水工隧洞施工及运行的ANSYS模拟讲课稿.docx
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水工隧洞施工及运行的ANSYS模拟讲课稿
水工隧洞施工及运行的ANSYS模拟
水工隧洞施工及运行的ANSYS模拟
由于ANSYS在水利工程中应用面广，可以广泛用于水利工程的各个专业领域中，包括水工隧洞、地下厂房、高边坡、重力坝、拱坝、截流堰等水工结构；水轮机组的动力分析；水文预测以及高速水力学等。
基于对ANSYS基本操作的进一步熟悉，并建立对水工结构ANSYS分析的概念，本章以一个典型水工隧洞的开挖过程为例，简单介绍ANSYS在水利工程中的应用，并以此作为初学者的入门实例。
2.1数值模拟对象
对于实际工程而言，对所要数值模拟对象的熟悉程度是进行有效的ANSYS建模和正确进行有限元分析的基础，熟悉的内容主要包括：
研究对象地形地质条件（不同的地质分层、断层、节理、裂隙等）、地层及结构的物理力学参数（如果涉及到渗流分析或温度分析，则还需要水力学参数和热力学参数等）、纵横剖面、水文条件以及荷载条件等，以及工程的施工工法，工序安排等，从而为有限元的建模提供前提条件。
需要注意的是，作为有限元数值模拟，只是对实际工程的高度近似，换句话说，不可能达到百分之百的相同。
因此，对实际工程需要进行一定的简化，否则是无法、也不可能进行数值模拟的。
图4-1水工隧道的简单实例
问题描述：
以一个简单隧洞为例，隧洞内径6m，衬砌厚40cm，地层均质，隧洞进行全断面开挖，开挖后进行一次性衬砌支护。
问题抽象：
从描述中可以分析，分析为平面应变问题，问题中涉及两种材料（岩石和混凝土衬砌），研究区域根据一定的规则选取为100m×100m（在后面的章节中进行介绍）矩形区域，工程分析过程分为3步，即初始状态>毛洞开挖>支护。
2.2有限元建模
启动ANSYSProductLaucher，定义好工作目录和文件名称。
建议不同的工程建立不同的工作目录，文件名称尽量取与工程名称相关且最好包含日期信息，以便日后对计算过程的回顾和再利用。
如目录取为Shuigong，文件名取为Tunnel060824，如图4-2。
然后运行Run（如目录不存在，则会弹出对话框提示，直接点击确定，则在相应位置新建，若已存在，则点击Browse去选取，文件名同样如此），进入ANSYS主操作界面。
图4-2工作目录和文件名的定义
2.2.1单元定义和材料定义
1．单元定义
从前面分析中可以看出，本次分析为平面应变问题，单元形式为平面应变单元。
则单元的定义过程如下：
（1）进入前处理状态Preprocessor（在完成网格划分前都不用退出前处理器）；
（2）点击ElementType>Add/edit/delet，弹出ElementType对话框（图4-3）。
图4-3ElementType对话框
图4-4ElementType对话框
（3）点击增加单元按钮Add，弹出单元类型库对话框LibraryofElementType（图4-4）。
（4）在左侧A框中选择Solid，对应在左侧B框中选择Quad4node42类型，即为平面四边形单元，单元编号默认为1，点击Ok退出，则在ElementType对话框中显示已定义的单元Plane42（图4-5）。
图4-5平面单元的选取
图4-6已定义的平面单元Plane42
（5）平面应变的定义。
一般来说，Plane42默认为平面应力单元，因此需要对其进行修改。
点击图4-6中选项按钮Options…，弹出对话框（图4-7），在A框K3的下拉菜单中选择Planestain项，在B框K5项选择Integrationpts，点击Ok确定，退出到图4-6状态。
图4-7平面应变的定义
（6）点击Close，完成单元定义。
2．材料定义
从4.1中分析可知，整个分析中涉及到2种材料，即围岩体和衬砌混凝土（均假定为各向同性材料）。
因此需在ANSYS中定义2种材料，定义过程如下：
（1）点击MaterialProps>MaterialModels，弹出材料模型行为定义框DefineMaterialmodelbehavior（图4-8），左侧列表中默认一种未定义参数的材料，这里定义为岩石材料，编号1。
图4-8材料模型行为定义框
（2）双击右侧框内的Structural（结构）>Linear（线性）>Elastic（弹性）>Isotropic（各向同性），弹出对于材料1的线性各向同性材料性质的定义框（图4-9）。
