水工隧洞施工及運行的ANSYS模擬

水工隧洞施工及運行的ANSYS模擬4.1數(shù)值模擬對象4.2有限元建模單元定義和材料定義實體建模網(wǎng)格劃分邊界條件和初始條件4.3水工隧洞施工過程模擬初始狀態(tài)模擬毛洞開挖工況模擬毛洞支護工況模擬計算結果查看及處理4.4水工隧洞運行期模擬運行期內(nèi)水壓力的模擬運行期外水壓力的模擬水工隧洞施工及運行的ANSYS模擬由于ANSYS在水利工程中應用面廣，可以廣泛用于水利工程的各個專業(yè)領域中，包括水工隧洞、地下廠房、高邊坡、重力壩、拱壩、截流堰等水工結構；水輪機組的動力分析；水文預測以及高速水力學等。基于對ANSYS基本操作的進一步熟悉，并建立對水工結構ANSYS分析的概念，本章以一個典型水工隧洞的開挖過程為例，簡單介紹ANSYS在水利工程中的應用，并以此作為初學者的入門實例。數(shù)值模擬對象對于實際工程而言，對所要數(shù)值模擬對象的熟悉程度是進行有效的ANSYS建模和正確進行有限元分析的基礎，熟悉的內(nèi)容主要包括：研究對象地形地質條件（不同的地質分層、斷層、節(jié)理、裂隙等）、地層及結構的物理力學參數(shù)（如果涉及到滲流分析或溫度分析，則還需要水力學參數(shù)和熱力學參數(shù)等）、縱橫剖面、水文條件以及荷載條件等，以及工程的施工工法，工序安排等，從而為有限元的建模提供前提條件。庫需要注意的是差，作為有限元利數(shù)值模擬，只吩是對實際工程洲的高度近似，蝦換句話說，不噴可能達到百分筋之百的相同。牛因此，對實際慎工程需要進行刑一定的簡化，若否則是無法、橡也不可能進行燕數(shù)值模擬的。熱圖筋4-1慕水工隧道的簡欠單實例少問題描述：以漠一個簡單隧洞經(jīng)為例，隧洞內(nèi)脹徑圓6m紐，襯砌厚冠40cm介，地層均質，剪隧洞進行全斷副面開挖，開挖序后進行一次性亂襯砌支護。鄉(xiāng)問題抽象：從癢描述中可以分草析，分析為平植面應變問題，社問題中涉及兩盛種材料（巖石先和混凝土襯砌亮），研究區(qū)域帖根據(jù)一定的規(guī)樸則選取為舞100m惜×部100m碑（在后面的章禾節(jié)中進行介紹凍）矩形區(qū)域，帖工程分析過程門分為支3煮步，即初始狀翁態(tài)北>視毛洞開挖上>亂支護。有限元建模蛇啟動途ANSYS未Produc麥t來Lauche礙r放，定義好工作戶目錄和文件名接稱。建議不同怒的工程建立不啞同的工作目錄率，文件名稱盡陰量取與工程名這稱相關且最好督包含日期信息助，以便日后對關計算過程的回倡顧和再利用。訴如目錄取為冬Shuigo港ng諷，文件名取為凝Tunnel扯060824喂，如圖像4-2療。然后運行澇Run按（如目錄不存惰在，則會彈出呆對話框提示，辛直接點擊確定挑，則在相應位煌置新建，若已所存在，則點擊酒Browse譯去選取，文件鍋名同樣如此）廈，進入嫌ANSYS嚴主操作界面。域圖鴉4-2陰工作目錄和文額件名的定義模單元定義和材牢料定義1．單元定義宇從前面分析中覺可以看出，本哄次分析為平面栽應變問題，單段元形式為平面等應變單元。則跨單元的定義過碎程如下：襲進入前處理狀包態(tài)植Prepro斗cessor躬（在完成網(wǎng)格會劃分前都不用特退出前處理器臣）；罰點擊賢Elemen嶼tType殊>Add/e煩dit/怪delet崗，彈出狐Elemen剛tType勒對話框（圖短4-3晚）。醬圖慢4-3El尊ement滾Type樓對話框助圖腫4-4El泄ement下Type撥對話框覆點擊增加單元寬按鈕秒Add肝，彈出鉛單元屬類型勺庫校對話框丙Librar利yofE含lement雷Type曲（圖田4-4障）。千在左側熱A伏框中選擇擦Solid差，對應在左側萬B鉗框中選擇慎Quad4砌node4紐2梢類型，即為平葡面四邊形單元脫，單元編號默猛認為嚴1朝，點擊勞Ok拌退出，則在訂Elemen動tType話對話框中顯示慎已定義的單元偽Plane咸42秘（圖姜4-5至）。顧圖跟4-5勉平面單元的選劃取魚圖黑4-6寄已定義的平面增單元傘Plane4泡2模平面應變的定旅義。一般來說宗，老Plane4仙2悼默認為平面應肥力單元，因此鍬需要對其進行磨修改。棄點擊圖氧4-6舒中選項按鈕毫Option齊s乘…應，彈出對話框意（圖逗4-7張），在腦A虧框匠K3膚的下拉菜單中蛋選擇尤Plane蝴stain慕項，在正B間框搖K5謠項選擇胃Integr升ation突pts仙，點擊德Ok鐘確定，退出到事圖殼4-6趣狀態(tài)。痕圖堆4-7撒平面應變的定懶義僻點擊挺Close蒜，完成單元定年義。2．材料定義絕從碌4.1搶中分析可知，稍整個分析中涉境及到腎2形種材料，即圍挖巖體和襯砌混高凝土（均假定畜為各向同性材績料）。因此需帽在倚ANSYS絞中定義怕2徑種材料，定義脊過程如下：考點擊呢Materi偷alPro異ps>Mat政erial印Models攻，彈出材料模殺型行為定義框刷Define獸Mater搬ialmo倡delbe控havior鄉(xiāng)（圖墳4-8清），左側列表棗中默認一種未嫁定義參數(shù)的材碌料，這里定義血為巖石材料，球編號咐1蛾。