ANSYS隧道結(jié)構(gòu)受力實例分析

1、礦業(yè)軟件與應用Ansys考試試題學 院： 資源與安全工程學院 指導老師： xxx 姓 名： xxx 學 號： xxxxxxxx 時 間： 2014年6月21日 ANSYS隧道結(jié)構(gòu)受力實例分析某隧道工程為三心拱隧道，隧道位于地表以下10米處，洞直徑10米，其具體尺寸見下圖。根據(jù)工程地質(zhì)勘探報告，巖土各參數(shù)為：密度為2700kg/m3，E=1.4×1010Pa，u=0.27，黏聚力c=2.72×106Pa，內(nèi)摩擦角=35°。地面上主要為交通荷載，根據(jù)估計每米有2.5噸的荷載直接作用于地基上。 計算要求如下：（1） 交通載荷已經(jīng)存在。（2） 計算結(jié)果報告中包括約束條件、

2、荷載；位移、Y方向應力等值線圖，塑性區(qū)等結(jié)果。進行力學特性分析。（3） 提供建模、計算過程地GUI命令。操作過程一、創(chuàng)建物理環(huán)境 在“開始”菜單中選取“所有程序>ANSYS Product launcher”并點擊； 選中File Management，在Working Directory欄輸入工作目錄“C:Usersdell 李懿鑫”，在“Job Name”欄輸入文件名“0204110112”。 單擊“RUN”按鈕，進入ANSYS的GUI操作界面。 過濾圖形界面：Main Menu>Preferences,彈出Preferences for GUI Filtering對話框，選中

3、Structural來對后面的分析進行菜單及相應的圖形界面過濾，如圖1-1。 圖1-1 定義工作標題：Utility Menu>File>Change Title，在彈出的對話框中輸入0204110112，單OK按鈕，如圖1-2。 圖1-2 定義單元類型1）定義PLANE82單元：Main Menu>Preprocessor>Element Type>Add/Edit/Delete，彈出一個單元類型對話框，單擊Add按鈕。彈出如圖1-3所示對話框。在該對話框左邊滾動欄中選擇“Solid”，在右邊的滾動欄中選擇Quad 8node82單元。然后單擊OK。圖1-32）

4、設定PLANE82單元選項:Main Menu > Preprocessor > Element Type > Add/Edit/Delete，彈出一個單元類型對話框，選中Type2 PLANE82，單擊Option按鈕，彈出一個PLANE82element Type options對話框，如圖1-4所示。在Element behavior K3欄后面的下拉菜單中選取Plane strain，其他欄后面的下拉菜單采用ANSYS默認設置就可以，單擊OK按鈕。圖1-4通過設置PLANE82單元選項K3為Plain strain來設定本實例分析采取平面應變模型進行分析。因為巷道是縱

5、向很長的實體，故計算模型可以簡化為平面應變問題。8借點PLANE82單元每個節(jié)點有UX和UY兩個自由度，比4節(jié)點PLANE42單元具有更高的精確性，對不規(guī)則網(wǎng)格適應性更強。7.定義材料屬性1）定義巷道圍巖1材料屬性：Main > Preprocessor > Material Props >Material Model，彈出Define Material Model Behavior對話框，如圖1-5所示。 圖1-5 在圖1-6中右邊欄中連續(xù)單擊Structural>Linear>Elastic>Isotropic后,又彈出如圖1-7-2所示Linear I

6、sotropic Properties for Material Number 1對話框，在該對話框中EX后面輸入1.4e10,在PRXY后面的輸入欄中輸入0.27，單擊OK按鈕。再在選中Density并單擊，彈出如圖1-7-2對話框，在DENS后面的輸入欄中輸入巷道土體材料的密度2700，單擊OK按鈕。 圖1-6 線彈性材料模型對話框 圖1-6材料面密度輸入對話框圖1-7中右邊欄中連續(xù)單擊Structural>Nonlinear>ineslastic>Non-metal Plasticity后。在Cohesion欄輸入2.72e5，在Fric Angle欄輸入35。 圖1-