图4-9材料性质定义
（3）在EX框（弹性模量）框中输入4e9（单位为Pa），Prxy（泊松比）框中输入0.25，点击OK确定，退回图4-8状态，则左侧框中出现线性各向同性性质项（图4-10）；
图4-10已定义的线性各向同性性质项
（4）点击图4-10右侧框中的密度项Density，弹出对话框密度定义对话框，输入2400。
图4-11密度的定义
（5）（通过以上1-4步则定义了材料1线弹性分析所需的参数，图4-12）
图4-12已定义的材料1参数
（6）定义材料2（混凝土衬砌）的参数。
在图4-12中点击材料Material>Newmodel（新建材料），则左侧框中出现MaterialModelNumber2，重复
（1）～（4），定义材料2的参数为Ex=2e10，Prxy=0.167，Dens=2500。
图4-13。
图4-13材料2（衬砌混凝土）参数的定义
在图4-12中点击材料Material>Exit退出材料定义，点击
或
进行保存。
通过以上步骤，则定义了所需的材料，若有更多材料，则重复以上步骤即可，需要注意的是，不同的分析（弹性分析，弹塑性分析，蠕变分析，动力分析）所需的参数是不同的。
2.2.2实体建模
所谓实体建模，就是对通过创建点、线、面的方式，在ANSYS实际反映研究对象的体形特征，从而建立网格划分的基础。
本实例的最终实体模型包括围岩区域、衬砌区域（开挖后要回填）、开挖区域（不回填，形成隧洞）三个区域，在实体上表现为面Area。
建立面有两种方式，一是通过生成点生成线，再由线生成面，二是直接通过ANSYS工具生成面。
1．通过点、线生成面
建模过程：
（1）生成关键点
点击Modelling>Create>Keypoints>InActiveCs（通过输入坐标直接生成关键点），弹出对话框（图4-14）。
其中第一行为关键点编号，不输则按顺序系统自动进行编号，第二行为三个方向坐标值，平面问题时则Z值不输。
按上述方法依次创建点（-50,-50），（50,-50），（50,50）和（-50,50），完成四个关键点的创建，则工作面出现4个关键点（图4-15）。
图4-14关键点的创建
图4-15已创建的关键点
（2）由点生成线
点击Modelling>Create>Lines>Lines>StraightLine（通过关键点创建直线）。
弹出选点建线对话框CreatStraightLine（图4-16）。
先连接关键点1和关键2。
鼠标依次点击1点和2点，则生成线1（自动按顺序编号为1），按此方法，可以连接点2和3、3和4，4和1，依次生成线2～4（图4-17）。
图4-16创建直线对话框图4-17创建直线
（3）由线生成面
点击Modeling>Create>Areas>Arbitrary>ByLines（通过线创建面）。
弹出CreatAreabyLines（图4-18）。
依次点击线1、2、3、4，点击OK，则形成一个矩形面（图4-19）。
图4-18创建直线对话框图4-19创建面
（4）创建隧洞及衬砌
由于隧洞及衬砌为圆形/圆环形，可以通过ANSYS的工具直接创建，再通过布尔运算对圆进行操作，生成开挖区、衬砌及围岩区。
具体操作如下：
点击Modeling>Create>Areas>Circle（圆形）>SolidCircle（实体圆），弹出实体圆面创建框（图4-20），图中的三个输入框中，WPX和WPY为圆心位置（不输值时，默认圆心位置在整体坐标系的原点；若圆心位置不在整体坐标系原点，则需通过移动工作平面来实现圆心位置的确定）。
这里，隧洞内径为6m，外径为6.4m。
在图4-20对话框中的Radius中输入6，点击Apply，创建内圆；再输入6.4，点击OK，创建外圆。
（点击鼠标右键，点击Replot，可以看到三个有重复区域的面，图4-21）
图4-20创建实体圆对话框图4-21创建的三个实体圆
通过上面的操作，在工作面上存在3个面Area，但三个面存在重合，因此，必须对三个面进行布尔操作，形成相互独立但边界连接的三个区域，即围岩区、衬砌区和开挖区。
点击Modeling>Operate>Booleans>Overlap>Areas（对面进行叠合操作），弹出对话框（图4-22）。
选择对话框中的PickAll，对所有的面进行操作，从而形成三个区域。
图4-22对面进行Overlap对话框图4-23经过布尔操作的圆面
（5）精细实体模型
