容只适用于 BEAM44(三维变截面单元)和另两种有限元应变单元 BEAM188 和 BEAM189 (三维梁单元)。这些梁单元与ANSYS 的其他梁单元相比，提供了更健壮的非线性分析能力，显著地改进了截面数据定义功能和可视化特性。参阅《ANSYS Elements Reference》中关于 BEAM44、BEAM188 和 BEAM189 单元的描述。 注意--如要对 BEAM44 单元采用本章论述的横截面定义功能，必须清楚不能应用这些功能来定义斜削的截面。此外，本章所述的后处理可视化功能不能应用于 BEAM44 单元。 注意--用户定义横截面功能可能不能应用CDWRITE命令。 7.2 何为横截面 横截面定义为垂直于梁轴的截面的形状。ANSYS提供有11种常用的梁横截面库，并支持用户自定义截面形状。当定义了一个横截面时，ANSYS 建立一个9节点的数值模型来确定梁的截面特性(Iyy，Izz 等)，并求解泊松方程得到扭转特征。 图7-1是一个标准的Z型横截面，示出了截面的质心和剪切中心，以及计算得到的横截面特性。 图7-1 Z型横截面图
横截面和用户自定义截面网格将存储在横截面库文件中。如果用BEAM44、BEAM188、BEAM189 单元来模拟线实体，可用LATT命令将梁横截面属性赋予线实体。 7.3 如何生成横截面 用下列步骤生成横截面： 1、定义截面并与代表相应截面形状的截面号(Dection ID)关联。 2、定义截面的几何特性数值。 ANSYS 提供了表7-1 所列出的命令，可以完成横截面生成、查看、列表和操作横截面库的功能。 表7-1 ANSYS 横截面命令 命令GUI菜单路径目的 PRSSOL MainMenu>GeneralPostproc>ListRes ults> SectionSolutionUtilityMenu> List>Results>SectionSolution 打印梁截面结果 (BEAM44不支持) SECTYP E MainMenu>Preprocessor>Sections>- Beam-CommonSectnsMainMenu> Preprocessor>Sections>-Beam-Cust omSectns>ReadSectMesh 用SEID关联截面子类 型 SECDAT A MainMenu>Preprocessor>Sections>- Beam-CommonSectns 定义截面几何数据 SECOFF SET MainMenu>Preprocessor>Sections>- Beam-CommonSectnsMainMenu> Preprocessor>Sections>-Beam-Cust omSectns>ReadSectMesh 定义梁截面的截面偏 离 SECCON TROLS MainMenu>Preprocessor>Sections>- Beam-Add/Edit 覆盖程序计算的属性 值 SECNUM MainMenu>Preprocessor>-Attribute s-Define>DefaultAttribsMainMenu> Preprocessor>-Modeling-Create>El ements>ElemAttributes 识别关联到一个单元 的SECID
ANSYS 中的超单元 摘自htbbzzg的博客，网易从 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) 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“ 命令：ANTYPE GUI ：Main menu -> Solution -> Analysis Type -> New Analysis 选择 Substructuring/CMS (子结构或部件模态综合) C 设置子结构选项 命令：SEOPT
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。
Ansys单元类型设置 一、单元类型选择概述: ANSYS的单元库提供了100多种单元类型，单元类型选择的工作就是将单元的选择范围缩小到少数几个单元上； 单元类型选择方法： 1.设定物理场过滤菜单，将单元全集缩小到该物理场涉及的单元； 二、单元类型选择方法（续一） 2.根据模型的几何形状选定单元的大类，如线性结构则只能用“Plane、Shell”这种单元去模拟； 3.根据模型结构的空间维数细化单元的类别，如确定为“Beam”单元大类之后，在对话框的右栏中，有2D和3D的单元分类，则根据结构的维数继续缩小单元类型选择的范围； 三、单元类型选择方法（续二） 4.确定单元的大类之后，又是也可以根据单元的阶次来细分单元的小类，如确定为“Solid-Quad”，此时有四种单元类型：Quad 4node 42 Quad 4node 183 Quad 8node 82 Quad 8node 183 前两组即为低阶单元，后两组为高阶单元； 四、单元类型选择方法（续三） 5.