預圖標4-8它材料模型行為脆定義框棚雙擊右側框內(nèi)野的葵Struct云ural布（結構）椅>Linea劑r艇（線性）左>Elast啞ic插（彈性）跑>Isotr款opic修（各向同性）系，彈出對于材朵料傅1脖的線性各向同朵性材料性質的才定義框（圖宋4-9進）。移圖梯4-9燈材料性質定義潮在幸EX衫框（彈性模量炎）框中輸入管4e9牽（單位為掀Pa鑄），黎Prxy緩（泊松比）框折中輸入繭0.25百，點擊蘇OK澤確定，退回圖孔4-8風狀態(tài)，則左側勵框中出現(xiàn)線性哀各向同性性質謝項（圖劇4-10葛）；嬌圖或4-10膛已定義的線性源各向同性性質圾項績點擊圖抬4-10早右側框中的密蔬度項查Densit雞y它，彈出對話框屈密度定義對話薄框，輸入能2400叮。粘圖移4-11伸密度的定義冊（通過以上抗1-4邊步則定義了材竭料次1和線彈性分析所慢需的參數(shù)，圖助4-12典）服圖況4-12植已定義的材料幕1連參數(shù)邁定義材料世2匹（混凝土襯砌垃）的參數(shù)。在班圖湊4-12耽中點擊材料禁Materi撓al>New泄model惠（新建材料）炮，則左側框中燈出現(xiàn)彩Materi潮alMod理elNum黃ber2被，重復（啦1果）～（寬4久），定義材料忽2撇的參數(shù)為歐Ex=2e1唯0伸，商Prxy雕=0.167便，漠Dens=2除500撒。圖誦4-13剩。綿圖孝4-13岸材料進2念（襯砌混凝土慮）參數(shù)的定義派在圖淋4-12駱中點擊材料匯Materi竊al>Exi肚t專退出材料定義蘆，點擊戴或臭進行保存。炸通過以上步驟伏，則定義了所矛需的材料，若憶有更多材料，香則重復以上步趨驟即可，需要宗注意的是，不羅同的分析（彈央性分析，彈塑詳性分析，蠕變曉分析，動力分他析）所需的參諷數(shù)是不同的。實體建模額所謂實體建模楊，就是對通過訂創(chuàng)建點、線、燭面的方式，在組ANSYS村實際反映研究例對象的體形特陽征，從而建立滋網(wǎng)格劃分的基層礎。本實例的槍最終實體模型榆包括圍巖區(qū)域彎、襯砌區(qū)域（敘開挖后要回填踩）、開挖區(qū)域清（不回填，形妻成隧洞）三個歌區(qū)域，在實體削上表現(xiàn)為面附Area保。建立面有兩薪種方式，一是書通過生成點生睛成線，再由線拆生成面，二是錯直接通過王ANSYS吐工具生成面?；?輸．通過點、線赴生成面建模過程：藥（砌1粉）生成關鍵點陷點擊革Modell裂ing擱>Creat苗e>拘Keypoi焦nts償>InAc臟tiveC別s摧（通過輸入坐淚標直接生成關礦鍵點），彈出龍對話框（圖堆4-14臭）。其中第一躲行為關鍵點編水號，不輸則按擱順序系統(tǒng)自動儉進行編號，第杏二行為三個方坑向坐標值，平兔面問題時則才Z央值不輸。峽按上述方法依任次創(chuàng)建點（玉-50,-5喂0頭），（競50,-50地），（追50,50睬）和（泛-50,50辭），完成四個免關鍵點的創(chuàng)建勁，則工作面出春現(xiàn)戶4士個關鍵點（圖羨4-15傲）。逝圖惜4-14乘關鍵點的創(chuàng)建字圖丑4-15痛已創(chuàng)建的關鍵甜點善（掙2連）由點生成線秘點擊贏Modell亞ing沿>Creat洋e>Line訂s>Line軍s>Stra波ightL武ine蕩（通過關鍵點燃創(chuàng)建直線）。搜彈出選點建線展對話框襯Creat誦Strai嫩ghtLi址ne驢（圖鞏4-16邁）。港先連接關鍵點吼1書和關鍵濤2牢。鼠標依次點悟擊乳1槍點和識2比點，則生成線產(chǎn)1窮（自動按順序過編號為探1叢），按此方法并，可以連接點沒2繞和自3渠、拴3想和異4碗，縮4虧和蘭1冬，依次生成線輛2亦～沒4肌（圖伯4-17子）。革圖堅4-16內(nèi)創(chuàng)建直線對話云框醉圖錯4-17筐創(chuàng)建直線痛（談3責）由線生成面供點擊瓶Modeli縮ng>Cre別ate>Ar濟eas>Ar擾bitrar概y>ByL逢ines巨（通過撕線創(chuàng)建面鋪）。彈出證Creat崖Area墊byLin笛es嶺（圖鋸4-18禿）。依次驟點擊線懂1催、貌2韻、慧3寺、邀4觸，點擊挪OK潮，則形成一個蕩矩形面（圖私4-19召）。歉圖和4-18謙創(chuàng)建直線對話聯(lián)框撲圖牽4-19威創(chuàng)建面式（剃4責）創(chuàng)建隧洞及塔襯砌驢由于隧洞及襯綱砌為圓形活/稻圓環(huán)形，可以齡通過康ANSYS遣的工具直接創(chuàng)丟建，再通過布堤爾運算對篇圓進行境操作，生成開穩(wěn)挖區(qū)、襯砌及福圍巖區(qū)。具體昂操作如下：鬼點擊鬼Modeli截ng>Cre撲ate>Ar外eas>Ci趨rcle嗚（圓形）醉>Solid距Circl芒e索（實體圓），培彈出實體圓面斑創(chuàng)建框（圖店4-20捧），圖中的三辜個輸入框中，蹲WPX氣和罵WPY鍛為圓心位置（俊不輸值時，默降認圓心位置在賀整體坐標系的聽原點；若圓心三位置不在整體霧坐標系赴原點，則需通堵過移動工作平桃面來實現(xiàn)圓心板位置的確定）居。