经过上面的操作，初步形成了实体模型，可以进行网格的自由划分，但这样获得的网格往往没有规律性，同时没有突出重点（比如在隧洞周边的网格需要密一些）等等。
因此，可以对这些区域进行切割，划分为4个相同且对称的区域。
具体做法是：
在矩形区域的4个线/边中点创建4个关键点，连接成直线，然后用直线去切割3个面。
ANSYS操作：
A．显示所有的线：
UtilityMenu>Plot>Lines；
B．在线1的中点创建关键点：
Modeling>Create>Keypoints>OnLinew/Ration，对话框（图4-24），选择要创建点的线，点击Apply，弹出对话框（图4-25），在Lineratio（0-1）中输入0.5（表示中点），KeypointNumber默认，点击OK，即在创建了线1上的中点（图4-25），按此方法，创建其他3条边线上的中点关键点。
图4-24在线的中点创建关键点
C．连接关键点13和15，14和16，形成2条直线（按图4-16～图4-17的方法创建）；
D．显示所有的元素：
UtilityMenu>Plot>Multi-Plots；
E．对3个面进行切割：
点击Modelling>Operate>Booleans>Divide>AreabyLine，弹出对话框DivideAreabyLine（图4-25），点击PickAll，弹出对话框，再点击PickAll，完成对面域的划分。
为了便于查看面，将面以颜色进行区分，做法为：
UtilityMenu>PlotCtrls>Numbering…，弹出对话框，对图4-26中三个框选的部分按图中进行选择，点击OK，即可显示面（图4-27）。
图4-25切割面图4-26以颜色显示面设置
图4-27以颜色显示的面
通过以上操作，即完成了所有实体模型的创建。
由于在上述操作过程中，可能存在一些重合的元素，必须对此进行处理。
在ANSYS中的做法是：
点击Preprocessor>NumberingCtrls>MergeItems，弹出对话框，选择框中的All（图4-28），点击OK；点击Preprocessor>NumberingCtrls>CompressNumbers…，弹出对话框（图4-29），选择All，点击OK结束。
图4-28消除重合的点、线、面/体
图4-29压缩点、线、面的编号（从1开始且编号连续）
同时，为了以后便于选择，可以通过ANSYS的工具创建面的组合，形成围岩组、衬砌组和开挖区组。
ANSYS的做法为：
图4-30选择面设置图4-31选择面图4-32选择的围岩区域
A．先只选择围岩区域：
UtilityMenu>Select>Entities…，弹出对话框（图4-30），按图中框选部分进行选择，点击OK；弹出对话框（图4-31），然后在工作区选择围岩区（图4-32）中的R1、R2、R3和R4，点击OK；显示面，UtilityMenu>Plot>Area，即可看到所选择的区域。
B．创建组件：
UtilityMenu>Select>Comp/Assembly>CreateComponent…，弹出对话框（图4-33），按框选部分设定，点击OK，即创建一个以ROCK命名的组件；
图4-33创建组件的设置
C．选择所有面：
UtilityMenu>Select>Everything；然后显示所有面：
UtilityMenu>Plot>Areas；
D．按A中的方法选择衬砌区的面Area（图4-33）；并按B中的方法定义衬砌组Lining；
图4-33选择的衬砌区的面并创建Lining组件
E．按C、D中的方法确定开挖组件Kaiwa，图4-34。
图4-34选择的开挖区的面并创建Kaiwa组件
查看已创建的组件可以通过以下方式进行：
UtilityMenu>Select>ComponentManager…，弹出对话框（图4-35），即可看到已定义的3个组件。
图4-35已创建的组件
2．直接生成面
以上是通过面的下级元素（点和线）来逐步生成面，ANSYS中提供了直接创建面的方法。
具体做法为：
Preprocessor>Modelling>Create>Area>Rectangle（四边形面）>ByDimension，弹出对话框（图4-36），输入相应的尺寸，创建的面与通过上述方法创建的面完全一样。
图4-36直接生成面
下面的步骤同上面方法一致。
点击
或
进行保存。
2.2.3网格划分
建立了经过优化的实体模型后，即可进行平面网格的划分。
1．指定面的属性
在开始划分网格前，必须对面的属性（单元形式和材料号）进行指定，换句话说，在进行网格划分前，材料和单元类型必须已经定义/存在。
