隧道ansys计算程序算例荷载结构模式.docx

隧道ansys计算程序算例荷载结构模式.docx

《隧道ansys计算程序算例荷载结构模式.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《隧道ansys计算程序算例荷载结构模式.docx（42页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

隧道ansys计算程序算例荷载结构模式

选取新建铁路宜昌（宜）－万州（万）铁路线上的别岩槽隧道某断面，该断面设计单位采用的支护结构如图3-3所示。

为保证结构的安全性，采用了荷载—结构模型，利用ANSYS对其进行计算分析。

主要参数如下：

●隧道腰部和顶部衬砌厚度是65cm，隧道仰拱衬砌厚度为85cm。

●采用C30钢筋混凝土为衬砌材料。

●隧道围岩是Ⅳ级,洞跨是5.36米，深埋隧道。

●隧道仰拱下承受水压，水压0.2MPa。

图3-3隧道支护结构断面图

隧道围岩级别是Ⅳ级，其物理力学指标及衬砌材料C30钢筋混凝土的物理力学指标见表3-3所示。

表3-3物理力学指标

名称

容重

（

）

弹性抗力系数

K（MPz/m）

弹性模量

E（GPa）

泊松比

内摩擦角

（。

）

凝聚力

C（MPa）

Ⅳ级围岩

22

300

1.5

0.32

29

0.35

C30钢筋

混凝土

25

-

30

0.2

54

2.42

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

80225

16045

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。

3.3.3GUI操作方法

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】/【ANSYSProductLauncher】，得到“10.0ANSYSProductLauncher”对话框。

2）选中【FileManagement】，在“WorkingDirectory”栏输入工作目录“D:

\ansys\example301”，在“JobName”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：

MainMenu>Preferences，弹出“PreferencesforGUIFiltering”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：

UtilityMenu>File>ChangeTitle，在弹出的对话框中输入“TunnelSupportStructuralAnalysis”，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：

MainMenu>Preprocessor>ElementType>Add/Edit/Delete，弹出“ElementTypes”单元类型对话框，如图3-5所示，单击“Add”按钮，弹出“LibraryofElementTypes”单元类型库对话框，如图3-6所示。

在该对话框左面滚动栏中选择“Beam”，在右边的滚动栏中选择“2D-elastic3”，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-damper14”，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：

MainMenu>Preprocessor>MaterialProps>MaterialModels，弹出“DefineMaterialModelBehavior”对话框，如图3-8所示。

在右边的栏中连续双击“Structural>Linear>Elastic>Isotropic”后，又弹出如图3-9所示“LinearIsotropicPropertiesforMaterialNumber1”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“DensityforMaterialNumber1”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：

MainMenu>Preprocessor>RealConstants>Add/Edit/Delete，弹出“RealConstants”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“Type1BEAM3”，单击“OK”按钮，弹出如图3-14所示“RealConstantforBEAM3”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“0.65”、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“Type1BEAM3”，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“0.85”。

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“Type2Combin14”，单击“OK”按钮，弹出如图3-16所示“RealConstantSetNumber3forCOMBIN14”对话框，在“SPRINGCONSTANT”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3-16COMBIN14实常数后对话框

图3-17定义完实常数后对话框

3.3.3.2建立模型和划分网格

1）创建隧道衬砌支护关键点：

MainMenu>Preprocessor>Modeling>Create>Keypoints>InActiveCS，弹出“CreaeKeypointsinActiveCooedinateSystem”对话框，如图3-18所示。

在“NPTkeypointnumber”栏后面输入“1”，在“X，Y，ZLocationinactiveCS”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“NPTkeypointnumber”栏后面输入“2、3、4、5、6、7”，在对应“X，Y，ZLocationinactiveCS”栏后面输入“（0，3.85，0）、（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：

MainMenu>Preprocessor>Modeling>Create>Lines>Arcs>ByEndKPs&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“ArcByEndKPs&Rad”对话框，如图3-22所示。