皺這里，隧洞內(nèi)胳徑為社6m領，外徑為艦6.4m揪。在圖泰4-20講對話框中的暴Radius矮中輸入圣6溝，點擊手Apply注，創(chuàng)建內(nèi)圓；侮再輸入斬6.4必，點擊絲OK容，創(chuàng)建外圓。暗（點擊鼠標右叨鍵，點擊些Replot止，可以看到三肅個有重復區(qū)域厚的面，圖隆4-21膏）捎圖穩(wěn)4-20為創(chuàng)建實體圓對枕話框竭圖搜4-21娘創(chuàng)建的三個實參體圓避通過上面的操螞作，在工作面找上存在竊3進個面蔥Area思，但三個面存盞在重合，因此閃，必須對三個音面進行布爾操殊作，形成相互駕獨立但邊界連箱接的三個區(qū)域傾，即圍巖區(qū)、女襯砌區(qū)和開挖行區(qū)。肝點擊睬Modeli慨ng>Ope哲rate>B證oolean插s>Over米lap>Ar腿eas如（對面進行疊悟合操作），彈偷出對話框（圖爐4-22場）。選擇對話旋框中的存PickA份ll漂，對所有的面紙進行操作，從蝶而形成三個區(qū)關域。錄圖亮4-22郵對面進行心Overla調(diào)p斤對話框緊圖送4-23蜻經(jīng)過布爾操作保的圓面雁（盡5赤）精細實體模仗型刺經(jīng)過上面的操懸作，初步形成漿了實體模型，罰可以進行網(wǎng)格患的自由劃分，爸但這樣獲得的壇網(wǎng)格往往沒有頂規(guī)律性，同時熄沒有突出重點崖（比如在隧洞怠周邊的網(wǎng)格需秒要密一些）等這等。因此，可切以對這些區(qū)域注進行切割，劃贏分為渠4斧個相同且對稱惕的區(qū)域。政具體做法是：胳在矩形區(qū)域的避4缺個線怎/北邊中點創(chuàng)建重4廉個關鍵點，連梨接成直線，然駛后用直線去切住割峽3運個面。汁ANSYS大操作：販顯示所有的線上：燥Utilit寒yMenu艱>根Plot陡>肥Lines奏；相在線盤1容的中點創(chuàng)建關傲鍵點：增Modeli蜓ng刃>蠶Create園>盡Keypoi恐nts霉>OnLi卷new/R午ation肌，對話框（圖烏4-24值），選擇要創(chuàng)漠建點的線，點蟻擊墳Apply追，彈出對話框飲（圖公4-25旗），在者Liner增atio(0訓-1)攏中輸入復0.5甲（表示中點）逝，稠Keypoi雅nt蹤Numbe蔑r用默認，點擊匹OK櫻，即在創(chuàng)建了鋼線阿1瞧上的中點（圖跳4-25貧），按此方法確，創(chuàng)建其他互3恢條邊線上的中通點關鍵點。彎圖適4-24親在線的中點創(chuàng)掛建關鍵點饞連接關鍵點搭13版和記15粗，犯14赤和象16軟，形成淺2會條直線（按圖庸4-16雅～圖執(zhí)4-17如的方法創(chuàng)建）矮；溉顯示所有的元徑素：忍Utilit愧yMenu嬌>蛾Plot鍬>凝Multi-莖Plots辱；露對純3即個面進行切割膀：撥點擊病Modell栽ing突>Opera頭te>Boo典leans>默Divide針>Area設byLin夸e標，彈出對話框螞Divide竟Area娛byLin著e趁（圖籌4-25鋸），點擊訓PickA國ll王，彈出對話框候，再點擊騎PickA盈ll憐，完成對面域愁的劃分。闊為了便于查看市面，將面以顏錘色進行區(qū)分，守做法為：乒Utilit令yMenu茶>響Plot覽Ctrls混>Numbe謀ring軟…羊，彈出對話框授，對圖茄4-26夠中三個框選的片部分按圖中進討行選擇，點擊還OK源，即可顯示面沸（圖牌4-27巖）。朝圖剖4-25茅切割面從圖竟4-26輛以顏色顯示面舞設置牢圖鞏4-27糟以顏色顯示的鄙面炊通過以上操作播，即完成了所烘有實體模型的宴創(chuàng)建。由于在料上述操作過程擦中，可能存在票一些重合的元舉素，必須對此寬進行處理。訴在蔑ANSYS浩中的做法是：切點擊爽Prepro旗cessor憲>Numbe貸ring某Ctrls背>Merge棕Items饅，彈出對話框叼，選擇框中的研A卻l盡l等（圖姥4-28叨），點擊躍OK以；點擊追Prepro階cessor骨>Numbe糟ring伯Ctrls按>Compr某essNu波mbers挪…浩，彈出對話框跟（圖敘4-29勉），選擇挎All廚，點擊猶OK晶結束。挨圖弦4-28亞消除重合的點搭、線、面普/渾體光圖逼4-29技壓縮點、線、眉面的編號（從放1屢開始且編號連能續(xù)）仔同時，為了以撿后便于選擇，弦可以通過磨ANSYS給的工具創(chuàng)建面業(yè)的組合，形成擦圍巖組、襯砌緣組和開挖區(qū)組蒙。蜜ANSYS晃的做法為：美圖巡4-30間選擇滑面設置踩圖絕4-31怨選擇面嫁圖蔑4-32霸選擇的圍巖區(qū)米域樹先只選擇圍巖致區(qū)域：刷Utilit惱yMenu書>Selec卡t>Enti滴ties俊…欣，彈出對話框斃（圖慌4-30范），按圖中框博選部分進行選請擇，點擊孟OK凳；彈出對話框陪（圖釘4-31奶），然后在工擔作區(qū)選擇圍巖旺區(qū)（圖換4-32氏）中的編R1滅、蚊R2慈、妙R3掉和損R4爬，點擊控OK倚；顯示面，陡Utilit傾yMenu肥>Plot>限Area拍，即可看到所置選擇的區(qū)域。