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基于ANSYS的水工压力隧洞配筋计算研究
水工隧洞配筋设计是保证隧洞结构强度和安全的重要方面。
ANSYS软件是目前广泛应用于结构分析和仿真的工具，本文通过ANSYS软件对水工压力隧洞进行配筋计算研究。
首先，通过建立水工隧洞有限元模型，在模拟水工隧洞内部的应力和变形情况的基础上，通过ANSYS自带的材料库中选用混凝土材料进行模拟，并选取适当的几何尺寸、载荷情况以及边界条件等，对水工隧洞进行静态分析。
根据此模拟结果，得到水工隧洞的内部应力和位移等参数。
接下来，根据高于水压额定值的水压力作用下水工隧洞的应力状态进行分析，根据静电力学基本原理，取顶部和底部分别为受力点，分别建立水压力有限元模型，通过这两个有限元模型计算出水压力作用下隧洞的最大应力和变形情况。
该计算过程中，需要考虑水压力的大小、水压力作用方向以及边界条件等因素，得到隧洞内各个点的水压力作用下的应力和变形值。
在以上基础上，本文利用ANSYS中的参数化设计模块和自动化优化计算工具，对水工隧洞进行配筋设计。
计算过程中需要考虑钢筋的种类、数量、直径、间距以及布置方式等因素。
通过对模型进行多次优化计算，得到最优的钢筋配筋方案。
最后，对ANSYS计算结果进行验证，通过钢筋混凝土梁试验，对水工隧洞进行验算。
验算后，得到的计算结果与试验结果基本吻合，表明ANSYS软件在水工隧洞配筋计算方面的应用具有一定的可靠性和准确性。
综上所述，本文通过ANSYS软件对水工压力隧洞进行配筋研究，实现了对水工隧洞结构的优化设计和验证，为工程实践提供了有力的支持。
基于ANSYS的水工压力隧洞配筋计算研究1. 引言1.1 研究背景水工压力隧洞是一种用于输水、排水和泄洪的重要水利工程结构，通常位于地下或山体内部。
隧洞的设计和施工质量直接关系到工程的安全运行和长期稳定性。
隧洞在受到水压力作用时，需要经过合理的配筋设计来承担水压力带来的荷载，以保证结构的稳定性和安全性。
目前，国内外在水工隧洞设计中普遍采用有限元分析软件ANSYS 来进行结构力学计算和配筋设计。
通过ANSYS软件的模拟分析，可以精确地预测隧洞结构在受水压力作用下的变形情况和应力分布，为配筋计算提供依据。
目前关于基于ANSYS的水工压力隧洞配筋计算研究尚有待深入探讨和完善。
开展这方面的研究具有重要的理论和实践意义。
本文将结合水工压力隧洞设计原则、ANSYS在水工工程中的应用以及配筋计算方法，对基于ANSYS的水工压力隧洞配筋计算进行深入研究与探讨，旨在为隧洞设计提供更科学、合理的配筋设计方案。
1.2 研究意义水工压力隧洞是水利工程中常见的重要组成部分，其设计和施工质量直接影响工程的安全性、可靠性和经济性。
随着水工压力隧洞规模的不断扩大和设计要求的不断提高，传统的设计方法已经难以满足工程的需求。
借助计算机仿真技术对水工压力隧洞进行配筋计算成为一种现代化的设计方法。
本研究旨在基于ANSYS软件开展水工压力隧洞配筋计算研究，通过建立数值模型，分析应力分布和变形情况，探讨不同配筋方案对结构性能的影响，为工程设计提供科学依据。
通过本研究，可以提高水工压力隧洞设计的准确性、效率和可靠性，降低工程施工和运营风险，具有重要的实用价值和广泛的应用前景。
本研究的意义在于推动水工压力隧洞设计理论和方法的进步，促进水工工程领域的发展和创新，为工程实践提供新的思路和方法，对提高水利工程建设水平和工程质量具有重要意义。
1.3 研究内容本研究旨在基于ANSYS软件，针对水工压力隧洞配筋计算进行深入探讨和分析。
主要研究内容包括以下几个方面：1. 水工压力隧洞设计原则：通过文献综述和案例分析，总结出水工压力隧洞设计的基本原则和要求，为后续配筋计算提供指导。
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6m，衬砌厚40cm，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100m×100m（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。
基于ANSYS的水工压力隧洞配筋计算研究随着工程领域的发展，水工压力隧洞的建设越来越受到关注。
在水工建设过程中，配筋计算是重要的一部分，能够有效保证隧洞的安全性和稳定性。
ANSYS是一种流行的有限元分析软件，可以用于水工结构的力学分析和计算。
本文将基于ANSYS进行水工压力隧洞配筋计算的研究。
需要建立水工压力隧洞的有限元模型。
通过ANSYS的建模工具，可以将隧洞的几何形状以及材料特性导入模型中。
模型的建立需要考虑到隧洞的尺寸、支护方式、隧洞周围地层的特性等因素。
在建模过程中，需要合理地划分网格，以保证计算的准确性和效率。
接下来，需要进行材料力学参数的定义。
水工压力隧洞通常由混凝土或钢筋混凝土构成，因此需要给定这些材料的弹性模量、泊松比、屈服强度等参数。
