隧道ansys计算程序算例荷载结构模式学习资料Word文档下载推荐.docx

1、凝聚力C（MPa）级围岩223001.50.32290.35C30钢筋混凝土25-300.2542.42表3-4 荷载计算表荷载种类围岩压力结构自重水压N/m3垂直匀布力N/m3水平匀布力N/m3值8022516045通过ANSYS添加200000根据铁路隧道设计规范，可计算出深埋隧道围岩的垂直匀布力和水平匀布力。对于竖向和水平的分布荷载，其等效节点力分别近似的取节点两相临单元水平或垂直投影长度的一般衬砌计算宽度这一面积范围内的分布荷载的总和。自重荷载通过ANSYS程序直接添加密度施加。隧道仰拱部受到的水压0.2MPa按照径向方向载置换为等效节点力,分解为水平竖直方向加载。3.3.3 GUI操

2、作方法3.3.3.1 创建物理环境1） 在【开始】菜单中依次选取【所有程序】/【ANSYS10.0】/【ANSYS Product Launcher】，得到“10.0ANSYS Product Launcher”对话框。2）选中【File Management】，在“Working Directory”栏输入工作目录“D:ansysexample301”，在“Job Name”栏输入文件名“Support”。3）单击“RUN”按钮，进入ANSYS10.0的GUI操作界面。4）过滤图形界面：Main Menu Preferences，弹出“Preferences for GUI Filterin

3、g”对话框，选中“Structural”来对后面的分析进行菜单及相应的图形界面过滤。5）定义工作标题：Utility Menu File Change Title，在弹出的对话框中输入“Tunnel Support Structural Analysis”，单击“OK”，如图3-4所示。图3-4 定义工作标题6）定义单元类型： Preprocessor Element Type Add/Edit/Delete，弹出“Element Types”单元类型对话框，如图3-5所示，单击“Add”按钮，弹出“Library of Element Types”单元类型库对话框，如图3-6所示。在该对话框

4、左面滚动栏中选择“Beam”，在右边的滚动栏中选择“2D-elastic 3”，单击“Apply”，定义了“Beam3”单元。再在左面滚动栏中选取“Combination”，右边的滚动栏中选择“Spring-damper 14”，如图3-7所示。然后单击“OK”按钮，这就定义了“Combin14”单元，最后单击图3-5单元类型对话框中的“Close”按钮。 图3-5 单元类型对话框3-6 定义Beam3单元对话框3-7 定义Combin14单元对话框7）定义材料属性： Material Props Material Models，弹出“Define Material Model Behavio

5、r”对话框，如图3-8所示。在右边的栏中连续双击“Structural Linear ElasticIsotropic”后，又弹出如图3-9所示“Linear Isotropic Properties for Material Number 1”对话框，在该对话框中“EX”后面的输入栏输入“3E10”，在“PRXY” 后面的输入栏输入“0.2”，单击“OK”。再在定义材料本构模型对话框 选中“Density”并双击，弹出如图3-10所示“Density for Material Number 1”对话框，在“DENS”后面的栏中输入隧道衬砌混凝土材料的密度“2500”，再单击“OK”按钮。图

6、3-8 定义材料本构模型对话框图 3-9 线弹性材料模型对话框 图 3-10材料密度输入对话框 最后单击“Material Exit”结束，得到结果如图3-11所示。图3-11 材料属性定义结果 8）定义实常数： Real Constants Add/Edit/Delete，弹出“Real Constants” 实常数对话框，如图3-12所示。单击“Add”按钮，弹出如图3-13所示的选择单元类型对话框，选中“Type 1 BEAM3”，单击“OK”按钮，弹出如图3-14所示“Real Constant for BEAM3”对话框，在对话框中分别输入隧道腰部和顶部衬砌支护结构BEAM3梁单元的

7、横截面积AREA“0.65”、惯性矩IZZ“0.022885417”、高度HEIGHT“0.65”。图3-12 实常数对话框 图3-13 选择单元类型对话框图3-14 定义隧道腰部和顶部BEAM3实常数1对话框图3-15 定义隧道仰拱BEAM3实常数2对话框然后单击“OK”按钮，然后在弹出的对话框中单击“Add”按钮，弹出如图3-13所示的选择单元类型对话框，选中“Type 1 BEAM3”，单击“OK”按钮，弹出如图3-15所示的对话框，在对话框中分别输入隧道腰部和顶部衬砌支护结构BEAM3梁单元的横截面积AREA“0.85”、惯性矩IZZ“0.051170833”、高度HEIGHT“0.8

