地鐵盾構隧道掘進施工過程三維仿真

1、第1章 大型有限元軟件ANSYS簡介121 材料、實常數(shù)和單元類型定義/clear !更新數(shù)據(jù)庫/prep7 !進入前處理器et,1,solid45 !設置單元類型et,2,mesh200,6save !保持數(shù)據(jù)（2）定義模型中的材料參數(shù)。!土體材料參數(shù)mp,ex,1,3.94e6 !地表層土彈性模量mp,prxy,1,0.35 !地表層土泊松比mp,dens,1,1828 !地表層土密度mp,ex,2,20.6e6 !盾構隧道所在地層參數(shù)mp,prxy,2,0.30mp,dens,2,2160mp,ex,3,500e6 !基巖地層參數(shù)mp,prxy,3,0.33mp,dens,3,2160!

2、管片材料參數(shù)，管片襯砌按各向同性計算mp,ex,4,27.6e9 !管片襯砌彈性模量mp,prxy,4,0.2 !管片襯砌泊松比mp,dens,4,2500 !管片襯砌密度!注漿層，參數(shù)按水泥土取值mp,ex,5,1e9 !注漿層彈性模量mp,prxy,5,0.2 !注漿層泊松比mp,dens,5,2100 !注漿層密度save !保持數(shù)據(jù) 2 建立平面內(nèi)模型并劃分單元（1）在隧道中心線定義局部坐標，便于后來的實體選取。local,11,0,0,0,0 !局部笛卡兒坐標local,12,1,0,0,0 !局部極坐標csys,11 !將當前坐標轉換為局部坐標wpcsys,-1 !同時將工作平面轉

3、換到局坐標cyl4,2.7,90 !畫部分圓半徑為2.7cyl4,0,0,2.7,0,3,90 !畫管片層部分圓cyl4,0,0,3,0,3.2,90 !畫注漿層部分圓rectng,0,4.5,0,4.5 !畫外邊界矩形aovlap,all !做面遞加nummrg,all !合并所有元素numcmp,all !壓縮所有元素編號rectng,4.5,31.5,0,4.5 !畫矩形面nummrg,all !合并所有元素numcmp,all !壓縮所有元素編號save !保持數(shù)據(jù)（2）劃分單元，如圖10-1所示。meshkey,1 !選擇劃分方式為映射劃分type,2 !采用Mesh 200進行平面

4、內(nèi)的單元劃分lesize,1,6 !對線設置單元數(shù)lesize,2,6lesize,3,6 amesh,1 !對面1劃分單元lesize,4,6 !對線設置單元數(shù)lesize,8,2lesize,9,2amesh,2 !對面2劃分單元lesize,5,6 !對線設置單元數(shù)lesize,10,1lesize,11,1amesh,3 !對面3劃分單元lesize,12,3 !對線設置單元數(shù)lesize,13,3lesize,6,3lesize,7,3lesize,14,8,2lesize,16,8,0.5amap,4,7,6,8,10 !對面4采用MAP方式劃分單元amap,5,9,8,11,12

5、 !對面4采用MAP方式劃分單元save !保持數(shù)據(jù)（3）利用對稱性劃分單元得到下半部分模型，如圖10-2所示。 arsym,y,all !以y軸為對稱軸進行鏡像操作nummrg,all !合并所有元素numcmp,all !壓縮所有元素編號allsel,all !選擇所有元素save !保持數(shù)據(jù)（4）建立隧道下方土層模型，如圖10-3所示。rectng,0,4.5,-4.5,-26 !繪制下邊界矩形面rectng,4.5,31.5,-4.5,-26 nummrg,all !合并所有元素numcmp,all !壓縮所有元素編號lesize,28,3 !對線設置單元數(shù)lesize,29,5,0.

6、5lesize,30,5,2lesize,32,5,0.5lesize,31,8,2amesh,11 !對面11和12劃分單元amesh,12save !保持數(shù)據(jù)（5）建立隧道上方土層模型，如圖10-4所示。rectng,0,4.5,4.5,15 !繪制上邊界矩形面rectng,4.5,31.5,4.5,15lesize,34,3 !對線設置單元數(shù)lesize,35,4lesize,33,4lesize,36,4lesize,37,8,0.5amesh,13 !對面13和14劃分單元amesh,14nummrg,all !合并所有元素numcmp,all !壓縮所有元素編號save !保持數(shù)據(jù)

7、（5）利用對稱性得到平面內(nèi)的全部模型，如圖10-5所示。allsel,all !選擇所有元素arsym,x,all !以x軸為對稱軸進行鏡像操作nummrg,all !合并所有元素numcmp,all !壓縮所有元素編號save !保存數(shù)據(jù)庫3 建立三維有限元模型（1）通過沿隧道軸線進行拉伸，得到隧道及其所在地層的三維實體模型!沿隧道軸線定義一系列關鍵點，點間距為3m*do,i,1,20 !循環(huán)20次 k,0,0,-3*i !每次增加3m（縱向）*enddo!沿著這些點建立線，便于后來體的拉伸l,3,38 !根據(jù)關鍵點生成線*do,i,1,19 l,37+i,38+i !通過關鍵點號循環(huán)增加生