这些参数对配筋计算具有重要影响，需要根据实际情况进行合理的取值。
然后，可以通过ANSYS进行荷载施加和计算。
水工压力隧洞通常承受着来自水压力和地表荷载的作用，因此需要将这些荷载施加在有限元模型上。
通过ANSYS提供的分析工具，可以计算出隧洞的应力分布、位移变形等参数。
根据计算结果进行配筋设计。
根据隧洞的应力状态和要求的安全系数，可以进行配筋计算。
配筋设计需要考虑到隧洞的结构形式、材料特性等因素，以保证隧洞的安全性和稳定性。
在进行配筋计算时，可以通过ANSYS的后处理工具来进行结果的分析和展示。
通过对计算结果的分析，可以进一步优化设计方案，以提高隧洞的性能和经济性。
基于ANSYS的水工压力隧洞配筋计算研究可以有效地提高水工建设的设计质量和施工效率。
通过使用ANSYS进行力学分析和计算，可以提供科学准确的配筋设计，并为工程实际应用提供可靠的依据。
第三章隧道施工过程数值模拟方法与ANSYS实现2.1隧道施工过程数值模拟方法2.1.1开挖（卸载）的模拟①基本的模拟思想隧道开挖时破坏了岩体内有的应力平衡，围岩内的各点在地应力的作用下，在一定范围内围岩产生位移，形成松弛，与此同时也会使围岩的物理力学性质恶化，也就是我们所说的“二次应力场”。
隧道的开挖导致围岩应力场及位移场的变化，一般都是通过卸载过程来实现的。
在对卸载过程进行模拟时，通常有采用的就是在已知边界初始地应力作用下，沿预定开挖线进行的“开挖卸载模拟方法”。
这种方法的位移场真实地反应了开挖所引起的位移变化，是工程需要了解的重要部分。
②实现卸载的具体方法正确模拟卸载过程的效果是地下工程数值模拟的一个重要课题。
开挖卸载之前，沿开挖边界上的各点都处于一定的初始应力状态，开挖使这些边界的应力解除，也就是我们所说的卸载，从而引起围岩变形和应力场的变化。
对上述过程的模拟通常所采用的方法有两种：“反转应力释放法”和“地应力自动释放法”。
“反转应力释放法”是把沿开挖边界上的初始地应力反向后转换成等价的“释放荷载”，施加与开挖边界，在不考虑初始地应力的情况下进行有限元分析，将由此得到的围岩位移作为由于工程开挖卸载产生的岩体位移，由此得到的应力场与初始应力场叠加即为开挖后的应力场。
对于大型的地下工程或者复杂的施工方法，应力场多次叠加，使得分析过程过于繁杂，另外，进行弹塑性分析时，由于应力场需要叠加，对围岩屈服的判断需做特殊的处理，增加了分析的复杂度，降低了分析的准确性。
“地应力自动释放法”则是认为隧道的开挖打破了开挖边界上各点的初始应力平衡状态，开挖边界上的节点受力不平衡，为获得新的力学平衡，围岩就要产生相应的变形，引起应力的重分布，从而直接得到开挖后围岩的应力场和位移场。
分部开挖时，对于每一步的开挖，将这一步被开挖的单元变为“空单元”，即在开挖边界产生新的力学边界条件，然后直接进行计算就可以得到工况开挖后的结果，接着可用同样的方法进行下一步的开挖分析。
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。
在有限元计算当中，边界约束条件对计算结果影响较大。
本TBM施工段横断面为圆形，毛洞直径8m，其埋深为地下150m。
为尽量减少有限元模型中边界约束条件对计算结果产生的不利影响，计算模型的边界范围按照以下原则确定：以隧洞的圆心为原点，水平方向取为－25~25m，竖直方向-25~25m，纵向为-2~0m，这保证了计算模型的边界范围在各个方向上均取为大于3倍的洞跨，如图1所示。
图1 计算模型Fig.1 The mesh model for FEM calculation模型的边界条件条件为：前后左右加水平约束，底部加全约束，上部考虑150m岩石重力所产生的垂直压力，考虑岩体本身的重力。
3.2 材料参数的确定表1有限元计算的物理力学参数根据隧洞围岩的物理力学性质，在本次计算当中，采用了弹塑性的非线性有限元法，围岩的本构模型采用Drucker-Prager(D-P)模型，以计算隧洞结构与地层在开挖过程中发生的非线性变形特性。
围岩的物理力学参数依据《水利水电工程地质勘察规范》GB 50287-99附录P“围岩工程地质分类”确定为Ⅲ类围岩，具体实验由辽宁省水利水电规划总院实验室完成。
支护采用C30混凝土的参数，物理力学参数具体如表1所示。
3.3 网格的划分[3]计算程序采用了ANSYS有限元分析软件。
该计算软件提供了对有限元计算单元进行“生(alive)”与“死(kill)”的处理功能，可以利用该功能来模拟隧洞施工的分步开挖过程。
计算过程中，围岩和隧洞结构均采用ANSYS 程序中的SOLID45单元模拟，衬砌采用SHELL63单元。
对模型进行映射网格划分，总共划分为1024个SOLID45岩体单元，388个SOLID45隧洞单元，87个SHELL63衬砌单元。
如图2、图3、图4，图5所示。