8、5”。这是因为隧道衬砌支护仰拱和腰部及顶部的厚度不同，所以要建立2个BEAM2实常数。 然后单击“OK”按钮，在弹出的对话框中单击“Add”按钮，弹出如图3-13所示的选择单元类型对话框，选中“Type 2 Combin14”，单击“OK”按钮，弹出如图3-16所示“Real Constant Set Number 3 for COMBIN14”对话框，在“SPRING CONSTANT ”栏后面输入“30000000”，单击“OK”按钮，弹出如图3-17对话框，最后单击“Close”按钮图3-16 COMBIN14实常数后对话框图3-17 定义完实常数后对话框3.3.3.2 建立模型和划分网

9、格 1）创建隧道衬砌支护关键点： Modeling CreateKeypointsIn Active CS，弹出“Creae Keypoints in Active Cooedinate System”对话框，如图3-18所示。在“NPT keypoint number”栏后面输入“1”，在“X，Y，Z Location in active CS”栏后面输入“（0，0，0）”，单击“Apply”按钮，这样就创建了关键点1。再依次重复在“NPT keypoint number”栏后面输入“2、3、4、5、6、7”，在对应“X，Y，Z Location in active CS”栏后面输入“（0，

10、3.85，0）、（0.88，5.5，0）、（2.45，6.15，0）、（4.02，5.5，0）、（4.9，3.85，0）、（4.9，0，0），最后单击“OK”按钮，生成7个关键点，如图3-19所示。图3-18 在当前坐标系创建关键点对话框图3-19 隧道支护关键点 2）创建隧道衬砌支护线模型：PreprocessorModelingCreateLinesArcsBy End KPs & Rad，弹出如图3-20所示的对话框。在对话框栏中输入关键点“1，2”，单击“Apply”，弹出如图3-21所示对话框。在对话框栏中输入关键点“6”，弹出“Arc By End KPs & Rad ”对话框，如

11、图3-22所示。在“RAD Radius of the arc”栏后面输入弧线半径“8.13”，单击“Apply”按钮，这样就创建了弧线1。图3-20 定义弧线两端点对话框 图3-21 定义弧线曲率关键点对话框图3-22 画弧线对话框 重复以上操作步骤，分别把图3-22对话框栏中空栏依次输入“3.21，2，3，6”、“2.22，3，4，6”、“2.22，4，5，2”、“3.21，5，6，2”、 “8.13，6，7，2”、“6，7，1，4”，最后单击“OK”按钮，生成隧道衬砌支护线模型，如图3-23所示。图3-23 隧道衬砌支护线模型3）保存几何模型文件； Save as，弹出一个“Save D

12、atabase”对话框，在“Save Database to”下面输入栏中输入文件名“Support-geom.db”，单击“OK”。4）给线赋予特性： Meshing MeshTool，弹出“MeshTool”对话框，如图3-24所示。在“Element Attributes”后面的下拉式选择栏中选择“Lines”，按“Set”按钮，弹出一个“Lines Attributes”线拾取框，在图形界面上拾取编号为“L1、L2、L3、L4、L5、L6”的线，单击拾取框上的“OK”按钮，又弹出一个如图3-25所示的“Lines Attributes”对话框，在“Material number”后面的

13、下拉式选择栏中选取“1”，在“Real Constant set number ” 后面的下拉式选择栏中选取“1”，在“Element type number ” 后面的下拉式选择栏中选取“1 BEAM3”。单击“Apply”再次弹出线拾取框。用相同方法给线L7赋予特性，其他选项与“L1、L2、L3、L4、L5、L6”的线一样，只是在“Real Constant set number ” 后面的下拉式选择栏中选取“2”，单击“OK”按钮退出。图3-24 网格划分工具栏 图3-25 赋予线特性对话框5）控制线尺寸：在“MeshTool”对话框中的“Size controls”下面的选择栏中的“L

14、ines”右边单击“Set”，在弹出对话框中拾取线L1和L6，单击拾取框上的“OK”按钮，弹出“Element Sizes on All Selected Lines”对话框，如图3-26所示。在“No of element divisions ”栏后面输入“4”。再单击“Apply”按钮。用相同方法控制线L2、L3、L4、L5、L7的尺寸，只是线L2、L3、L4、L5在“No of element divisions ”栏后面输入“2”，线L7在“No of element divisions ”栏后面输入“8”。图3-26 线单元尺寸划分对话框 6）划分网格：在图3-24 网格划分工具栏中

15、单击“Mesh”按钮，弹出一个对话框，单击“Pick ALL”，生成24个梁单元，如图3-27所示。图3-27 隧道支护单元图 7）打开节点编号显示： PlotCtrls Numbering，弹出“Plot Numbering Controls”对话框，如图3-28所示。选中“Node Numbers” 选项，后面的文字由“off”变为“on”,单击“OK”关闭窗口。显示这些节点编号目的是为后面创建弹簧单元准备，这些节点是弹簧单元的一个节点。图3-28 显示节点编号对话框 8）创建弹簧单元：Piping ModelsDefine PipesSpring Support，弹出一个选择节点对话框，