根据单元的形状细分单元的小类，如对三维实体，此时则可以根据单元形状是“六面体”还是“四面体”，确定单元类型为“Brick”还是“Tet”； 五、单元类型选择方法（续四） 6.根据分析问题的性质选择单元类型，如确定为2D的Beam单元后，此时有三种单元类型可供选择，如下：2D elastic 3 2Dplastic 23 2D tapered 54，根据分析问题是弹性还是塑性确定为“Beam3”或“Beam4”，若是变截面的非对称的问题则用“Beam54”。 六、单元类型选择方法（续五） 7.进行完前面的选择工作，单元类型就基本上已经定位在2-3种单元类型上了，接下来打开这几种单元的帮助手册，进行以下工作： 仔细阅读其单元描述，检查是否与分析问题的背景吻合、
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
一般来说，按“杆梁壳体”单元顺序，只要后一种单元的自由度完全包含前一种单元的自由度，则只要有公共节点即可，不需要约束方程，否则需要耦合自由度与约事方程。例如： （1）杆与梁、壳、体单元有公共节点即可，不需要约束方程。 （2）梁与壳有公共节点怒可，也不需要约束写约束方程；壳梁自由度数目相同，自由度也相同，尽管壳的rotz是虚的自由度，也不妨碍二者之间的关系，这有点类同于梁与杆的关系。 （3）梁与体则要在相同位置建立不同的节点，然后在节点处耦合自由度与施加约束方程。 （4）壳与体则也要相同位置建立不同的节点，然后在节点处耦合自由度与施加约束方程。 上面所述的不同单元之间的接连方法主要是用耦合自由度和约束方程来实现的，有一定的局限性，只适用于小位移，下面介绍一种支持大位移算法的方法，MPC法。 MPC即Multipoint Constraint,多点约束方程，其原理与前面所说的方程的技术几乎一致，将不连续、自由度不协调的单元网格连接起来，不需要连接边界上的节点完全一一对应。 MPC能够连接的模型一般有以下几种。 solid 模型-solid 模型 shell模型-shell模型 solid 模型-shell 模型 solid 模型-beam 模型 shell 模型-beam模型 在 ANSYS中，实现上述MPC技术有三种途径。 （1）通过MPC184单元定义模型的刚性或者二力杆连接关系。定义MPC184单元模型与定义杆的操作完全一致，而MPC单元的作用可以是刚性杆（三个自由度的连接关系）或者刚性梁（六个自由度的连接关系）。 （2）利用约束方程菜单路径Main Menu>preprocessor>Coupling/Ceqn>shell/solid Interface创建壳与实体模型之间的装配关系。 （3）利用ANSYS接触向导功能定义模型之间的装配关系。选择菜单路径Main
Beam188/189单元基于Timoshenko梁理论（一阶剪切变形理论：横向剪切应变在横截面上是常数，也就是说，变形后的横截面保持平面不发生扭曲）而开发的，并考虑了剪切变形的影响，适合于分析从细长到中等粗细的梁结构。该单元提供了无约束和有约束的横截面的翘曲选项。 Beam188是一种3D线性、二次或三次的2节点梁单元。Beam189是一种3D二次3节点梁单元。每个节点有六个或者七个自由度，包括x、y、z 方向的平动自由度和绕x、y、z 轴的转动自由度，还有一个可选择的翘曲自由度。该单元非常适合线性、大角度转动或大应变非线性问题。 beam188的应力刚化选项在任何大挠度分析中都是缺省打开的，从而可以分析弯曲、横向及扭转稳定问题(进行特征值屈曲分析或（采用弧长法或非线性稳定法）破坏研究)。 Beam188/beam189单元支持弹性、塑性，蠕变及其他非线性材料模型。这种单元还可以采用多种材料组成的截面。该单元还支持横向剪力和横向剪应变的弹性关系，但不能使用高阶理论证明剪应力的分布变化。下图是单元几何示意图：该单元的几何形状、节点位置、坐标体系和压力方向如图所示，beam188 由整体坐标系的节点i 和j 定义。 对于Beam188梁单元，当采用默认的KEYOPT(3)=0，则采用线性的形函数，沿着长度用了一个积分点，因此，单元求解量沿长度保持不变；当KEYOPT(3)=2，该单元就生成一个内插节点，并采用二次形函数,沿长度用了两个积分点，单元求解量沿长度线性变化；当KEYOPT(3)=3，该单元就生成两个内节点，并采用三次形函数,沿长度用了三个积分点，单元求解量沿长度二次变化； 当在下面情况下需要考虑高阶单元内插时，推荐二次和三次选项： 1）变截面的单元； 2）单元内存在非均布荷载（包含梯形荷载）时，三次形函数选项比二次选项提供更好的结果。（对于局部的分布荷载和非节点集中荷载情况，只有三次选项有效）； 3）单元可能承受高度不均匀变形时。（比如土木工程结构中的个别框架构件用单个单元模拟时） Beam188单元的二次和三次选项有两个限制： 1）虽然单元采用高阶内插，但是beam188的初始几何按直线处理； 2）因为内节点是不可影响的，所以在这些节点上不允许有边界（或荷载或初始）条件。
