土木工程专业ANSYS初学者经典例题

巷道开挖过程的有限元模型与力学分析 学 院 班 级 学 号 姓 名 指导老师XXX老师 XX高校 2009－2010年度上学期 书目 巷道开挖过程的有限元模型与力学分析3 有限元模型概述3 1建立有限元模型4 1.1 定义工作文件和工作标题4 1.2 定义单元类型、实常数和材料4 1.3 建立几何模型5 2网格划分7 3加载与初始地应力模拟8 3.1 设置分析类型8 3.2施加边界条件9 3.3 施加上部面压力10 3.4 施加重力加速度10 3.4 设置加载步骤10 3.5 求解初始地应力11 3.6 保存分析结果11 4阅读初始地应力的计算结果（后处理）12 4.1显示变形形态12 4.2查看节点结果等值线图12 5开挖巷道求解16 5.1杀死巷道对应的单元16 5.2输入加载步文件16 5.3查看杀死巷道单元后的受力状况16 5.4求解开挖后的有限元模型16 6阅读查看开挖后的计算结果（后处理）17 6.1显示变形形态17 6.2查看节点结果等值线图17 7应力集中分析22 8总结体会22 巷道开挖过程的有限元模型与力学分析 某半圆形拱巷道断面，参数见图，其所处地质条件为IV级围岩，上覆盖层厚度为100米后，各材料的力学参数见表。 表 物理力学指标参数表 名称 容重（kn/m3 弹性模量Gpa 泊松比 内摩擦角 凝合力 Mpa IV级围岩 28 1.6 0.32 33 0.35 要求利用单元的生死实现巷道开挖，分析应力的集中区域。 6.8m 50m 有限元模型概述 本题采纳ANSYS有限元分析软件模拟巷道开挖过程。由于地下巷道属于瘦长结构物，即巷道的横断面相对于纵向的长度来说很小，可且假定在围着荷载作用下，在其纵向没有位移，只有横向发生位移. 所以，巷道的力学分析可以采纳弹性力学理论中的平面应变模型进行，这是一个较困难的非线性力学问题。采纳ANSYS有限元分析软件对巷道开挖进行模拟时，应首先依据地质条件建立合适的地下有限元分析模型，由于巷道对整个地下空间来说是属于“小孔口问题”，巷道四周出现孔口应力集中，并且应力集中区域影响范围约大于1.5倍的孔口尺寸，因此建几何模型时要选择合适的尺寸，其次采纳PLANE42单元类型来分析平面应变问题。接下来设定单元尺寸大小划分网格。然后分步求解载荷，第一步求解初始地应力，其次步杀死巷道对应的单元后求解开挖后的载荷，最终分析巷道四周岩石的、位移、应力、应变的改变。 1 建立有限元模型 1.1 定义工作文件和工作标题 （1）启动ANSYS 程序. （2）定义工作文件名执行Utility Menu File Change Jobname 吩咐，在弹出的对话框中输入“xiangdaokaiwa”并选择YES复选框，单击OK按钮。 （3）定义工作标题执行Utility MenuFileChange Title吩咐，在弹出的对话框中输入“xiangdaokaiwamodel”单击OK。 1.2 定义单元类型、实常数和材料 （1）选择分析模块执行Main MenuPreferences，选择Stuctural复选框，单击OK。巷道开挖属于结构模块。 2选择单元类型执行Main MenuPreprocessorElement TypeAdd/Edit/Delete吩咐，弹出Element Type对话框，单击Add 按钮，弹出Library of Element对话框。选择”Structural solid”和“Quad 4node 42”选项，单击OK，在返回到Element Type对话框中单击option按钮，在弹出对话框中将单元力学模型的区K3设置成“Plane Strain”选项（即平面应变模式，再单击OK，最终单击单元类型中的Close按钮。如图1所示。 这里的单元模型没有几何参数，不须要设置实常数。 图1 设置平面应变模式 （3）设置材料属性执行Main Menu Preprocessor Material Props Material Models吩咐，在弹出的窗口中双击Material Model Available 列表框中的“Structural\Linear\Elastic\Isotropic”选项，弹出 Linear Isotropic Material Prorerties for Material Number 1对话框。在EX和PRXY文本框中分别输入“1.6E9”及“0.32”,单击OK，。然后双击Material Model Available列表中的Density,在弹出的对话框中的DENSY 文本框中输入“2800”，单击OK，最终退出。如图2所示 图2 设置弹性模量、泊松比及密度 1.3 建立几何模型 模型说明依据巷道开挖受影响的范围，模拟地层的横向边界距离巷道墙壁可定为两倍巷道宽度（6.8m）即14m，则地层宽度为34.8m,约为35m,巷道的顶拱为三心拱，拱高为1/4墙高即1.7m，整个巷道高度8.5m，巷道埋深为100m，巷道底下设两倍巷道高度即20m。考虑建模时简便，有限元模型的巷道顶部到模型边界为50m，模型上部再加50m的均布载荷，即pρgh2800*10*501.400000Pa。如图3所示。 6.8m 50m 8.5m 14m 20m 图3 模型简图 （1）创建三心拱巷道断面由于用ANSYS创建三心拱难度较大，为了便利高效，这里采纳AUTOCAD来创建三心拱巷道断面，并且用DXFTOANSYS软件将AUTOCAD输出的DXF文件转化为ANSYS能够读取的LGW文件。 将xiangdao.lgw文件导入ANSYS中得到图4。 图4 三心拱巷道断面图 （2）创建边界执行Main MenuPreprocessorModelingCreateKeypointsIn Active CS吩咐，弹出当前坐标创建关键点的对话框，名关键点分别是KP1521,-20,0,KP16-14,-20,0,KP1721,58,0,KP18-14,58,0。 （3）创建直线执行Main Menu Preprocessor ModelingCreateLines Lines Straight Line吩咐，将地层边界连接起来。如图5所示。 图5 几何模型 （4）创建地层面积执行Main Menu Preprocessor Modeling CreateAreas ArbitraryBy Line