16、选择节点1后，单击“OK”按钮，又弹出一个“Define Support Spring”对话框，如图3-29所示。 在图3-29对话框中，在“Node at spring location”栏后面输入弹簧节点位置编号“1”，在“Type of spring”后面的下拉选择栏中选择“Translation”，在“Spring constant”栏后面输入弹簧系数“300000000”，在“DX，DY，DZ Distance to ground pt”栏后面分别输入弹簧另一端点的坐标值“-0.97029572，-0.241921895，0”，因为是平面问题，DZ不用输入，默认是0。 单击“Appl

17、y”按钮（这时就生成了节点1的弹簧单元，编号为25），又弹出一个选择节点的对话框，和生成节点1位置弹簧方法一样生成其它节点的弹簧单元。只是在图3-29对话框中改变节点号和改变“DX，DY，DZ Distance to ground pt”栏中值：节点2对应“DX，DY”为“-0.97437006，0.22495105”，节点3对应“DX，DY”为“-0.98628560，-0.1604768”，节点4对应“DX，DY”为“-0.99996192，- 0.00872654”，节点5对应“DX，DY”为“-0.98901586，0.14780941”，节点6对应“DX，DY”为“-0.707106

18、78，0.70710678”，节点7对应“DX，DY”为“-0.88294757，0.469471561”，节点10对应“DX，DY”为“0.70710678，0.70710678”，节点13对应“0.88294757，0.469471561”，节点12对应“DX，DY”为“0.97437006，0.22495105”，节点15对应“DX，DY”为“0.98901586，0.14780941”，节点16对应“DX，DY”为“0.99996192，- 0.00872654”，节点17对应“DX，DY”为“0.98628560，-0.1604768”，节点14对应“DX，DY”为“0.970295

19、72，-0.241921895”，节点18对应“DX，DY”为“0.30901699，-0.95105651”，节点24对应“DX，DY”为“-0.30901699，-0.95105651”，节点19对应“DX，DY”为“0.20791169，-0.97814760”，节点23对应“DX，DY”为“-0.20791169，-0.97814760”，节点20对应“DX，DY”为“0.10452846，-0.99452189”，节点22对应“DX，DY”为“-0.10452846，-0.99452189”，节点21对应“DX，DY”为“0，-1”，再单击“OK”按钮就完成了弹簧单元的创建，得到添加

20、弹簧单元的单元网格图，如图3-30所示。图3-29 定义弹簧单元对话框 注意： 弹簧单元长度为1，实际上弹簧长度对计算结果没有影响。 隧道顶部范围（90度范围）为“脱离区”，故不需要添加弹簧单元。 “DX，DY”是生成弹簧的另一个端点的坐标值，它是在法线方向，根据在在CAD图形中角度来计算。 图3-30中一共添加了21个弹簧单元，如果有些弹簧单元根据计算结果显示是受拉的，必须去除，再进行重新计算。 用来模拟隧道结构与围岩间相互作用的COMBIN14弹簧单元（也叫地层弹簧），对其参数设置时，只需要输入弹性常数K，阻尼系数和非线性阻尼系数不用输入。图3-30 添加弹簧单元后的单元网格图3.3.3.

21、3 施加约束和荷载 1）给弹簧单元施加约束：SolutionDefine LoadsApplyStructuralDisplacementon Nodes，弹出在节点上施加位移约束对话框，用鼠标选取弹簧单元最外层节点共21个节点，单击“OK”按钮，弹出“Apply U,ROT on Nodes”对话框，如图3-31所示。图3-31 给节点施加位移约束对话框 在图3-31对话框中：在“DOFS to be constrained”栏后面中选取“UX，UY”，在“Apply as”栏后面的下拉菜单中选取“Constant value”，在“Displacement value”栏后面输入“0”值，

22、然后单击“OK”按钮就完成了对弹簧节点位移的约束。 2）施加重力加速度：InertiaGravity，弹出“Apply（Gravitational）Acceleration”对话框，如图3-23所示。只需在“Global Cartesian Y-comp”栏后面输入重力加速度值“9.8”就可以，单击“OK”按钮，就完成了重力加速度的施加。图3-32 施加重力加速度对话框注意：虽然在ANSYS中输入的重力加速度9.8后，其重力加速度方向显示向上，但ANSYS默认模型施加重力时，输入的重力加速度是9.8，不是-9.8。 3）对隧道衬砌支护施加围岩压力： Force/Moment on Nodes，