瞎創(chuàng)建組件：德Utilit炭yMenu烘>Selec艙t>Comp澤/Assem像bly>Cr疑eateC何ompone疊nt梨…掛，彈出對話框妖（圖飛4-33梅），按框選部俊分設定，點擊瘡OK異，即創(chuàng)建一個望以呢ROCK勺命名的組件；棍圖緣4-33弟創(chuàng)建組件的設椅置引選擇所有面：僑Utilit囑yMenu廁>Selec圣t>Ever榮ything陜；然后顯示所洲有面：恨Utilit艇yMenu垂>Plot>交Areas異；掛按扇A丹中的方法選擇損襯砌區(qū)的面刑Area著（圖圾4-33意）；并按厚B拳中的方法定義餡襯砌組挎Lining遷；東圖蒼4-33敘選擇的襯砌區(qū)皺的面并創(chuàng)建寨Lining觸組件故按溝C粱、趁D收中的方法確定披開挖組件拘Kaiwa抵，圖怖4-34微。香圖盞4-34午選擇的開挖區(qū)疑的面并創(chuàng)建樣Kaiwa劣組件押查看已創(chuàng)建的綱組件可以通過杏以下方式進行爪：鈔Utilit鋸yMenu圣>Selec造t>Comp艇onent鈔Manage瓶r市…喬，彈出對話框抹（圖錢4-35占），即可看到甩已定義的腳3狐個組件。矛圖渣4-35粉已創(chuàng)建的組件揮2炊．直接生成面睛以上是通過面翁的下級元素（吉點和線）來逐繁步生成面，籃ANSYS更中提供了直接憤創(chuàng)建面的方法鷹。具體做法為桶：蜻Prepro陡cessor公>省Modell測ing餓>Creat喉e>Area私>Recta襪ngle化（四邊形面）久>ByDi做mensio噸n攏，彈出對話框仰（圖培4-36璃），輸入相應導的尺寸，創(chuàng)建育的面與通過上煎述方法創(chuàng)建的刻面完全一樣。道圖魄4-36宵直接生成面凈下面的步驟同息上面方法一致槐。主點擊獻或腥進行保存。網(wǎng)格劃分呀建立了經(jīng)過優(yōu)桿化的實體模型煉后，即可進行孫平面網(wǎng)格的劃倡分。寶1肅．指定面的屬破性外在開始劃分網(wǎng)蟲格前，必須對棟面的屬性（單刪元形式和材料泛號）進行指定沙，換句話說，莖在進行網(wǎng)格劃趕分前，材料和懂單元類型必須蓋已經(jīng)定義橫/占存在。在本問石題中，隧洞開度挖前，所有的拴面均屬于巖石哨材料（即材料中1竟），因此，指屯定所有面的屬泄性均為飽Plane4育2根單元，材料號抬為勢1陣。具體做法為弄：茶點擊執(zhí)Meshin閃g>Mesh悄Attri何butes>搖Allar宰eas原…棟，彈出對話框掛（圖總4-37龍），烈按框選部分芹的選擇進行設肆定（材料號伴1幼，單元類型擾Plane4撫2及），點擊貫OK蝕，即完成了面筋的屬性指定。息圖盆4-37辛面屬性的指定嗽2叮．網(wǎng)格劃分密攝度的指定航盡管可以進行梅自由劃分，但遣獲得的網(wǎng)格很厭難滿足用戶的城要求，因此對襪于面域，可以暢通過指定線的緣劃分密度（長護度或數(shù)目）來釘對面域進行映攔射劃分昏Mapped猴（對于欲3慮邊形映射劃分醬，三條邊的數(shù)耽目要相同，且張最好為偶數(shù)；政4鄙邊形時，對邊勻的劃分數(shù)目必撇須相等）。具體做法為：先A雙．顯示所有的萄線：耀Utilit鑰yMenu收>Plot>衫Lines見B呢．指定襯砌及速開挖區(qū)內(nèi)線的很劃分密度陪點擊辛Meshin誓g>Mesh沉ingTo歷ol醫(yī)，彈出對話框抗（圖括4-38道），選擇傻Lines>妖Set瞞，彈出線選擇娘對話框（圖餓4-39灶），選擇襯砌花的內(nèi)外圈（共級8您條線）以及開問挖區(qū)褲4舞根線，點擊哨OK滾，彈出線劃分緞密度設定對話范框（圖輸4-40巨）。線密度的漫設定可以通過顫設定長度或數(shù)泰目來進行，這蓄里選擇數(shù)目，劫本模型中設定餓為假10壯，點擊嫩OK賣。股圖基4-38雪線密度劃分對紐話框角圖走4-39比選擇要設定的準線案圖勞4-40咸線密度的指定悲圖因4-41喬襯砌厚度線（擇圓圈部分）顆襯砌厚度的確描定也按上述方分法，選擇客4涌條厚度方向的對線，設定數(shù)目渣為剖2淺。孩圖庸4-42餐過渡線窗C暑．過渡線的設敏定朋對圖渣4-42綁中扯A季、句B休、跌C壟、呀D桌四條線而言，首由于我們關注解隧洞周邊，因挖此，網(wǎng)格密度懂要大一些，即稍網(wǎng)格以隧洞為沈圓心，朝外側膜網(wǎng)格逐漸過渡候，增大。具體漆做法斤為：鋸按輛B譯中的方法，選以擇這配4察條線，按圖盡4-43玻進行設定，點搏擊譜OK洞，完成設定。肌需要注意的是技，由于線的方遼向的原因，過鑰渡系數(shù)可能為轎小數(shù)，也可能顛為整數(shù)，操作吸時可先試設定耽，若剛好相反尾，則取原過渡啟系數(shù)的倒數(shù)，虜如試取翅5再，不合適的話艙，則取喇1/5棟。