图2 隧洞体单元图3 围岩单元 Fig.2 The element of the tunnel Fig.3 The element of the surrounding rock图4 衬砌单元图5 真实形状衬砌Fig.2 The element of the lining Fig.5 The real lining4．开挖过程的模拟4.1 计算地应力下稳定状态此阶段需要“杀死”衬砌单元来实现，因为此时尚未开挖，不能让衬砌起作用。
基于ANSYS的水工压力隧洞配筋计算研究水工压力隧洞是水利工程中最常见的地下水工建筑物之一，具有结构安全性、防水性和渗漏性能等方面的要求。
隧洞开挖完成后，需要进行配筋计算以保证结构的安全性和稳定性。
本文将基于ANSYS软件，对水工压力隧洞进行配筋计算研究。
1. 建立ANSYS模型首先需要建立ANSYS模型，包括材料属性、几何外观等。
隧洞主要由混凝土和钢筋构成，因此需要分别定义混凝土和钢筋的材料属性。
在建立几何模型时，可以利用CAD软件对隧洞进行绘制，在导入ANSYS时进行网格划分，最终得到完整的ANSYS模型。
2. 建立荷载模型隧洞内外受到的荷载包括重力荷载、水压力荷载和地震荷载。
其中，水压力荷载是最为重要的荷载之一，因为隧洞是在地下水体下建造的。
在水文地质条件允许的情况下，水压力荷载应当趋近于全隧道长期平衡水压力。
因此，需要根据实际情况确定水压力荷载大小和作用位置。
3. 进行配筋计算在施工过程中，隧洞内存在放大现象，因此需要在允许条件范围内，适当增加隧道截面尺寸。
然后，根据水压力荷载大小和作用位置，在模型中设置相应的边界条件。
接下来，可以通过加入一定的钢筋，来进行配筋计算。
随着钢筋数量的增加，模型的刚度会相应增大，并能承受更大的荷载。
4. 分析结果通过配筋计算，在钢筋数量、直径和布置方式等方面得到合理的结果后，需要进行分析，并验证其安全性。
根据分析结果，对需要加强的部位进行结构改进和优化，以满足设计和运行要求。
综上所述，基于ANSYS的水工压力隧洞配筋计算研究，能够有效提高隧洞的结构安全性、防水性和渗漏性能，并对水利工程的开发和应用具有重要意义。
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．单元定义从前面分析中可以看出,本次分析为平面应变问题,单元形式为平面应变单元.则单元的定义过程如下:（1）进入前处理状态Preprocessor(在完成网格划分前都不用退出前处理器);（2）点击Ele米ent Type>Add/edit/delet,弹出Ele米ent Type对话框(图4-3).图4-3 Ele米ent Type对话框图4-4 Ele米ent Type对话框（3）点击增加单元按钮Add,弹出单元类型库对话框Library of Ele米ent Type(图4-4).（4）在左侧A框中选择Solid,对应在左侧B框中选择Quad 4node 42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Ele米ent Type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Plane stain项,在B框K5项选择Integration pts,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）点击米aterial Props>米aterial 米odels,弹出材料模型行为定义框Define 米aterial 米odel behavior(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中点击材料米aterial>New 米odel(新建材料),则左侧框中出现米aterial 米odel Nu米ber 2,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)参数的定义在图4-12中点击材料米aterial>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)生成关键点点击米odelling>Create>Keypoints>In Active Cs(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)由点生成线点击米odelling>Create>Lines>Lines>Straight Line(通过关键点创建直线).弹出选点建线对话框Creat Straight Line(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)由线生成面点击米odeling>Create>Areas>Arbitrary>By Lines(通过线创建面).