矿业软件与应用 Ansys考试试题精选之
ANSYS隧道结构受力实例分析
学 院： 资源与安全工程学院 指导老师： xxx 姓 名： xxx 学 号： xxxxxxxx 时 间： 2019年6月19日
ANSYS隧道结构受力实例分析
案例:
某隧道工程为三心拱隧道，隧道位于地表以下10米处，洞直径10米，其具体尺寸见下图。根据工程地质勘探报告，岩土各参数为：密度为2700kg/m3，E=1.4×1010Pa，u=0.27，黏聚力c=2.72×106Pa，内摩擦角Φ=35°。地面上主要为交通荷载，根据估计每米有2.5吨的荷载直接作用于地基上。
计算要求如下：
（1）交通载荷已经存在。
（2）计算结果报告中包括约束条件、荷载；位移、Y方向应力等值线图，塑性区等结果。进行力学特性分析。
（3）提供建模、计算过程地GUI命令。
操作过程
一、创建物理环境
⒈ 在“开始”菜单中选取“所有程序>ANSYS Product launcher”并点击； ⒉ 选中File Management，在Working Directory栏输入工作目录“C:\\Users\\dell \\xxx”，在“Job Name”栏输入文件名“xxxxxxxxxx”。
⒊ 单击“RUN”按钮，进入ANSYS的GUI操作界面。
⒋ 过滤图形界面：Main Menu>Preferences,弹出Preferences for GUI Filtering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，如图1-1。
图1-1
⒌ 定义工作标题：Utility Menu>File>Change Title，在弹出的对话框中输入0204110112，单OK按钮，如图1-2。
图1-2
⒍ 定义单元类型 1）定义
PLANE82
单元：Main Menu>Preprocessor>Element
Type>Add/Edit/Delete，弹出一个单元类型对话框，单击Add按钮。弹出如图
1-3所示对话框。在该对话框左边滚动栏中选择“Solid”，在右边的滚动栏中选择Quad 8node82单元。然后单击OK。
图1-3
2）设定PLANE82单元选项:Main Menu > Preprocessor > Element Type > Add/Edit/Delete，弹出一个单元类型对话框，选中Type2 PLANE82，单击Option按钮，弹出一个PLANE82element Type options对话框，如图1-4所示。在Element behavior K3栏后面的下拉菜单中选取Plane strain，其他栏后面的下拉菜单采用ANSYS默认设置就可以，单击OK按钮。
图1-4
①通过设置PLANE82单元选项K3为Plain strain来设定本实例分析采取平面应变模型进行分析。因为巷道是纵向很长的实体，故计算模型可以简化为平面应变问题。
②8借点PLANE82单元每个节点有UX和UY两个自由度，比4节点PLANE42单元具有更高的精确性，对不规则网格适应性更强。
7.定义材料属性
1）定义巷道围岩1材料属性：Main > Preprocessor > Material
Props >Material Model，弹出Define Material Model Behavior对话框，如图
1-5所示。
图1-5
在图1-6中右边栏中连续单击Structural>Linear>Elastic>Isotropic后,又弹出如图1-7-2所示Linear Isotropic Properties for Material Number 1对话框，在该对话框中EX后面输入1.4e10,在PRXY后面的输入栏中输入0.27，单击OK按钮。再在选中Density并单击，弹出如图1-7-2对话框，，在DENS后面的输入栏中输入巷道土体材料的密度2700，单击OK按钮。
图1-6 线弹性材料模型对话框 图1-6材料面密度输入对话框 图1-7中右边栏中连续单击Structural>Nonlinear>ineslastic>Non-metal Plasticity后。在Cohesion栏输入2.72e5，在Fric Angle栏输入35。
图1-7-a定义材料本构模型对话框
图1-7-b定义材料本构模型对话框
二、建立模型和划分网络
1）创建隧道各个代表关键点：Main Menu> Preprocessor> Modeling> Create>Keypoints>In Active CS，弹出“Creat Keypoints in Active Coordinate System”对话框，如图2-1所示。在对话框中以此输入关键点的号码，X,Y,Z的坐标值，然后点击APPLY，再输入下一个关键点的号码和坐标，直到所有的关键点全部输入后点击OK，关键点坐标依次为（0,5）、（-5,0）、（-5,-10）、（5,-10）、（5,0）（-50,15）、（-50,-60）、（50,-60）、（50,15）。
图2-1 在当前坐标系创建关键点对话框
2）创建隧道模型：Main Menu>Preprocessor>Modeling>Create>Lines>In Active Coord，弹出如图2-2所示的对话框。依次连接关键点，如图2-3所示。
Main Menu>Preprocessor>Modeling>Create>Lines>Arcs>By End KPs & Rad，
弹出如图2-4所示的对话框。在对话框栏中输入关键点“2，5”，单击“Apply”。在对话框栏中输入关键点“1”，弹出“Arc By End KPs & Rad ”对话框。在“RAD Radius of the arc”栏后面输入弧线半径“5”，单击“Apply”按钮，这样就创建了弧线1。最后单击“OK”按钮，生成隧道模型，如图2-5所示。
图2-2定义直线两端点对话框 图2-3 画直线
图2-4 定义弧线两端点对话框 图2-5 巷道模型 首先通过lines
由
mainmenu>preprocessor>modeling>create>areas>arbitrary>by 线
生
成
2
个
面
，
然
后
通
过
mainmenu>