杰圖販4-43跟過渡線數(shù)目的琴設定灑需要說明的是省，映射劃分一微般針對溫3艷邊形或弄4哀邊形（平面情論況），若為廟5啦邊形，則需要角另外的映射方愧法，可按下面算的規(guī)則進行設播定，即把接5墓邊形的其中兩涉邊假象為一條航邊，則“變?yōu)橥彼倪呅危瑒t玩按四邊形劃分團規(guī)則進行設定娘（也就是說，柏假象為“一條盛邊”的兩條線踐的劃分數(shù)目和爆要此等于這兩條線哥對應的一條邊故的劃分數(shù)目，篇另外兩邊數(shù)目伏也要相等）。策圖程4-44扯所有線的劃分弦數(shù)目匯總3．網(wǎng)格劃分呈在設定所有線鹿的劃分密度后色，即可進行網(wǎng)本格劃分，劃分叛分日兩種情況（先皺顯示為面）：愛A氏．對于綢3夜邊形或四邊形傷點擊猾Meshin叉g>Mesh筑ingTo捕ol務，彈出對話框盤（圖光4-45繁），按圖中稅框選進行膛設定，點擊駛Mesh端后，彈出面選術擇框（圖低4-46蠶），選擇開挖榮區(qū)和襯砌區(qū)（擊3首邊形或四邊形飄）的面后，點集擊孫OK裙，工作面顯示料為圖春4-47撫。躁圖腰4-45劣劃分工具戀圖紛4-46牙面選擇框蘭圖懼4-47跪已劃分的網(wǎng)格卵A今．對于湯5機邊形正選擇顯示面呼Utilit淘yMenu探>Plot>顯Area移。英點擊萬Meshin蓋g>Mesh距ingTo烏ol瞞，彈出對話框蕩（圖腔4-48怕），按圖中聽框選進行艱設定，點擊犁Mesh搭后，彈出面選董擇框（圖陸4-49漫），選擇且只妄能選擇其中一式個面（腐5尖邊形），點擊日OK孟，再選擇戲5嫩邊形的其中貝4刃個角點（圖爹4-50息，由于假象兩競條線為“一條首線”，因此，坡選擇時不再選俱擇這兩條線之泊間的交點），組即可完成搜5混邊形面的劃分達，圖胡4-51摟。味圖羅4-48堡劃分工具之圖譽4-49晃面選擇框免圖摟4-50還選擇點的順序犬圖給4-51逃已劃分的網(wǎng)格爺按照上面方法街劃分其余皮3業(yè)個宅5梢邊形面的劃分袍，點擊警Utilit政yMenu如>Plot>角Elemen浮ts存，顯示劃分后抓的網(wǎng)格如圖嶄4-52你。抬圖遵4-52陪劃分后的網(wǎng)格瓜點擊異或歡進行保存。磨點擊涌File>S昨aveas旋，在彈出的對赤話框中，將文景件另存為檔Tunnel街-忌mesh.d酸b連（用于后面的經(jīng)計算）。舉在完成有限元貫網(wǎng)格的劃分后郊，即完成了有懲限元的建模，豆可以進行求解奴。通過下面進則入求解模塊。遠Mainm旗enu>So枕lution泰。蓋邊界條件和初然始條件1．邊界條件虎對于水工隧洞貢的計算區(qū)域而雕言，所選的區(qū)言域一般進行位兆移邊界約束，東即左右為水平起X嘉法向約束，底允部為鉛直像Y板法向約束。洲ANSYS員的做法為：慎Define嘆Loads班>Apply絹>Struc取tural>威Displa兇cement起>OnNo耗des瓜（施加在節(jié)點牙上），彈出節(jié)俘點選擇對話框禍，選擇狼Box請窗選方式韻，選擇左右邊趕界的節(jié)點（圖攜4-54旗），點擊晚OK僵，彈出對話框務（圖測4-55均），選擇膊X葬方向約束，點羞擊倚OK故，澡圖父4-53啊節(jié)點選擇框估圖慌4-54繳被選擇的節(jié)點沃圖效4-55窮指定約束方向臂UX小圖絕4-56裳被約束的左右蜘邊界挑同樣，疊窗選底部已節(jié)點，指定選UY瓦約束，完成底卷部邊界條件設道定。羊圖鹽4-57稠指定約束方向殖UY老圖撞4-58葬被約束的底部學邊界2．初始條件督初始條件包括糖初始應力狀態(tài)收，本問題中主擠要是自重應力浮情況，即要設別定重力加速度揮。次Define既Loads州>Apply識>Struc孔tural>赤Inerti悶a>Grav穩(wěn)ity>Gl喘obal仆，彈出對話框科，在鉛直農(nóng)Y圈方向輸入斷9.8蔽，點擊美OK吧，完成重力加桑速度的設定。紋圖辦4-59栽重力加速度的柳設定冊點擊每或罵進行保存。族水工隧洞施工虜過程模擬具在本問題，隧晃洞的施工模擬概包括三個過程頂，即初始應力辟狀態(tài)（荷載步間1護）→毛洞開挖痕（荷載步舟2半）→毛洞支護遵（荷載步椅3領）。本節(jié)中按箱這三個步驟進勁行計算模擬。赴（保證你處于隙Soluti析on禍求解模式狀態(tài)邊）么由于在下面的詠分析中涉及到剛單元的生（開煎挖）或死（激堂活，如開挖回獲填、施作襯砌桿等），因此必基須打開僻N秧－魔R修模式，具體做京法為：伐Analys河isTyp葛e>壟Analys欲is亡Option拼s孝（分析選項）餃（有時在點擊茅Analys禿isTyp衡e咳后，不能發(fā)現(xiàn)瞎Analys啦isOpt粘ions帥，此時可點擊贈Soluti脅on>Una牌bridge希dMenu揪，即可顯示出購來），彈出對剩話框（圖潑4-60粗），選擇返FullN寧-R正選項，點擊則OK掃即完成設置。早圖頸4-60F葡ullN-泛R雪的設置初始狀態(tài)模擬切初始狀態(tài)是指打研究對象所在尸的地質區(qū)域未帳受人工擾動（害開挖、支護等登人類活動）之病前就已客觀存輩在的狀態(tài)，包處括自重應力場徒和構造應力場舍，其中以自重牧應力場為主。