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
ansys单元类型种类统计 单元名称种类单元号 LINK (共12种) 1,8,10,11,31,32,33,34,68,160,167,180 PLANE (共20种)2,13,25,35,42,53,55,67,75,77,78,82,83,121,145,146,162,182,183,223 BEAM (共09种)3,4,23,24,44,54,161,188,189 SOLID (共30 种)5,45,46,62,64,65,69,70,87,90,92,95,96,97,98,117,122,123,127,128,147,148,164,168, 185,186,187,191,226,227 COMBIN (共05种)7,14,37,39,40 INFIN (共04种)9,47,110,111 CONTAC (共05种)12,26,48,49,52 PIPE (共06种)16,17,18,20,59,60 MASS (共03种)21,71,166 MATRIX (共02种)27,50 SHELL (共19种)28,41,43,51,57,61,63,91,93,99,131,132,143,150,157,163,181,208,209 FLUID (共14种)29,30,38,79,80,81,116,129,130,136,138,139,141,142 SOURC (共01种)36 HYPER (共06种)56,58,74,84,86,158 VISCO (共05种)88,89,106,107,108 CIRCU (共03种)94,124,125 TRANS (共02种)109,126 INTER (共05种)115,192,193,194,195 HF (共03种)118,119,120 ROM (共01种)144 SURF (共04种)151,152,153,154 COMBI (共01种)165 TARGE (共02种)169,170 CONTA (共06种)171,172,173,174,175,178 PRETS (共01种)179 MPC (共01种)184 MESH (共01种)20
当一个结构构件的一个方向尺寸远远大于另外两个方向的尺寸时，3D构件就可以理想化为1D构件以提高计算效率。这样的单元有两类：以承受轴向拉压作用为主的杆单元，和承受弯曲作用为主的梁单元。 ANSYS提供的单元类型中共有9种梁单元，分别为BEAM3, BEAM4, BEAM23, BEAM24, BEAM44, BEAM54, BEAM161, BEAM188, BEAM189。在结构分析中常用的是BEAM4和BEAM188或BEAM189这三中梁单元。 BEAM4单元 1.BEAM4单元是一种具有拉压弯扭能力的3D弹性单元。每节点6个自由度。 2.BEAM4单元的定义包括：几何位置的确定，单元坐标系的确定，截面特性 的输入。 BEAM4单元包含两个节点(i，j)或三个节点(i，j，k)，k为单元的方向节点；单元的截面特性用实常数(REAL)给出，主要包括截面(area)，两个 方向的截面惯性矩(IZZ)和(IYY)，两个方向的厚度(TKY和TKZ)，相对单元坐标系x轴的方向角(THETA)，扭转惯性矩(IXX)。其中惯性矩，厚度，方向角都是在单元坐标系下给出的。 3.BEAM4单元坐标系的方向确定如下：单元坐标系X轴由节点i，j连线方 向确定由i指向 j；对于两节点确定的BEAM4单元，若方向角theta=0，则单元坐标系y轴默认平行于整体坐标系的x-y平面；若单元坐标系x 轴与整体坐标系z轴平行，则单元坐标系y轴默认平行整体坐标系的y 轴，z轴由右手法则判定；若用户希望自己来控制单元绕单元坐标系x轴的转动角，则可以通过方向角theta或第三个节点k来实现，i，j，k 确定一个平面，单元坐标系的Z轴就在该平面内。 可以用下列命令查看单元坐标系及截面： /ESHAPE, 1 /PSYMB, ESYS 说明：在指定网格划分属性时，可将某一关键点作为方向点属性赋予所需划分的线，这样就生成包含3个节点的梁单元。(具体见后面) 4.单元压力荷载(pressure)的施加比较特殊。只能用SFBEAM命令来实现， 通过其他方式施加荷载都是无效的，其中LKEY为荷载方向号。 5.beam4单元应力输出：包括轴向正应力，弯曲应力，两者的合应力。 命令：PRESOL，ELEM GUI：LIST RESULT〉ELEM SOLUT〉LINEELEM RESULT
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