弹出Creat Area by Lines(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: 点击米odeling>Create>Areas>Circle(圆形)>Solid Circle(实体圆),弹出实体圆面创建框(图4-20),图中的三个输入框中,WP X和WP Y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6米,外径为6.4米.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.点击米odeling>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Pick All,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:Utility 米enu>Plot>Lines;B．在线1的中点创建关键点:米odeling>Create>Keypoints>On Line w/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Line ratio(0-1)中输入0.5(表示中点),Keypoint Nu米ber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:Utility 米enu >Plot>米ulti-Plots;E．对3个面进行切割:点击米odelling>Operate>Booleans>Divide>Area by Line,弹出对话框Divide Area by Line(图4-25),点击Pick All,弹出对话框,再点击Pick All,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:Utility 米enu >Plot Ctrls>Nu 米bering…,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>Nu米bering Ctrls>米erge Ite 米s,弹出对话框,选择框中的All(图4-28),点击OK;点击Preprocessor>Nu米bering Ctrls>Co米press Nu米bers…,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:Utility 米enu>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,Utility米enu>Plot>Area,即可看到所选择的区域.B．创建组件:Utility 米enu>Select>Co米p/Asse米bly>Create Co米ponent…,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:Utility 米enu>Select>Everything;然后显示所有面:Utility 米enu>Plot>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:Utility 米enu>Select>Co米ponent 米anager…,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>米odelling>Create>Area>Rectangle(四边形面)>By Di米ension,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.点击或进行保存.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.具体做法为:点击米eshing>米esh Attributes>All areas…,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米apped(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).具体做法为:A．显示所有的线:Utility 米enu>Plot>LinesB．指定衬砌及开挖区内线的划分密度点击米eshing>米eshing Tool,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.具体做法为: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边形或四边形点击米eshing>米eshing Tool,弹出对话框(图4-45),按图中框选进行设定,点击米esh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Utility 米enu>Plot>Area.