婦初始狀態(tài)的求語解過程為：星A勻．設定初始狀孕態(tài)分析的荷載岸步狐Loadst擔ep盟=1乘，具體做法為靠：禽點擊滔Analys照isTyp亡e>輝Sol壽’杏Contro羽ls顏，彈出對話框豆（圖伐4-61瘋），鬼按圖中框選設蹄定漢，點擊申OK植，完成荷載步側設置；埋圖窩4-61拌荷載步的設置彩B種．求解，友Solve>廢Curren股tLs額，點擊就OK卷，開始求解，卷當出現(xiàn)下列界絲面時，證明求道解成功，點擊掘Close撥，完成求解。圖4-62攀經(jīng)過上面過程突，即完成了初曉始狀態(tài)的計算警。其點擊灰或焦進行保存。也毛洞開挖俘工況模擬吧毛洞成洞過程叢實際包括兩個兇部分，即襯砌譽部分和開挖后壇不回填部分，暫在本步中，襯恨砌和開挖區(qū)都牲會被挖去，在挑ANSYS蒙程序中成為“懲殺死宿Kill蜓”。具體過程賴為（顯示界面氏為單元）：粒A危．設定初始狀栽態(tài)分析的荷載緞步講Loadst萍ep包=2埋，具體做法為蹈：煤點擊姜Analys遵isTyp檔e>煙Sol坦’糊Contro疼ls縱，彈出對話框左（圖狠4-63宅），與按圖中框選設障定范，點擊怪OK跑，完成荷載步咱設置；撤圖禽4-63忘第步2幕荷載步的設置眾B納．根據(jù)前面癥內(nèi)中創(chuàng)建的三個呀組件，選擇要山開挖的襯砌區(qū)宏和開挖區(qū)單元敘。彩點擊度Ultili蠅ty誰Menu>燦Select柄>Compo竟nentM焰anager盛，彈出下面對晃話框，先在下派面的列表中選校擇遼Kaiwa掙和王Lining龜兩個組件，再辦點擊上面的萄按鈕后，關閉嘩該對話框。圖4-64仆顯示選擇的面墻Ultili攝ty寬Menu>柏Plot>A腐reas患。然后選擇附飄著于所選面的被單元。搶Ultili旅ty境Menu>瘡Select拘>Entit畫ies口…氏，在彈出的對壇話框中，按下覆圖設定后，點桐擊資OK垃，選擇顯示單紡元怖Ultili帝ty駱Menu>往Plot>E何lement飲，乓如下圖此(琴圖照4-64)朱，即為本步中績要開挖的單元源。租圖哭4-64嬸選擇要開挖的裁單元斃C功．在命令行中然輸入挖Ekill,期all據(jù)，殺死術/渾開挖所選的單爺元。資D冤．選擇全部元跨素：窮Utilit膚iesMe離nu>Sel針ect>纖everth踩ing語；并顯示右鍵注>億Replot即；霞E備．進行毛洞開趁挖求解涌Solve>亮Curren肺tLs蜘，點擊寺OK躺，開始求解，高當出現(xiàn)下列界珍面時，證明求綁解成功，點擊日Close獻，完成求解。費圖般4-65棗求解成功蛇顯示為單元統(tǒng)Utilit朝iesMe豪nu>Plo嚷t>Elem驚ents債，鍬點擊婚或訪進行保存。恭毛洞支護昏工況模擬董毛宿洞穩(wěn)定香到一定狀態(tài)后蔽，即可進行襯陵砌施作，形成增隧洞主體結構槐，有限元對此等過程的模擬過述程為樸（顯示為單元水Utilit預iesMe剃nu>Plo縮t>Elem象ents殃）脹：淘A矛．冬指定荷載步游Loadst尸ep摘＝孝3艷；壞點擊倆Analys妙isTyp綱e>槐Sol腔’鮮Contro丹ls灌，彈出對話框奇（圖湊4-66我），左按圖中框選設涌定愛，點擊午OK司，完成荷載步云設置；慌圖慧4-66籃第塑3斧荷載步的設置垂B除．艷選擇先前設定界的襯砌區(qū)域拜/蠢面士Lining交及相應附著在須面上的單元；墻點擊堂Ultili瞎ty脾Menu>擋Select蔑>Compo擇nentM赤anager鈴，彈出下面對粗話框，先在下排面的列表中選侵擇霸Lining素兩個組件，再劍點擊上面的防按鈕后，關閉敵該對話框。徐圖瘡4-64鉆選擇襯砌區(qū)域石顯示選擇的面潤Ultili挪ty洞Menu>條Plot>A甲rea揭。然后選擇附抗著于所選面的袋單元。兔Ultili濤ty膊Menu>從Select鑒>Entit獲ies診…公，在彈出的對昌話框中，按下幻圖設定后，點蠅擊筍OK績，選擇顯示單沈元競Ultili剃ty顫Menu>妨Plot>E混lement暢，艙如下圖擔(授圖按4-64)棒，即為本步中釘要開挖的單元搭。鴉圖究4-64孟選擇要開挖的線單元改C似．態(tài)激活所選的襯若砌單元很，在命令行輸婚入背Ealive說,all僻，激活裙/祥施作襯砌廳區(qū)火單元；填4阻、由于原來的南襯砌部分設定去為巖石材料，景因此需要改變拼襯砌單元材料贊屬性為混凝土待屬性，具體為蜜：選定襯砌單割元，荒Soluti膏on那>膊Loads少tepop瘡ts鹿>乳Other州>惹Change鐵matp白rops豎>些Change耍matn億um/腐彈出菜單，軋材料編號改為乎2養(yǎng)：載圖寶4-67醉襯砌材料性質悠的改變莫D涌．選擇全部元騰素：誕Utilit躺iesMe嚼nu>Sel蜜ect>稿everth建ing柏；并顯示右鍵逝>游Replot施；后E煤．劑進行拒襯砌支護后的鈔求解包Solve>唇Curren桐tLs厘，點擊梨OK怕，開始求解，奪當出現(xiàn)下列界熱面時，證明求欲解成功，點擊蔬Close策，完成求解。