7、7-a定義材料本構(gòu)模型對話框圖1-7-b定義材料本構(gòu)模型對話框二、建立模型和劃分網(wǎng)絡 1）創(chuàng)建隧道各個代表關(guān)鍵點：Main Menu> Preprocessor> Modeling> Create>Keypoints>In Active CS，彈出“Creat Keypoints in Active Coordinate System”對話框，如圖2-1所示。在對話框中以此輸入關(guān)鍵點的號碼，X,Y,Z的坐標值，然后點擊APPLY，再輸入下一個關(guān)鍵點的號碼和坐標，直到所有的關(guān)鍵點全部輸入后點擊OK，關(guān)鍵點坐標依次為（0,5）、（-5,0）、（-5,-10）、（5,-

8、10）、（5,0）（-50,15）、（-50,-60）、（50,-60）、（50,15）。 圖2-1 在當前坐標系創(chuàng)建關(guān)鍵點對話框2）創(chuàng)建隧道模型：Main Menu>Preprocessor>Modeling>Create>Lines>In Active Coord，彈出如圖2-2所示的對話框。依次連接關(guān)鍵點，如圖2-3所示。Main Menu>Preprocessor>Modeling>Create>Lines>Arcs>By End KPs & Rad，彈出如圖2-4所示的對話框。在對話框欄中輸入關(guān)鍵點“2，5”，

9、單擊“Apply”。在對話框欄中輸入關(guān)鍵點“1”，彈出“Arc By End KPs & Rad ”對話框。在“RAD Radius of the arc”欄后面輸入弧線半徑“5”，單擊“Apply”按鈕，這樣就創(chuàng)建了弧線1。最后單擊“OK”按鈕，生成隧道模型，如圖2-5所示。 圖2-2定義直線兩端點對話框 圖2-3 畫直線 圖2-4 定義弧線兩端點對話框 圖2-5 巷道模型首先通過mainmenu>preprocessor>modeling>create>areas>arbitrary>by lines 由線生成2個面，然后通過mainmenu&g

10、t; preprocessor>modeling>operate>Booleans>divide>areas by areas 將2個面通過布爾運算的圖2-6和圖2-7 圖2-6、2-7隧道模型4） 劃分網(wǎng)格：Main Menu>Preprocessor>Meshing>Mesh Tool，在彈出的Mesh Tool 中可以定義要劃分面的類型。劃分網(wǎng)格時要設置網(wǎng)格劃分份數(shù)：在工具欄中Size Control欄，用鼠標單擊lines后面的Set彈出一個選擇對話框用鼠標選擇L1、L3,彈出一個Element Sizes on Picked Lines

11、對話框，在No of element division欄后面輸入40，單擊Apply按鈕，再選擇L2和L4、L5和L7、L6、L8，分別輸入35、10、5、10，單擊OK。在網(wǎng)格劃分工具欄中單擊Mesh按鈕，彈出一個拾取面積對話框，拾取大面積區(qū)域,單擊OK按鈕，生成隧道單元網(wǎng)格；然后將隧道結(jié)構(gòu)模型重新生成，用相同的操作步驟再次劃分網(wǎng)格，結(jié)果如圖2-8所示。 如圖2-8 模型網(wǎng)格 三、施加約束和荷載對大矩形底邊施加Y方向約束：Main Menu>Solution> Define Loads> Apply>Structural>Displacement>On l

12、ine用鼠標選取底邊，單擊OK按鈕。彈出ApplyU,ROT on Nodes對話框，在DOF to be constrained欄后面選取UY，單擊OK按鈕，如圖3-1所示： 圖3-1同理，對大矩形左右兩邊施加X方向約束。施加載荷：mainmenu>Solution>Define Loads>Apply> Structural> Pressure> online，拾取大矩形頂部中間的線段，彈出所圖所示對話框，在PREV value中輸入經(jīng)計算好的荷載25000，如圖3-2所示：圖3-2單擊OK按鈕，荷載施加完成，如圖3-3所示：圖3-3MainMenu &