在“RADRadiusofthearc”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；UtilityMenu>File>Saveas，弹出一个“SaveDatabase”对话框，在“SaveDatabaseto”下面输入栏中输入文件名“Support-geom.db”，单击“OK”。

4）给线赋予特性：

MainMenu>Preprocessor>Meshing>MeshTool，弹出“MeshTool”对话框，如图3-24所示。

在“ElementAttributes”后面的下拉式选择栏中选择“Lines”，按“Set”按钮，弹出一个“LinesAttributes”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“LinesAttributes”对话框，在“Materialnumber”后面的下拉式选择栏中选取“1”，在“RealConstantsetnumber”后面的下拉式选择栏中选取“1”，在“Elementtypenumber”后面的下拉式选择栏中选取“1BEAM3”。

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“RealConstantsetnumber”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“Sizecontrols”下面的选择栏中的“Lines”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“ElementSizesonAllSelectedLines”对话框，如图3-26所示。

在“Noofelementdivisions”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“Noofelementdivisions”栏后面输入“2”，线L7在“Noofelementdivisions”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网格划分工具栏中单击“Mesh”按钮，弹出一个对话框，单击“PickALL”，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：

UtilityMenu>PlotCtrls>Numbering，弹出“PlotNumberingControls”对话框，如图3-28所示。

选中“NodeNumbers”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：

MainMenu>Preprocessor>Modeling>Create>PipingModels>DefinePipes>SpringSupport，弹出一个选择节点对话框，选择节点1后，单击“OK”按钮，又弹出一个“DefineSupportSpring”对话框，如图3-29所示。

在图3-29对话框中，在“Nodeatspringlocation”栏后面输入弹簧节点位置编号“1”，在“Typeofspring”后面的下拉选择栏中选择“Translation”，在“Springconstant”栏后面输入弹簧系数“300000000”，在“DX，DY，DZDistancetogroundpt”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“Apply”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，DZDistancetogroundpt”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“-0.70710678，0.70710678”，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“0.97029572，-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：

Ø弹簧单元长度为1，实际上弹簧长度对计算结果没有影响。

Ø隧道顶部范围（90度范围）为“脱离区”，故不需要添加弹簧单元。

Ø“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。

Ø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。

Ø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

3.3.3.3施加约束和荷载

1）给弹簧单元施加约束：

MainMenu>Solution>DefineLoads>Apply>Structural>Displacement

>onNodes，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“ApplyU,ROTonNodes”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“DOFStobeconstrained”栏后面中选取“UX，UY”，在“Applyas”栏后面的下拉菜单中选取“Constantvalue”，在“Displacementvalue”栏后面输入“0”值，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：

MainMenu>Solution>DefineLoads>Apply>Structural>Inertia>Gravity，弹出“Apply（Gravitational）Acceleration”对话框，如图3-23所示。

只需在“GlobalCartesianY-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：

MainMenu>Solution>DefineLoads>Apply>Structural>Force/Moment>onNodes，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“ApplyF/MonNodes”对话框，如图3-24所示。

在“Directionofforce/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“Directionofforce/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“Directionofforce/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“Directionofforce/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：

MainMenu>Solution>DefineLoads>Apply>Structural>Force/Moment>onNodes，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“Directionofforce/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“Directionofforce/mom”栏后面下拉菜单中选取“FY”，在“Force/Moment”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，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：

MainMenu>Solution>Solve>CurrentLS，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“Solutionisdone”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：

MainMenu>GeneralPostproc>PlotResults>Deformedshape，弹出一个“PlotDeformedShape”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：

MainMenu>Preprocessor>Modeling>Delete>Elements，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MainMenu>Preprocessor>Modeling>Delete>Nodes，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：

MainMenu>Solution>Solve>CurrentLS，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“Solutionisdone”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：

MainMenu>GeneralPostproc>PlotResults>Deformedshape，弹出一个“PlotDeformedShape”的对话框，选中“Def+undeformed”并单击“O