ANSYS隧道結(jié)構(gòu)受力實(shí)例分析1

第頁(yè)礦業(yè)軟件及應(yīng)用——Ansys考試試題學(xué)院：資源及安全工程學(xué)院指導(dǎo)老師：xxx姓名：xxx學(xué)號(hào)：xxxxxxxx時(shí)間：2019年6月21日ANSYS隧道結(jié)構(gòu)受力實(shí)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(jiàn)下圖。根據(jù)工程地質(zhì)勘探報(bào)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Φ=35°。地面上主要為交通荷載，根據(jù)估計(jì)每米有2.5噸的荷載直接作用于地基上。計(jì)算要求如下：交通載荷已經(jīng)存在。計(jì)算結(jié)果報(bào)告中包括約束條件、荷載；位移、Y方向應(yīng)力等值線圖，塑性區(qū)等結(jié)果。進(jìn)行力學(xué)特性分析。提供建模、計(jì)算過(guò)程地GUI命令。操作過(guò)程一、創(chuàng)建物理環(huán)境⒈在“開(kāi)始”菜單中選取“所有程序>ANSYSProductlauncher”并點(diǎn)擊；⒉選中FileManagement，在WorkingDirectory欄輸入工作目錄“C:\Users\dell\李懿鑫”，在“JobName”欄輸入文件名“0204110112”。⒊單擊“RUN”按鈕，進(jìn)入ANSYS的GUI操作界面。⒋過(guò)濾圖形界面：MainMenu>Preferences,彈出PreferencesforGUIFiltering對(duì)話框，選中Structural來(lái)對(duì)后面的分析進(jìn)行菜單及相應(yīng)的圖形界面過(guò)濾，如圖1-1。圖1-1⒌定義工作標(biāo)題：UtilityMenu>File>ChangeTitle，在彈出的對(duì)話框中輸入0204110112，單OK按鈕，如圖1-2。圖1-2⒍定義單元類(lèi)型1）定義PLANE82單元：MainMenu>Preprocessor>ElementType>Add/Edit/Delete，彈出一個(gè)單元類(lèi)型對(duì)話框，單擊Add按鈕。彈出如圖1-3所示對(duì)話框。在該對(duì)話框左邊滾動(dòng)欄中選擇“Solid”，在右邊的滾動(dòng)欄中選擇Quad8node82單元。然后單擊OK。圖1-32）設(shè)定PLANE82單元選項(xiàng):MainMenu>Preprocessor>ElementType>Add/Edit/Delete，彈出一個(gè)單元類(lèi)型對(duì)話框，選中Type2PLANE82，單擊Option按鈕，彈出一個(gè)PLANE82elementTypeoptions對(duì)話框，如圖1-4所示。在ElementbehaviorK3欄后面的下拉菜單中選取Planestrain，其他欄后面的下拉菜單采用ANSYS默認(rèn)設(shè)置就可以，單擊OK按鈕。圖1-4①通過(guò)設(shè)置PLANE82單元選項(xiàng)K3為Plainstrain來(lái)設(shè)定本實(shí)例分析采取平面應(yīng)變模型進(jìn)行分析。因?yàn)橄锏朗强v向很長(zhǎng)的實(shí)體，故計(jì)算模型可以簡(jiǎn)化為平面應(yīng)變問(wèn)題。②8借點(diǎn)PLANE82單元每個(gè)節(jié)點(diǎn)有UX和UY兩個(gè)自由度，比4節(jié)點(diǎn)PLANE42單元具有更高的精確性，對(duì)不規(guī)則網(wǎng)格適應(yīng)性更強(qiáng)。7.定義材料屬性1）定義巷道圍巖1材料屬性：Main>Preprocessor>MaterialProps>MaterialModel，彈出DefineMaterialModelBehavior對(duì)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LinearIsotropicPropertiesforMaterialNumber1對(duì)話框，在該對(duì)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(duì)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(duì)話框圖1-6材料面密度輸入對(duì)話框圖1-7中右邊欄中連續(xù)單擊Structural>Nonlinear>ineslastic>Non-metalPlasticity后。在Cohesion欄輸入2.72e5，在FricAngle欄輸入35。圖1-7-a定義材料本構(gòu)模型對(duì)話框圖1-7-b定義材料本構(gòu)模型對(duì)話框二、建立模型和劃分網(wǎng)絡(luò)1）創(chuàng)建隧道各個(gè)代表關(guān)鍵點(diǎn)：MainMenu>Preprocessor>Modeling>Create>Keypoints>InActiveCS，彈出“CreatKeypointsinActiveCoordinateSystem”對(duì)話框，如圖2-1所示。在對(duì)話框中以此輸入關(guān)鍵點(diǎn)的號(hào)碼，X,Y,Z的坐標(biāo)值，然后點(diǎn)擊APPLY，再輸入下一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的號(hào)碼和坐標(biāo)，直到所有的關(guān)鍵點(diǎn)全部輸入后點(diǎn)擊OK，關(guān)鍵點(diǎn)坐標(biāo)依次為（0,5）、（-5,0）、（-5,-10）、（5,-10）、（5,0）（-50,15）、（-50,-60）、（50,-60）、（50,15）。圖2-1在當(dāng)前坐標(biāo)系創(chuàng)建關(guān)鍵點(diǎn)對(duì)話框2）創(chuàng)建隧道模型：MainMenu>Preprocessor>Modeling>Create>Lines>InActiveCoord，彈出如圖2-2所示的對(duì)話框。依次連接關(guān)鍵點(diǎn)，如圖2-3所示。MainMenu>Preprocessor>Modeling>Create>Lines>Arcs>ByEndKPs&Rad，彈出如圖2-4所示的對(duì)話框。在對(duì)話框欄中輸入關(guān)鍵點(diǎn)“2，5”，單擊“Apply”。在對(duì)話框欄中輸入關(guān)鍵點(diǎn)“1”，彈出“ArcByEndKPs&Rad”對(duì)話框。