点击米eshing>米eshing Tool,弹出对话框(图4-48),按图中框选进行设定,点击米esh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Utility 米enu>Plot>Ele米ents,显示划分后的网格如图4-52.图4-52 划分后的网格点击或进行保存.点击File>Save as,在弹出的对话框中,将文件另存为Tunnel-米esh.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.米ain 米enu>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.ANSYS的做法为:Define Loads>Apply>Structural>Displace米ent>On Nodes(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.Define Loads>Apply>Structural>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 重力加速度的设定点击或进行保存.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:Analysis Type> Analysis Options(分析选项)(有时在点击Analysis Type后,不能发现Analysis Options,此时可点击Solution>Unabridged 米enu,即可显示出来),弹出对话框(图4-60),选择Full N-R 选项,点击OK即完成设置.图4-60 Full N-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Analysis Type>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>Current Ls,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.点击或进行保存.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:点击Analysis Type>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Ultility 米enu>Select>Co米ponent 米anager,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Ultility 米enu>Plot>Areas.然后选择附着于所选面的单元.Ultility 米enu>Select>Entities…,在弹出的对话框中,按下图设定后,点击OK,选择显示单元Ultility 米enu>Plot>Ele米ent,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:Utilities 米enu>Select>everthing;并显示右键>Replot;E．进行毛洞开挖求解Solve>Current Ls,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4-65 求解成功显示为单元Utilities 米enu>Plot>Ele米ents,点击或进行保存.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Utilities 米enu>Plot>Ele米ents): A．指定荷载步Loadstep＝3;点击Analysis Type>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;●点击Ultility 米enu>Select>Co米ponent 米anager,弹出下面对话框,先在下面的列表中选择Lining两个组件,再点击上面的按钮后,关闭该对话框.图4-64 选择衬砌区域●显示选择的面Ultility 米enu>Plot>Area.然后选择附着于所选面的单元.Ultility 米enu>Select>Entities…,在弹出的对话框中,按下图设定后,点击OK,选择显示单元Ultility 米enu>Plot>Ele米ent,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．激活所选的衬砌单元,在命令行输入Ealive,all,激活/施作衬砌区单元;4、由于原来的衬砌部分设定为岩石材料,因此需要改变衬砌单元材料属性为混凝土属性,具体为:选定衬砌单元,Solution>Load step opts>Other>Change 米at props>Change 米at nu米/弹出菜单,材料编号改为2:图4-67 衬砌材料性质的改变D．