ANSYS隧道结构受力实例分析

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ANSYSProductlauncher”并点击；⒉选中FileManagement，在WorkingDirectory栏输入工作目录“C:\Users\dell\李懿鑫”，在“JobName”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：MainMenuPreferences,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，如图1-1。图1-1⒌定义工作标题：UtilityMenuFileChangeTitle，在弹出的对话框中输入0204110112，单OK按钮，如图1-2。图1-2⒍定义单元类型1）定义PLANE82单元：MainMenuPreprocessorElementTypeAdd/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Quad8node82单元。然后单击OK。图1-32）设定PLANE82单元选项:MainMenuPreprocessorElementTypeAdd/Edit/Delete，弹出一个单元类型对话框，选中Type2PLANE82，单击Option按钮，弹出一个PLANE82elementTypeoptions对话框，如图1-4所示。在ElementbehaviorK3栏后面的下拉菜单中选取Planestrain，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1-4①通过设置PLANE82单元选项K3为Plainstrain来设定本实例分析采取平面应变模型进行分析。因为巷道是纵向很长的实体，故计算模型可以简化为平面应变问题。②8借点PLANE82单元每个节点有UX和UY两个自由度，比4节点PLANE42单元具有更高的精确性，对不规则网格适应性更强。7.定义材料属性1）定义巷道围岩1材料属性：MainPreprocessorMaterialPropsMaterialModel，弹出DefineMaterialModelBehavior对话框，如图1-5所示。图1-5在图1-6中右边栏中连续单击StructuralLinearElasticIsotropic后,又弹出如图1-7-2所示LinearIsotropicPropertiesforMaterialNumber1对话框，在该对话框中EX后面输入1.4e10,在PRXY后面的输入栏中输入0.27，单击OK按钮。再在选中Density并单击，弹出如图1-7-2对话框，，在DENS后面的输入栏中输入巷道土体材料的密度2700，单击OK按钮。图1-6线弹性材料模型对话框图1-6材料面密度输入对话框图1-7中右边栏中连续单击StructuralNonlinearineslasticNon-metalPlasticity后。在Cohesion栏输入2.72e5，在FricAngle栏输入35。图1-7-a定义材料本构模型对话框图1-7-b定义材料本构模型对话框二、建立模型和划分网络1）创建隧道各个代表关键点：MainMenuPreprocessorModelingCreateKeypointsInActiveCS，弹出“CreatKeypointsinActiveCoordinateSystem”对话框，如图2-1所示。在对话框中以此输入关键点的号码，X,Y,Z的坐标值，然后点击APPLY，再输入下一个关键点的号码和坐标，直到所有的关键点全部输入后点击OK，关键点坐标依次为（0,5）、（-5,0）、（-5,-10）、（5,-10）、（5,0）（-50,15）、（-50,-60）、（50,-60）、（50,15）。图2-1在当前坐标系创建关键点对话框2）创建隧道模型：MainMenuPreprocessorModelingCreateLinesInActiveCoord，弹出如图2-2所示的对话框。依次连接关键点，如图2-3所示。MainMenuPreprocessorModelingCreateLinesArcsByEndKPs&Rad，弹出如图2-4所示的对话框。在对话框栏中输入关键点“2，5”，单击“Apply”。在对话框栏中输入关键点“1”，弹出“ArcByEndKPs&Rad”对话框。在“RADRadiusofthearc”栏后面输入弧线半径“5”，单击“Apply”按钮，这样就创建了弧线1。最后单击“OK”按钮，生成隧道模型，如图2-5所示。图2-2定义直线两端点对话框图2-3画直线图2-4定义弧线两端点对话框图2-5巷道模型首先通过mainmenupreprocessormodelingcreateareasarbitrarybylines由线生成2个面，然后通过mainmenupreprocessormodelingoperateBooleansdivideareasbyareas将2个面通过布尔运算的图2-6和图2-7图2-6、2-7隧道模型4）划分网格：MainMenuPreprocessorMeshingMeshTool，在弹出的MeshTool中可以定义要划分面的类型。