猴圖腥4-68連求解成功褲顯示為單元狠Utilit融iesMe揉nu>Plo削t>Elem欄ents授，批點擊筋或搜進行保存。央計算結果查看凝及處理鼠通過以上分析正，對水工隧洞爛施工期圍巖及船襯砌結構的應港力、變形規(guī)律斤進行了簡單的耕數(shù)值模擬，下戒面就數(shù)值模擬顛的結果進行簡星單的查看與處曠理。首先通過漏以下過程進入寫通用后處理模雀塊：恰MainM框enu>Ge言neral莫Postpr劍oc利。所有的后處抓理操作都必須雄在后處理狀態(tài)兄中。役1曉．計算結果的堪讀取此首先查看計算瓣荷載步的情況副：弓Genera逃l圓PostPr倦o羽>Resul赴tsSum帖mary穴，彈出對役話框。甘圖沙4-69驅計算結果匯總艘圖根4-69狗結果讀取方式班計算結果的讀俗取可以通過多霜種方式，以持ByPic迎k略為例：肌點擊環(huán)ReadR步esults燙>ByPi蕩ck譽，彈出菜單后刃，選擇某荷載怒步，點擊利Read久（讀?。矯lose注即可。粘圖茅4-70骨通過俘ByPic冊k投讀取結果批2島．計算結果的欄查看拉在讀取某荷載尺步的結果后，傍就可以對某荷葵載步下的結果坊進行繪圖或文頸本列表。計算曠結果分兩種：浩節(jié)點解和單元隸解。則節(jié)點解：罰穿PlotR最esults躁>橡Coutou到r造Plot庸（繪制等值線切）景>Nodal賄序Solu痛（節(jié)點解）蜜坊ListR載esults守>Nodal失Solut掌ion角（列表結果）性單元解：苗夜PlotR叫esults還>莖Coutou貸r搭Plot傲（繪制等值線穗）虎>Eleme報nt類Solu盛（單元解）霜路ListR塔esults末>Eleme刷ntSol班ution瓦（列表結果）漫以荷載步劇2品（毛洞開挖工厘況）的結果為殖例：念（首先對開挖溉掉的單元不選吵擇顯示，先選原擇組件，然后百選擇附著在上糊面的單元，開餐挖掉的單元就泉不顯示了）墊A舍．繪制節(jié)點位逮移芝UY兼點擊婦PlotR剃esults掌>環(huán)Coutou欠r掩Plot>液Nodal玉Solu截，彈出的對話踏框中，選擇歐Dof鑄Solut掃ion襪→芬Y-Comp連onent著ofDis朱placem吊ent唱，并作相應設婚置后，繪出傾UY塌等值線圖（如強圖愿4-71從）。燈圖況4-71汪繪制撤UY繞位移分量等值愧線圖隙同理可以繪制刃UX磨和合位移。肌B厭．繪制節(jié)點應牙力向量篇點擊蕩PlotR巡esults逗>睡Coutou遼r襯Plot>抵Nodal勾Solu圓，彈出的對話耀框中，選擇款Stress席→萍Y-Comp赤onent駕ofStr怎ess指，并作相應設皆置后，繪出點SY粘等值線圖（如痕圖綠4-72棉），可看到兩養(yǎng)側洞壁出現(xiàn)最援大的豎直方向瞇壓應力。魯圖武4-72蝴繪制它SY掘位移分量等值仍線圖呈同理可以繪制天其它應力分量扯，包括第屋1樣主應力（甘1st瘡Pricin甘pal飽Stres次s減）和第悲3辦主應力（孩3st役Pricin乒pal器Stres忠s粗）餡注意：鐵ANSYS窄的應力大小與莖方向規(guī)定和材貴料力學規(guī)定相圓同，與我們工壯程上的規(guī)定剛鑰好相反，也就岸是說植ANSYS桶中第援1駁主應力實際為恥工程上應用的熔最小主應力，溪第逐3謊主應力實際為剩工程上應用的辯最大主應力。思若要繪制某些遮特定部位的計接算結果，則只洞需選定關注區(qū)鐮域的單元進行方繪制即可。冒若要對比開挖秋前后的變形圖依，則在對話框念中選擇變形后掘圖形同時顯示瘋變形前邊界。之圖柜4-73符繪制變形前后由對比圖龍3趁．荷載工況組蹈合討在前面的分析酸中，隧洞的開旋挖經(jīng)歷了輪3逆?zhèn)€步驟，在每紫一步的分析中零均包含了自重圓應力和自重位圾移，對于應力敞而言，我們不揉僅關注自重應拿力，同時關注損開挖后的附加邊應力和二次應章力；而對于位掛移，自重位移睜實際是不存在等的（經(jīng)過幾百幣萬年的穩(wěn)定后脹，位移基本消速失），因此對盞于開挖而言，牲我們更關注于礎附加位移，這窗就涉及到荷載裁工況之間的邏床輯運算（加或雞減）的問題，買也就是荷載工夜況組合。在本管問題中，評價腹開挖引起的位誠移或應力時，錄就必須“減掉宵”自重位移或扔位移，即荷載狀步穗2興要減去荷載步究1錢；而在評價襯微砌施作引起的崗附加應力或位套移時，則必須慕減去開挖和自廉重引起的位移辟或應力，即荷儲載步櫻3令要減去荷載步沉2呈。荷載工況的職定義和運算做坑法為：祝A直．定義荷載工富況：悶Genera的l吩Postpr拋oc遲>Load接Case>市Creat抵Load勾Case百…覺，彈出對話框旁中，選擇從結腿果文件新Result表sFile跌s鑄創(chuàng)建荷載工況浩，黨圖狂4-74存定義荷載步矛1悲為荷載工況緞1斥同理分別定義誘荷載步程2便為荷載工況曠2檔（圖精4-75咸），荷載步捐3擺為荷載工況香3園（圖鋼4-76挎）。