在本问题中，隧洞开挖前，所有的面均属于岩石材料（即材料1），因此，指定所有面的属性均为Plane42单元，材料号为1。
具体做法为：
点击Meshing>MeshAttributes>Allareas…，弹出对话框（图4-37），按框选部分的选择进行设定（材料号1，单元类型Plane42），点击OK，即完成了面的属性指定。
图4-37面属性的指定
2．网格划分密度的指定
尽管可以进行自由划分，但获得的网格很难满足用户的要求，因此对于面域，可以通过指定线的划分密度（长度或数目）来对面域进行映射划分Mapped（对于3边形映射划分，三条边的数目要相同，且最好为偶数；4边形时，对边的划分数目必须相等）。
具体做法为：
A．显示所有的线：
UtilityMenu>Plot>Lines
B．指定衬砌及开挖区内线的划分密度
点击Meshing>MeshingTool，弹出对话框（图4-38），选择Lines>Set，弹出线选择对话框（图4-39），选择衬砌的内外圈（共8条线）以及开挖区4根线，点击OK，弹出线划分密度设定对话框（图4-40）。
线密度的设定可以通过设定长度或数目来进行，这里选择数目，本模型中设定为10，点击OK。
图4-38线密度划分对话框图4-39选择要设定的线
图4-40线密度的指定图4-41衬砌厚度线（圆圈部分）
衬砌厚度的确定也按上述方法，选择4条厚度方向的线，设定数目为2。
图4-42过渡线
C．过渡线的设定
对图4-42中A、B、C、D四条线而言，由于我们关注隧洞周边，因此，网格密度要大一些，即网格以隧洞为圆心，朝外侧网格逐渐过渡，增大。
具体做法为：
按B中的方法，选择这4条线，按图4-43进行设定，点击OK，完成设定。
需要注意的是，由于线的方向的原因，过渡系数可能为小数，也可能为整数，操作时可先试设定，若刚好相反，则取原过渡系数的倒数，如试取5，不合适的话，则取1/5。
图4-43过渡线数目的设定
需要说明的是，映射划分一般针对3边形或4边形（平面情况），若为5边形，则需要另外的映射方法，可按下面的规则进行设定，即把5边形的其中两边假象为一条边，则“变为”四边形，则按四边形划分规则进行设定（也就是说，假象为“一条边”的两条线的划分数目和要等于这两条线对应的一条边的划分数目，另外两边数目也要相等）。
图4-44所有线的划分数目汇总
3．网格划分
在设定所有线的划分密度后，即可进行网格划分，划分分两种情况（先显示为面）：
A．对于3边形或四边形
点击Meshing>MeshingTool，弹出对话框（图4-45），按图中框选进行设定，点击Mesh后，弹出面选择框（图4-46），选择开挖区和衬砌区（3边形或四边形）的面后，点击OK，工作面显示为图4-47。
图4-45划分工具图4-46面选择框图4-47已划分的网格
A．对于5边形
选择显示面UtilityMenu>Plot>Area。
点击Meshing>MeshingTool，弹出对话框（图4-48），按图中框选进行设定，点击Mesh后，弹出面选择框（图4-49），选择且只能选择其中一个面（5边形），点击OK，再选择5边形的其中4个角点（图4-50，由于假象两条线为“一条线”，因此，选择时不再选择这两条线之间的交点），即可完成5边形面的划分，图4-51。
图4-48划分工具图4-49面选择框
图4-50选择点的顺序图4-51已划分的网格
按照上面方法划分其余3个5边形面的划分，点击UtilityMenu>Plot>Elements，显示划分后的网格如图4-52。
图4-52划分后的网格
点击
或
进行保存。
点击File>Saveas，在弹出的对话框中，将文件另存为Tunnel-mesh.db（用于后面的计算）。
在完成有限元网格的划分后，即完成了有限元的建模，可以进行求解。
通过下面进入求解模块。
Mainmenu>Solution。
2.2.4边界条件和初始条件
1．边界条件
对于水工隧洞的计算区域而言，所选的区域一般进行位移边界约束，即左右为水平X法向约束，底部为铅直Y法向约束。
ANSYS的做法为：
DefineLoads>Apply>Structural>Displacement>OnNodes（施加在节点上），弹出节点选择对话框，选择Box窗选方式，选择左右边界的节点（图4-54），点击OK，弹出对话框（图4-55），选择X方向约束，点击OK，
图4-53节点选择框图4-54被选择的节点