8、成線*enddo*do,i,1,20 lesize,64+i,1 !循環(huán)對線設置單元數(shù)*enddo!進行拉伸，拉伸后建立的完整模型如圖10-6所示type,1 !選擇拉伸單元為Solid 45mat,1 !賦予拉伸單元材料參數(shù)esys,11 !選擇單元坐標extopt,aclear,1 !設置拉伸選項，即拉伸完成后刪除母單元Mesh 200csys,12*do,i,1,20 asel,s,loc,z,-3*(i-1) !選擇拉伸的面 vdrag,all,64+i !進行拉伸*enddoallsel,all !選擇所有元素nummrg,all !合并所有元素numcmp,all !壓縮所有元素編

9、號allsel,all !選擇所有元素save !存儲數(shù)據(jù)庫（2）分層賦給土體材料參數(shù)。!賦予隧道所在地層材料參數(shù)csys,0 !改變坐標系nsel,s,loc,y,-10.5,5 !選擇節(jié)點esln,s !選擇單元mpchg,2,all !改變材料參數(shù)!賦予基巖材料參數(shù)nsel,s,loc,y,-11,-26 !選擇節(jié)點esln,s !選擇單元mpchg,3,all !改變材料參數(shù)10.2 掘進過程三維仿真分析10.2.1 加載與自重應力場求解1 施加邊界條件（1）并進行求解設置。Finish !返回上一次主菜單/solu !進入求解器csys,0 !改變坐標系/view,1,-1,0.5,

10、1 !改變視圖顯示方向/replot !重新繪制eplot !顯示單元圖save !保存數(shù)據(jù)庫nsubst,10 !指定荷載子步nlgeom,on !指定大變形nropt,full !指定newton-lapnace迭代pred,on !啟用非線性求解預測器lnsrch,on !啟用線性搜索outres,all,last !選擇將每一子步的最后一個迭代計算步結果保存（2）施加約束條件。nsel,s,loc,x,-31.5 !選擇節(jié)點d,all,ux !施加X方向約束nsel,s,loc,x,31.5 !選擇節(jié)點d,all,ux !施加X方向約束nsel,s,loc,y,-26 !選擇節(jié)點d,a

11、ll,uy !施加Y方向約束nsel,s,loc,z,0 !選擇節(jié)點nsel,a,loc,z,-60d,all,uz !施加Z方向約束allsel,allacel,0,10,0 !施加重力step=0 !用于記錄計算步的參數(shù)save !存儲數(shù)據(jù)庫2 自重應力場求解與后處理（1）求解自重應力場。time,1 !第1個荷載步（時間步）solve !求解save !存儲數(shù)據(jù)庫finish !返回上一次主菜單（2）自重應力場后處理。/POST1 !進入后處理器PLNSOL,S,Y,0,1 !SY應力圖如圖10-8所示PLNSOL,U,Y,0,1 !UY位移圖如圖10-9所示10.2.2 加載與自重應力

12、場求解1 第1步開挖模擬分析（1）第1步開挖中第1個計算步的命令流。/solu !進入求解器antype,rest !設定分析類型為重啟動分析，重啟動點默認為上次求解結束時time,2 !設定時間步AUTOTS,1 !自動增加計算步DELTIM,0.1,0.001,0.2,1 !時間步選項設置csys,12 !將當前坐標變?yōu)榍懊孀远x的極座標wpcsys,-1vsel,s,loc,x,0,3.2 !選擇體vsel,r,loc,z,0,-3 !再選擇體eslv,s !選擇單元ekill,all !殺死開挖土體單元，包括核心圖、管片層、注漿層asel,s,loc,x,0,3.19 !選擇面asel

13、,r,loc,z,-3SFA,all,1,PRES,0.3e6 !施加掌子面頂進壓力asel,s,loc,x,3.2 !選擇面asel,r,loc,z,0,-2.9SFA,all,1,PRES,0.15e6 !施加注漿壓力allsel,all !選擇所有元素solve !求解save !存儲數(shù)據(jù)庫finish !返回上一主菜單（2）第1步開挖中第1個計算步的命令流。/solu !進入求解器antype,rest !重新啟動time,3 !第三次計算AUTOTS,1DELTIM,0.1,0.001,0.2,1csys,12 !改變坐標系wpcsys,-1 !改變工作坐標系vsel,s,loc,x

14、,0,2 !選擇體vsel,r,loc,z,0,-3eslv,s !選擇單元ekill,all !殺死核心土單元vsel,s,loc,x,2,2.3 !選擇體vsel,r,loc,z,0,-3eslv,s !選擇單元mpchg,4,all !改變管片單元材料參數(shù)vsel,s,loc,x,2.3,2.7 !選擇體vsel,r,loc,z,0,-3eslv,s !選擇單元mpchg,5,all !改變注漿層材料參數(shù)asel,s,loc,x,0,3.19 !選擇面asel,r,loc,z,-3SFA,all,1,PRES,0.3e6 !在面上施加壓力asel,s,loc,x,3.2asel,r,lo