划分网格时要设置网格划分份数：在工具栏中SizeControl栏，用鼠标单击lines后面的Set弹出一个选择对话框用鼠标选择L1、L3,弹出一个ElementSizesonPickedLines对话框，在Noofelementdivision栏后面输入40，单击Apply按钮，再选择L2和L4、L5和L7、L6、L8，分别输入35、10、5、10，单击OK。在网格划分工具栏中单击Mesh按钮，弹出一个拾取面积对话框，拾取大面积区域,单击OK按钮，生成隧道单元网格；然后将隧道结构模型重新生成，用相同的操作步骤再次划分网格，结果如图2-8所示。如图2-8模型网格三、施加约束和荷载对大矩形底边施加Y方向约束：MainMenuSolutionDefineLoadsApplyStructuralDisplacementOnline用鼠标选取底边，单击OK按钮。弹出ApplyU,ROTonNodes对话框，在DOFtobeconstrained栏后面选取UY，单击OK按钮，如图3-1所示：图3-1同理，对大矩形左右两边施加X方向约束。施加载荷：mainmenuSolutionDefineLoadsApplyStructuralPressureonline，拾取大矩形顶部中间的线段，弹出所图所示对话框，在PREVvalue中输入经计算好的荷载25000，如图3-2所示：图3-2单击OK按钮，荷载施加完成，如图3-3所示：图3-3MainMenuSolutionDefineLoadsApplyStructuralInertiaGravityGlobal，在弹出的对话框，如图3-4所示。在Y方向中输入9.8，完成重力的加载。如图3-4隧道顶部荷载和重力四、求解运算1）求解设置指定求解类型：MainMenuSolutionAnalysisTypeNewAnalysis，弹出一个如图4-1-a所示对话框，在Typeofanalysis栏后面选中Static，单击OK按钮。MainMenuSolutionAnalysisTypeSol’nControls,在basic中选择大变形分析类型，如图4-1-b所示，单击OK按钮图4-1-a如图4-1-b求解类型2）求解MainMenuSolutionSolveCurrentLS，弹出一个求解选项信息和一个当前求解载荷对话框，检查无误后，单击OK，开始是求解运算，直到出现一个Solutionisdone的提示栏，表示求解结束。如图4-2求解过程计算时ANSYS会显示计算收敛的曲线，如图4-3所示，计算完成后会弹出Solutionisdone!信息。如果计算不收敛，ANSYS会给出错误信息，以便用户查找原因并改正。图4-3求解结果五、对计算结果进行分析1）单元生死控制：通过在ANSYS主菜单Solution-LoadStepOpts-Other-Birth&Death-KillElments，点击隧道单元即可实现杀死命令。在下列操作步骤后都完成后，通过控制生死单元可以得到另一组类似的结构，并将显示在每个分析步骤中未杀死前结果的下面，在下面的操作分析步骤中就不再赘述。2）绘制结构变形图：MainMenuGeneralPostprocessorPlotResultsDeformedshape，弹出一个“PlotDeformedShape”的对话框，选中“Def+undefedge”并单击“OK”，就得到隧道结构变形图，如图5-1所示。图5-1结构变形图3）显示巷道位移云图：MainMenuGeneralPostprocPlotResultcontourPlotNodalSolu，弹出一个ContourNodalSolutionData对话框，用鼠标依次单击NodalSolution/DOFSolution/X-Compomentofdisplacement，再单击OK按钮，就得到X方向位移云图，重复操作，依次可获得Y方向和总位移云图，如下图所示。图5-2X方向位移云图图5-3Y方向位移云图图5-4总位移云图4）绘制结构应力图：MenuGeneralPostprocessorPlotResults-ContourPlot-NodelSolution，弹出一个ContourNodalSolutionData对话框，用鼠标依次单击NodalSolution/Stress/X-Compomentofstress，再单击OK按钮，就得到X方向位移云图，重复操作，依次可获得Y方向和XY面的应力云图，如下图所示。图5-5X方向应力云图图5-6Y方向应力云图图5-7XY面应力云图5）绘制结构塑性区：MenuGeneralPostprocessorPlotResults-ContourPlot-NodelSolution，弹出一个ContourNodalSolutionData对话框，用鼠标依次单击NodalSolution/Plasticstrain/Equivalentplasticstrain，再单击OK按钮，就得到结构塑性区，如图5-8所示。图5-8结构塑性区变形6）绘制地面变形：MenuGeneralPostprocessorPathOperationsDefinePathByNodes,创建地面路径，MenuGeneralPostprocessorPathOperationsMapeOntoPath和PlotPathItemOnGraph,显示地面变形结果。图2-9六、力学特性分析由应力分布云图可知，隧道顶板中点水平应力在周边附近一定范围内为拉应力，越往围岩内部，拉应力逐渐减弱，然