23、在弹出节点位置施加荷载对话框中，用鼠标选择隧道支护线上腰部和顶部所有节点，弹出“Apply F/M on Nodes”对话框，如图3-24所示。在“Direction of force/mom”栏后面下拉菜单中选取“FY”，在“Force/Moment”栏中输入围岩垂直匀布力“-80225”。图3-24 施加节点力对话框 单击“Apply”按钮，在弹出对话框后选择隧道支护线剩下的节点，在“Direction of force/mom”栏后面下拉菜单中选取“FY”，在“Force/Moment”栏中输入围岩垂直匀布力“80225”。再单击“Apply”按钮，又弹出一个节点位置施加荷载对话框，用鼠

24、标选择隧道衬砌支护线上的1、2、3、4、5、6、7、8、9、22、23、24共12个节点，又弹出如图3-24所示的对话框，在“Direction of force/mom”栏后面下拉菜单中选取“FX”，在“Force/Moment”栏中输入围岩水平匀布力“16045”。 再次单击“Apply”按钮，又弹出一个节点位置施加荷载对话框，用鼠标选择隧道衬砌支护线上剩下的12个节点，又弹出如图3-24所示的对话框，在“Direction of force/mom”栏后面下拉菜单中选取“FX”，在“Force/Moment”栏中输入围岩水平匀布力“-16045”。单击“OK“按钮，就完成了对隧道衬砌支护

25、施加围岩压力。图3-25 施加约束和荷载后隧道结构模型输入围岩垂直匀布力和水平匀布力应参考节点位置来考虑力的方向，切忌加错力的方向。 4）对隧道仰拱施加水压：on Nodes，在弹出节点位置施加荷载对话框中，用鼠标选择隧道仰拱节点18，弹出如图3-24所示的对话框，在“Direction of force/mom”栏后面下拉菜单中选取“FX”，在“Force/Moment”栏中输入水平水压力“-161803”。再次单击“Apply”按钮，又弹出一个对话框，选择节点18，又弹出图3-24的对话框，在“Direction of force/mom”栏后面下拉菜单中选取“FY”，在“Force/Mo

26、ment”栏中输入围岩水平匀布力“70381”，单击“OK”按钮，就完成了节点18的水压力的施加，同法对仰拱的其它节点施加水压，只是数值不同：节点19“FY=50101”、“FX=-182309”；节点20“FY=13093”、“FX=-198904”；节点21“FY=125960”、“FX=0；节点22“FY=13093”、“FX=198904”；节点23“FY=50101”、“FX=-182309”；节点24“FY=70381”、“FX=-161803”。最后得到施加约束和荷载后隧道衬砌支护结构模型图，如图3-25所示。 将作用在衬砌上的分布荷载置换为等效节点力。 对于竖向和水平的分布荷载

27、，其等效节点力分别近似的取节点两相临单元水平或垂直投影长度的一般衬砌计算宽度这一面积范围内的分布荷载的总和。 自重荷载通过ANSYS程序直接添加密度施加。 水压按照径向方向载置换为等效节点力，分解为水平和竖直方向加载。3.3.3.4 求解1）求解运算：SolveCurrent LS，弹出一个求解选项信息和一个当前求解载荷步对话框，如图3-36和图3-37所示，检查信息无错误后，单击“OK”，开始求解运算，直到出现一个“Solution is done”的提示栏，如图3-38所示，表示求解结束。图3-36 求解选项信息图3-37 当前求解载荷步对话框图3-38 求解结束提示栏3.3.3.5 后处

28、理（对计算结果进行分析） 1.计算分析修改模型1）查看隧道衬砌支护结构变形图：General PostprocPlot ResultsDeformed shape，弹出一个“Plot Deformed Shape”的对话框，如图3-39所示，选中“Def+undeformed”并单击“OK”，出现隧道衬砌支护结构变形图，如图3-40所示。图3-39 查看变形图对话框从图3-40的 初次分析隧道衬砌支护结构变形图中可以看出，弹簧33、34、35和36是受拉的，因为用来模拟隧道结构与围岩间相互作用的地层弹簧只能承受压力，所以这4根弹簧必须去掉，再重新计算，直到结构变形图中没有受拉弹簧为止。 2）删除受拉弹簧单元：DeleteElements，弹出一个删除单元选取对话框，选中弹簧单元33、34、35和36，然后单击“OK”按钮。再执行Main MenuNodes，弹出一个删除节点选取对话框，选取弹簧单元33、34、35和36最外端节点，再单击“OK”按钮。3）第2次求解：Current LS，弹出一个求解选项信息和一个当前求解载荷步对话框，接受默认设置，单击“OK”，开始求解运算，直到出现一个“Solution is done”的提示栏，表示求解结束。图3-40 初次分析计算隧道衬砌支护结构变形图 4）查看第2次分析计算结构变形图：Deformed