图4-55指定约束方向UX图4-56被约束的左右边界
同样，窗选底部节点，指定UY约束，完成底部边界条件设定。
图4-57指定约束方向UY图4-58被约束的底部边界
2．初始条件
初始条件包括初始应力状态，本问题中主要是自重应力情况，即要设定重力加速度。
DefineLoads>Apply>Structural>Inertia>Gravity>Global，弹出对话框，在铅直Y方向输入9.8，点击OK，完成重力加速度的设定。
图4-59重力加速度的设定
点击
或
进行保存。
2.3水工隧洞施工过程模拟
在本问题，隧洞的施工模拟包括三个过程，即初始应力状态（荷载步1）→毛洞开挖（荷载步2）→毛洞支护（荷载步3）。
本节中按这三个步骤进行计算模拟。
（保证你处于Solution求解模式状态）
由于在下面的分析中涉及到单元的生（开挖）或死（激活，如开挖回填、施作衬砌等），因此必须打开N－R模式，具体做法为：
AnalysisType>AnalysisOptions（分析选项）（有时在点击AnalysisType后，不能发现AnalysisOptions，此时可点击Solution>UnabridgedMenu，即可显示出来），弹出对话框（图4-60），选择FullN-R选项，点击OK即完成设置。
图4-60FullN-R的设置
2.3.1初始状态模拟
初始状态是指研究对象所在的地质区域未受人工扰动（开挖、支护等人类活动）之前就已客观存在的状态，包括自重应力场和构造应力场，其中以自重应力场为主。
初始状态的求解过程为：
A．设定初始状态分析的荷载步Loadstep=1，具体做法为：
点击AnalysisType>Sol’Controls，弹出对话框（图4-61），按图中框选设定，点击OK，完成荷载步设置；
图4-61荷载步的设置
B．求解，Solve>CurrentLs，点击OK，开始求解，当出现下列界面时，证明求解成功，点击Close，完成求解。
图4-62
经过上面过程，即完成了初始状态的计算。
点击
或
进行保存。
2.3.2毛洞开挖工况模拟
毛洞成洞过程实际包括两个部分，即衬砌部分和开挖后不回填部分，在本步中，衬砌和开挖区都会被挖去，在ANSYS程序中成为“杀死Kill”。
具体过程为（显示界面为单元）：
A．设定初始状态分析的荷载步Loadstep=2，具体做法为：
点击AnalysisType>Sol’Controls，弹出对话框（图4-63），按图中框选设定，点击OK，完成荷载步设置；
图4-63第2荷载步的设置
B．根据前面4.2.2中创建的三个组件，选择要开挖的衬砌区和开挖区单元。
●点击UltilityMenu>Select>ComponentManager，弹出下面对话框，先在下面的列表中选择Kaiwa和Lining两个组件，再点击上面的
按钮后，关闭该对话框。
图4-64
●显示选择的面UltilityMenu>Plot>Areas。
然后选择附着于所选面的单元。
UltilityMenu>Select>Entities…，在弹出的对话框中，按下图设定后，点击OK，选择显示单元UltilityMenu>Plot>Element，如下图（图4-64），即为本步中要开挖的单元。
图4-64选择要开挖的单元
C．在命令行中输入Ekill,all，杀死/开挖所选的单元。
D．选择全部元素：
UtilitiesMenu>Select>everthing；并显示右键>Replot；
E．进行毛洞开挖求解Solve>CurrentLs，点击OK，开始求解，当出现下列界面时，证明求解成功，点击Close，完成求解。
图4-65求解成功
显示为单元UtilitiesMenu>Plot>Elements，点击
或
进行保存。
2.3.3毛洞支护工况模拟
毛洞稳定到一定状态后，即可进行衬砌施作，形成隧洞主体结构，有限元对此过程的模拟过程为（显示为单元UtilitiesMenu>Plot>Elements）：
A．指定荷载步Loadstep＝3；
点击AnalysisType>Sol’Controls，弹出对话框（图4-66），按图中框选设定，点击OK，完成荷载步设置；
图4-66第3荷载步的设置
B．选择先前设定的衬砌区域/面Lining及相应附着在面上的单元；
●点击UltilityMenu>Select>ComponentManager，弹出下面对话框
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