封圖菜4-75繭定義荷載步哲2挎為荷載工況逝2漠圖擊4-76剛定義荷載步憲3燒為荷載工況阻3臨當要分析開挖驕引起的附加位遙移和應力或其文它參量時，則歡要減去初始狀災況的位移和應臭力，即用荷載閉工況掩2廣“減去”荷載鋪工況繪1核，做法為：顯A鑼．讀取荷載工丈況脊2釣（圖報4-77炸）撐LoadC輝ase>Re證adLoa渴dCase括…袖，在彈出的對折話框中，輸入泡2融，點擊連OK窮；踩圖姑4-77瓜讀取荷載工況宇B環(huán)．減去荷載工艷況趕1再（圖溜4-78繁）義LoadC陡ase>Su施btract腥…釘，批圖仰4-78壁減去荷載工況在重新繪制遇UY讓方向的附加位潑移，則圖形變蠢為圖殖4-79粘，隧洞頂部發(fā)己生向下位移，遇而隧洞底部發(fā)府生向上的回彈栗位移。附加的壟最大壓應力變賊為圖套4-80龜，隧洞底部和濃頂部發(fā)生拉應夕力，兩側發(fā)生漏最大壓應力。氣圖燦4-79頑附加豎直撓UY撲位移束圖垃4-80宮附加最大主應饒力4．路徑操作庸對于實際工程驢而言，我們可剖能關注于應力齒或位移在某些滋區(qū)域或范圍內(nèi)禽的變化趨勢，注這就需要用到辜ANSYS昆的路徑操作。倍以本問題為例序，如果我們需掀要知道應力或買圍巖沿徑向的藍變化趨勢，則帶可按下面步驟非進行操作：A．定義路徑戚Genera狼l閱Postpr殺oc柿>Path范Operat殊ions>D恰efine夾Path>B耀ynode頑s雞（通過節(jié)點定眼義）句…撒，彈出節(jié)點選睜擇對話框，依愈次選擇路徑上健的節(jié)點（圖臨4-81鍵），點擊謎OK學，彈出對話框思（圖我4-81鬧），定義路徑逝的名稱為退XX揉，華圖詞4-81贈路徑的定義皇B么．映射數(shù)據(jù)到溪指定路徑攻PathO決perati孫ons>Ma名pOnto粉Path棚…煉，彈出對話框母，指定需要映紐射的參量，如游UX涉，減UY寬，走SX頂，半SY貝，睡S1棉，簽S3鐮等，如圖醬4-82良。敵圖村4-82圣映射數(shù)據(jù)桃C棒．繪制指定參敏量沿路徑的變嫂化曲線翻PathO珍perati蛛ons>Pl幼otPat狂hItem春>OnGr蘭aph地…椅，在彈出的對屆話框中，選擇銀要繪制的變化纖曲線（可以多涉選，但最好位買移和應力要分跟開），圖假4-82忍。我圖征4-82喜繪制位移沿路蒜徑肺XX喊的編號曲線旨圖消4-83跟繪制主應力沿預路奶徑附XX慨的編號曲線坦水工隧洞運行專期模擬騎前面對水工隧丙洞施工期的開親挖過程進行了士簡單的模擬，穴分析了開挖過法程圍巖及襯砌議結構的應力應羊變規(guī)律。本節(jié)甚對水工隧洞在搞運行期，受內(nèi)漏、外水壓力作纏用下的襯砌變旋形及應力規(guī)律擁。處運行期內(nèi)水壓墻力的模擬棉對于隧洞的內(nèi)主水壓力，需要特區(qū)別無壓隧洞煮和有壓隧道（溉圖煉4-84舉）濾。因此，施加毛內(nèi)水壓力分為輕有壓和無壓兩膀種情況，有限傲元模型采用與鍛前面開挖支護苗后的隧洞，并勻進入求解狀態(tài)俱Soluti遇on規(guī)。凍A秩．冠有惡壓隧洞禁B扶．洽無奴壓隧洞康圖依4-84諸無壓和有壓隧茶洞1．有壓隧洞辨有壓隧洞情況蠟下，作用與隧放洞襯砌內(nèi)表面繁的水壓力可認嘴為是常量，可嬌以通過塘ANSYS繪施加恥Pressu歡re冠命令，直接進趁行施加。閱A費．選定襯砌單焦元且選擇附著盼于單元的節(jié)點沒由于襯砌材料詢號為飽2林，因此通過如載下方式進行選晉擇。取Utilit鋸iesMe桶nu>Sel劈ect>攀Enitie斑s周…杜，在彈出的對秧話框中，選擇移Elemen喊t朽→斗ByAtt模ribute系s櫻→松Materi味alNum狂，在麻Min娃,Max,I剛nc哄空白框中輸入斗2封，點擊滅Apply壩→標Plot微→佩OK煩。思選擇附著于襯武砌單元上的節(jié)戴點。綢Utilit端iesMe選nu>Sel牢ect>述Enitie誕s證…膠，在彈出的對勁話框中，選擇盡Nodes神→粗Attach降edto搜→僚Elemen腐t濟，點擊品Apply資→寧Plot黃→闊OK煎。礎圖固4-85臨選擇襯砌單元申圖荒4-86正選擇附著于襯涌砌單元的節(jié)點掌B衫．選擇所有襯起砌內(nèi)表面節(jié)點禽并施加水壓力析Soluti哲on>正Define放Loads宇>Apply氣>Struc切tural>擊Pressu篇re>On辮nodes天，在彈出的對拳話框中，采用嘉圓形栗Circle巧選擇方式（圖宰4-87蛙），選擇所有扮的襯砌內(nèi)表面遞節(jié)點，點擊鋤OK褲，在彈出的對雁話框中，輸入賴內(nèi)水壓力烈1e6撿，點擊飯OK創(chuàng)完成水壓力設傭定（圖勉4-88樹）。跑圖章4-87密圓形選擇方式頂圖攤4-88蕉設定內(nèi)水壓力房此時，施加的肆水壓力表現(xiàn)為顆一條線，這里團可以通過設置翁，將聾Pressu琴re早以箭頭鞏Arrow稈表示。槽Utilit廉iesMe茫nu>快PlotCt前l(fā)s壯>Symbo叨l壓…芳，在彈出的對拾話框中，按圖促4-89鎖進行設置后，夜即可將穩(wěn)Pressu境re工以箭頭