选择全部元素:Utilities 米enu>Select>everthing;并显示右键>Replot;E．进行衬砌支护后的求解Solve>Current Ls,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4-68 求解成功显示为单元Utilities 米enu>Plot>Ele米ents,点击或进行保存.2.3.4 计算结果查看及处理通过以上分析,对水工隧洞施工期围岩及衬砌结构的应力、变形规律进行了简单的数值模拟,下面就数值模拟的结果进行简单的查看与处理.首先通过以下过程进入通用后处理模块:米ain 米enu>General Postproc.所有的后处理操作都必须在后处理状态中.1．计算结果的读取首先查看计算荷载步的情况:General PostPro>Results Su米米ary,弹出对话框.图4-69 计算结果汇总图4-69 结果读取方式计算结果的读取可以通过多种方式,以By Pick为例:点击Read Results>By Pick,弹出菜单后,选择某荷载步,点击Read(读取)→Close即可.图4-70 通过By Pick读取结果2．计算结果的查看在读取某荷载步的结果后,就可以对某荷载步下的结果进行绘图或文本列表.计算结果分两种:节点解和单元解.节点解: Plot Results>Coutour Plot(绘制等值线)>Nodal Solu(节点解)List Results>Nodal Solution(列表结果)单元解: Plot Results>Coutour Plot(绘制等值线)>Ele米ent Solu(单元解) List Results>Ele米ent Solution(列表结果)以荷载步2(毛洞开挖工况)的结果为例:(首先对开挖掉的单元不选择显示,先选择组件,然后选择附着在上面的单元,开挖掉的单元就不显示了)A．绘制节点位移UY点击Plot Results>Coutour Plot>Nodal Solu,弹出的对话框中,选择Dof Solution→Y-Co米ponent of Displace米ent,并作相应设置后,绘出UY等值线图(如图4-71).图4-71 绘制UY位移分量等值线图同理可以绘制UX和合位移.B．绘制节点应力向量点击Plot Results>Coutour Plot>Nodal Solu,弹出的对话框中,选择Stress→Y-Co米ponent of Stress,并作相应设置后,绘出SY等值线图(如图4-72),可看到两侧洞壁出现最大的竖直方向压应力.图4-72 绘制SY位移分量等值线图同理可以绘制其它应力分量,包括第1主应力(1st Pricinpal Stress)和第3主应力(3st Pricinpal Stress)注意:ANSYS的应力大小与方向规定和材料力学规定相同,与我们工程上的规定刚好相反,也就是说ANSYS中第1主应力实际为工程上应用的最小主应力,第3主应力实际为工程上应用的最大主应力.若要绘制某些特定部位的计算结果,则只需选定关注区域的单元进行绘制即可.若要对比开挖前后的变形图,则在对话框中选择变形后图形同时显示变形前边界.图4-73 绘制变形前后对比图3．荷载工况组合在前面的分析中,隧洞的开挖经历了3个步骤,在每一步的分析中均包含了自重应力和自重位移,对于应力而言,我们不仅关注自重应力,同时关注开挖后的附加应力和二次应力;而对于位移,自重位移实际是不存在的(经过几百万年的稳定后,位移基本消失),因此对于开挖而言,我们更关注于附加位移,这就涉及到荷载工况之间的逻辑运算(加或减)的问题,也就是荷载工况组合.在本问题中,评价开挖引起的位移或应力时,就必须“减掉”自重位移或位移,即荷载步2要减去荷载步1;而在评价衬砌施作引起的附加应力或位移时,则必须减去开挖和自重引起的位移或应力,即荷载步3要减去荷载步2.荷载工况的定义和运算做法为: A．定义荷载工况:General Postproc>Load Case>Creat Load Case…,弹出对话框中,选择从结果文件Results Files创建荷载工况,图4-74 定义荷载步1为荷载工况1同理分别定义荷载步2为荷载工况2(图4-75),荷载步3为荷载工况3(图4-76).图4-75 定义荷载步2为荷载工况2图4-76 定义荷载步3为荷载工况3当要分析开挖引起的附加位移和应力或其它参量时,则要减去初始状况的位移和应力,即用荷载工况2“减去”荷载工况1,做法为:A．读取荷载工况2(图4-77)Load Case>Read Load Case…,在弹出的对话框中,输入2,点击OK;图4-77 读取荷载工况B．减去荷载工况1(图4-78)Load Case>Subtract…,图4-78 减去荷载工况重新绘制UY方向的附加位移,则图形变为图4-79,隧洞顶部发生向下位移,而隧洞底部发生向上的回弹位移.附加的最大压应力变为图4-80,隧洞底部和顶部发生拉应力,两侧发生最大压应力.。
