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 Menu>File>Change 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 Menu>Preferences,选择复选框,单击OK。巷道开挖属于结构模块。 (2)选择单元类型:执行Main Menu>Preprocessor>Element Type>Add/Edit/Delete吩咐,弹出对话框,单击Add 按钮,弹出对话框。选择”Structural solid”和“Quad 4node 42”选项,单击OK,在返回到对话框中单击按钮,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 列表框中的“Structural\Linear\Elastic\Isotropic”选项,弹出 对话框。在和文本框中分别输入“1.6E9”及“0.32”,单击OK,。然后双击列表中的,在弹出的对话框中的 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p=ρgh=2800*10*50=1.400000Pa。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 Menu>Preprocessor>Modeling>Create>Keypoints>In 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KP15(21,-20,0),KP16(-14,-20,0),KP17(21,58,0),KP18(-14,58,0)。 (3)创建直线:执行Main Menu >Preprocessor >Modeling>Create>Lines >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 >Create>Areas >Arbitrary>By Line