在“RADRadiusofthearc”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(diǎn)對(duì)話框圖2-3畫(huà)直線圖2-4定義弧線兩端點(diǎn)對(duì)話框圖2-5巷道模型首先通過(guò)mainmenu>preprocessor>modeling>create>areas>arbitrary>bylines由線生成2個(gè)面，然后通過(guò)mainmenu>preprocessor>modeling>operate>Booleans>divide>areasbyareas將2個(gè)面通過(guò)布爾運(yùn)算的圖2-6和圖2-7圖2-6、2-7隧道模型劃分網(wǎng)格：MainMenu>Preprocessor>Meshing>MeshTool，在彈出的MeshTool中可以定義要?jiǎng)澐置娴念?lèi)型。劃分網(wǎng)格時(shí)要設(shè)置網(wǎng)格劃分份數(shù)：在工具欄中SizeControl欄，用鼠標(biāo)單擊lines后面的Set彈出一個(gè)選擇對(duì)話框用鼠標(biāo)選擇L1、L3,彈出一個(gè)ElementSizesonPickedLines對(duì)話框，在Noofelementdivision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(gè)拾取面積對(duì)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(duì)大矩形底邊施加Y方向約束：MainMenu>Solution>DefineLoads>Apply>Structural>Displacement>Online用鼠標(biāo)選取底邊，單擊OK按鈕。彈出ApplyU,ROTonNodes對(duì)話框，在DOFtobeconstrained欄后面選取UY，單擊OK按鈕，如圖3-1所示：圖3-1同理，對(duì)大矩形左右兩邊施加X(jué)方向約束。施加載荷：mainmenu>Solution>DefineLoads>Apply>Structural>Pressure>online，拾取大矩形頂部中間的線段，彈出所圖所示對(duì)話框，在PREVvalue中輸入經(jīng)計(jì)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>Solution>Define>Loads>Apply>Structural>Inertia>Gravity>Global，在彈出的對(duì)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(yùn)算1）求解設(shè)置指定求解類(lèi)型：MainMenu>Solution>AnalysisType>NewAnalysis，彈出一個(gè)如圖4-1-a所示對(duì)話框，在Typeofanalysis欄后面選中Static，單擊OK按鈕。MainMenu>Solution>AnalysisType>Sol’nControls,在basic中選擇大變形分析類(lèi)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(lèi)型2）求解MainMenu>Solution>Solve>CurrentLS，彈出一個(gè)求解選項(xiàng)信息和一個(gè)當(dāng)前求解載荷對(duì)話框，檢查無(wú)誤后，單擊OK，開(kāi)始是求解運(yùn)算，直到出現(xiàn)一個(gè)Solutionisdone的提示欄，表示求解結(jié)束。如圖4-2求解過(guò)程計(jì)算時(shí)ANSYS會(huì)顯示計(jì)算收斂的曲線，如圖4-3所示，計(jì)算完成后會(huì)彈出Solutionisdone!信息。如果計(jì)算不收斂，ANSYS會(huì)給出錯(cuò)誤信息，以便用戶(hù)查找原因并改正。圖4-3求解結(jié)果五、對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析1）單元生死控制：通過(guò)在ANSYS主菜單Solution->LoadStepOpts->Other->Birth&Death->KillElments，點(diǎn)擊隧道單元即可實(shí)現(xiàn)殺死命令。在下列操作步驟后都完成后，通過(guò)控制生死單元可以得到另一組類(lèi)似的結(jié)構(gòu)，并將顯示在每個(gè)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：MainMenu>GeneralPostprocessor>PlotResults>Deformedshape，彈出一個(gè)“PlotDeformedShape”的對(duì)話框，選中“Def+undefedge”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：MainMenu>GeneralPostproc>PlotResult>contourPlot>NodalSolu，彈出一個(gè)ContourNodalSolutionData對(duì)話框，用鼠標(biāo)依次單擊NodalSolution/DOFSolution/X-Compomentofdisplacement，再單擊OK按鈕，就得到X方向位移云圖，重復(fù)操作，依次可獲得Y方向和總位移云圖，如下圖所示。圖5-2X方向位移云圖圖5-3Y方向位移云圖圖5-4總位移云圖4）繪制結(jié)構(gòu)應(yīng)力圖：Menu>GeneralPostprocessor>PlotResults>-ContourPlot-NodelSolution，彈出一個(gè)ContourNodalSolutionData對(duì)話框，用鼠標(biāo)依次單擊NodalSolution/Stress/X-Compomentofstress，再單擊OK按鈕，就得到X方向位移云圖，重復(fù)操作，依次可獲得Y方向和XY面的應(yīng)力云圖，如下圖所示。圖5-5X方向應(yīng)力云圖圖5-6Y方向應(yīng)力云圖圖5-7XY面應(yīng)力云圖5）繪制結(jié)構(gòu)塑性區(qū)：Menu>GeneralPostprocessor>PlotResults>-ContourPlot-NodelSolution，彈出一個(gè)ContourNodalSolutionData對(duì)話框，用鼠標(biāo)依次單擊NodalSolution/Plasticstrain/Equivalentplasticstrain，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>GeneralPostprocessor>PathOperations>DefinePath>ByNodes,創(chuàng)建地面路徑，Menu>General