13、gt;Solution >Define >Loads >Apply >Structural >Inertia>Gravity>Global，在彈出的對話框，如圖3-4所示。在Y方向中輸入9.8，完成重力的加載。如圖3-4 隧道頂部荷載和重力四、求解運算1）求解設置指定求解類型：Main Menu>Solution>Analysis Type>New Analysis，彈出一個如圖4-1-a所示對話框，在Type of analysis欄后面選中Static，單擊OK按鈕。Main Menu>Solution>Analysi

14、s Type>Soln Controls,在basic中選擇大變形分析類型，如圖4-1-b所示，單擊OK按鈕圖4-1-a如圖4-1-b 求解類型2）求解Main Menu>Solution>Solve>Current LS，彈出一個求解選項信息和一個當前求解載荷對話框，檢查無誤后，單擊OK，開始是求解運算，直到出現(xiàn)一個Solution is done的提示欄，表示求解結(jié)束。如圖4-2求解過程計算時ANSYS會顯示計算收斂的曲線，如圖4-3所示，計算完成后會彈出Solution is done!信息。如果計算不收斂，ANSYS會給出錯誤信息，以便用戶查找原因并改正。圖4-

15、3求解結(jié)果五、對計算結(jié)果進行分析1）單元生死控制：通過在ANSYS主菜單Solution->Load Step Opts->Other->Birth & Death->Kill Elments，點擊隧道單元即可實現(xiàn)殺死命令。在下列操作步驟后都完成后，通過控制生死單元可以得到另一組類似的結(jié)構(gòu)，并將顯示在每個分析步驟中未殺死前結(jié)果的下面，在下面的操作分析步驟中就不再贅述。2）繪制結(jié)構(gòu)變形圖：Main Menu >General Postprocessor >Plot Results >Deformed shape，彈出一個“Plot Deforme

16、d Shape”的對話框，選中“Def+ undef edge”并單擊“OK”，就得到隧道結(jié)構(gòu)變形圖，如圖5-1所示。 圖5-1 結(jié)構(gòu)變形圖3）顯示巷道位移云圖：Main Menu> General Postproc>Plot Result>contour Plot>Nodal Solu，彈出一個Contour Nodal Solution Data 對話框，用鼠標依次單擊Nodal Solution/DOF Solution/X-Compoment of displacement，再單擊OK按鈕，就得到X方向位移云圖，重復操作，依次可獲得Y方向和總位移云圖，如下圖所示

17、。 圖5-2 X方向位移云圖圖5-3 Y方向位移云圖圖5-4 總位移云圖4）繪制結(jié)構(gòu)應力圖：Menu>General Postprocessor>Plot Results>-Contour Plot- Nodel Solution，彈出一個Contour Nodal Solution Data 對話框，用鼠標依次單擊Nodal Solution/Stress/X-Compoment of stress，再單擊OK按鈕，就得到X方向位移云圖，重復操作，依次可獲得Y方向和XY面的應力云圖，如下圖所示。圖5-5 X方向應力云圖圖5-6 Y方向應力云圖圖5-7 XY面應力云圖5）繪制

18、結(jié)構(gòu)塑性區(qū)：Menu>General Postprocessor>Plot Results>-Contour Plot- Nodel Solution，彈出一個Contour Nodal Solution Data 對話框，用鼠標依次單擊Nodal Solution/Plastic strain/Equivalent plastic strain，再單擊OK按鈕，就得到結(jié)構(gòu)塑性區(qū)，如圖5-8所示。圖5-8 結(jié)構(gòu)塑性區(qū)變形6）繪制地面變形：Menu>General Postprocessor>Path Operations>Define Path>By Nodes,創(chuàng)建地面路徑，Menu>General Postp