15、c,z,0,-2.9SFA,all,1,PRES,0 !取消注漿壓力allsel,all !選擇所有元素solve !求解save !保存數(shù)據(jù)庫finish !返回上一層主菜單2 開挖循環(huán)MAC文件的編寫（1）將第1步開挖，第1個計算步中的命令流改寫為以step（開挖步）為參數(shù)的命令流形式，并將其文件名命為Constr1.mac。!* *Constr1.mac*time,2*stepAUTOTS,1DELTIM,0.1,0.001,0.2,1csys,12wpcsys,-1vsel,s,loc,x,0,2vsel,r,loc,z,0,-3*(step-1)eslv,sekill,allvsel

16、,s,loc,x,2,2.3vsel,r,loc,z,0,-3*(step-1)eslv,smpchg,4,allvsel,s,loc,x,2.3,2.7vsel,r,loc,z,0,-3*(step-1)eslv,smpchg,5,allvsel,s,loc,x,0,3.2vsel,r,loc,z,-3*(step-1),-3*stepeslv,sekill,allasel,s,loc,x,0,3.19asel,r,loc,z,-3*(step-1)SFA,all,1,PRES,0e6asel,s,loc,x,0,3.19asel,r,loc,z,-3*stepSFA,all,1,PRES,

17、0.3e6asel,s,loc,x,3.2asel,r,loc,z,-3*(step-1)-0.1,-3*step+0.1SFA,all,1,PRES,0.15e6allsel,allsolve save（2）將第1步開挖，第2個計算步中的命令流改也寫為以step（開挖步）為參數(shù)的命令流形式，并將其文件名命為Constr2.mac，代碼如下：!* Constr2.mac*time,2*step+1AUTOTS,1DELTIM,0.1,0.001,0.2,1csys,12wpcsys,-1vsel,s,loc,x,0,2vsel,r,loc,z,0,-3*stepeslv,sekill,allv

18、sel,s,loc,x,2,2.3vsel,r,loc,z,0,-3*stepeslv,smpchg,4,allvsel,s,loc,x,2.3,2.7vsel,r,loc,z,0,-3*stepeslv,smpchg,5,allasel,s,loc,x,0,3.19asel,r,loc,z,-3*stepSFA,all,1,PRES,0.3e6asel,s,loc,x,3.2asel,r,loc,z,-3*(step-1)-0.1,-3*step+0.1SFA,all,1,PRES,0allsel,allsolve save3 第2步到第13步的開挖模擬分析（1）第2步開挖模擬分析，!以下的

19、中文說明也與第一步開挖一致，在此省去。/soluantype,reststep=2Constr1.mac/soluantype,reststep=2Constr2.mac（2）第3步開挖模擬分析。/soluantype,reststep=3Constr1.mac/soluantype,reststep=3Constr2.mac（3）第4步開挖模擬分析。/soluantype,reststep=4Constr1.mac/soluantype,reststep=4Constr2.mac（4）第5步開挖模擬分析。/soluantype,reststep=5Constr1.mac/soluantype

20、,reststep=5Constr2.mac（5）第6步開挖模擬分析。/soluantype,reststep=6Constr1.mac/soluantype,reststep=6Constr2.mac（6）第7步開挖模擬分析。/soluantype,reststep=7Constr1.mac/soluantype,reststep=7Constr2.mac（7）第8步開挖模擬分析。/soluantype,reststep=8Constr1.mac/soluantype,reststep=8Constr2.mac（8）第9步開挖模擬分析。/soluantype,reststep=9Constr

21、1.mac/soluantype,reststep=9Constr2.mac（9）第10步開挖模擬分析。/soluantype,reststep=10Constr1.mac/soluantype,reststep=10Constr2.mac（10）第11步開挖模擬分析。/soluantype,reststep=11Constr1.mac/soluantype,reststep=11Constr2.mac（11）第12步開挖模擬分析。/soluantype,reststep=12Constr1.mac/soluantype,reststep=12Constr2.mac（12）第13步開挖模擬分析

22、。/soluantype,reststep=13time,2*stepAUTOTS,1DELTIM,0.1,0.001,0.2,1csys,12wpcsys,-1vsel,s,loc,x,0,2vsel,r,loc,z,0,-3*(step-1)eslv,sekill,allvsel,s,loc,x,2,2.3vsel,r,loc,z,0,-3*(step-1)eslv,smpchg,4,allvsel,s,loc,x,2.3,2.7vsel,r,loc,z,0,-3*(step-1)eslv,smpchg,5,allvsel,s,loc,x,0,3.2vsel,r,loc,z,-3*(step-1),-60eslv,sekill,allasel,s,loc,x,0,3.19asel,r,loc,z,-3*(step-1)SFA,all,1,PRES,0e6asel,s,loc,x,3.2asel,r,loc,z,-3*(step-1)-0.1,-60SFA,all,1,PRES,0.15e6allsel,allsolve save !以上為開挖中的第一個計算步/soluantype,reststep=13time,2*step+1AUTOTS,1DELTIM,0.1,0.001,0.2,1csys,12wpcsys,-1vsel