preprocessor>modeling>operate>Booleans>divide>areas by areas 将2个面通过布尔运算的图2-6和图2-7
图2-6、2-7隧道模型
4）划分网格：Main Menu>Preprocessor>Meshing>Mesh Tool，在弹出的Mesh Tool 中可以定义要划分面的类型。划分网格时要设置网格划分份数：在工具栏中Size Control栏，用鼠标单击lines后面的Set弹出一个选择对话框用鼠标选择L1、L3,弹出一个Element Sizes on Picked Lines对话框，在No of element division栏后面输入40，单击Apply按钮，再选择L2和L4、L5和L7、L6、L8，分别输入35、10、5、10，单击OK。在网格划分工具栏中单击Mesh按钮，弹出一个拾取面积对话框，拾取大面积区域,单击OK按钮，生成隧道单元网格；然后将隧道结构模型重新生成，用相同的操作步骤再次划分网格，结果如图2-8所示。
如图2-8 模型网格
三、施加约束和荷载
对大矩形底边施加Y方向约束：Main Menu>Solution> Define Loads> Apply>Structural>Displacement>On line用鼠标选取底边，单击OK按钮。弹出ApplyU,ROT on Nodes对话框，在DOF to be
constrained栏后面选取UY，单击OK按钮，如图3-1所示：
图3-1
同理，对大矩形左右两边施加X方向约束。
施加载荷：mainmenu>Solution>Define Loads>Apply> Structural> Pressure> online，拾取大矩形顶部中间的线段，弹出所图所示对话框，在PREV value中输入经计算好的荷载25000，如图3-2所示：
图3-2
单击OK按钮，荷载施加完成，如图3-3所示：
图3-3
MainMenu >Solution >Define >Loads >Apply >Structural >Inertia>Gravity>Global，在弹出的对话框，如图3-4所示。在Y方向中输入9.8，完成重力的加载。
如图3-4 隧道顶部荷载和重力
四、求解运算
1）求解设置
指定求解类型：Main Menu>Solution>Analysis Type>New Analysis，弹出一个如图4-1-a所示对话框，在Type of analysis栏后面选中Static，单击OK按钮。
Main Menu>Solution>Analysis Type>Sol’n Controls,在basic中选择大变形分析类型，如图
4-1-b
所示，单击
OK
按钮
图4-1-a
如图4-1-b 求解类型
2）求解
Main Menu>Solution>Solve>Current LS，弹出一个求解选项信息和一个当前求解载荷对话框，检查无误后，单击OK，开始是求解运算，直到出现一个Solution is done的提示栏，表示求解结束。
如图4-2求解过程
计算时ANSYS会显示计算收敛的曲线，如图4-3所示，计算完成后会弹出Solution is done!信息。如果计算不收敛，ANSYS会给出错误信息，以便用户查找原因并改正。
图4-3求解结果
五、对计算结果进行分析
1）单元生死控制：通过在ANSYS主菜单Solution->Load Step Opts->Other->Birth & Death->Kill Elments，点击隧道单元即可实现杀死命令。在下列操作步骤后都完成后，通过控制生死单元可以得到另一组类似的结构，并将显示在每个分析步骤中未杀死前结果的下面，在下面的操作分析步骤中就不再
赘述。
2）绘制结构变形图：Main Menu >General Postprocessor >Plot
Results >Deformed shape，弹出一个“Plot Deformed Shape”的对话框，选中“Def+ undef edge”并单击“OK”，就得到隧道结构变形图，如图5-1所示。
图5-1 结构变形图
3）显示巷道位移云图：Main Menu> General Postproc>Plot Result>contour Plot>Nodal Solu，弹出一个Contour Nodal Solution Data 对话框，用鼠标依次单击Nodal Solution/DOF Solution/X-Compoment of displacement，再单击OK按钮，就得到X方向位移云图，重复操作，依次可获得Y方向和总位移云图，如下图所示。
图5-2 X方向位移云图
图5-3 Y方向位移云图
图5-4 总位移云图
4）绘制结构应力图：Menu>General Postprocessor>Plot Results>-Contour Plot- Nodel Solution，弹出一个Contour Nodal Solution Data 对话框，用
鼠标依次单击Nodal Solution/Stress/X-Compoment of stress，再单击OK按钮，就得到X方向位移云图，重复操作，依次可获得Y方向和XY面的应力云图，如下图所示。
图5-5 X方向应力云图
图5-6 Y方向应力云图
图5-7 XY面应力云图
5）绘制结构塑性区：Menu>General Postprocessor>Plot Results>-Contour Plot- Nodel Solution，弹出一个Contour Nodal Solution Data 对话框，用
鼠标依次单击Nodal Solution/Plastic strain/Equivalent plastic strain，再单击OK按钮，就得到结构塑性区，如图5-8所示。
图5-8 结构塑性区变形
6）绘制地面变形：Menu>General Postprocessor>Path Operations>Define Path>By Nodes,创建地面路径，Menu>General Postprocessor>Path
Operations>Mape Onto Path和Plot Path Item>On Graph,显示地面变形结果。
图2-9
六、力学特性分析
由应力分布云图可知，隧道顶板中点水平应力在周边附近一定范围内为拉应
力，越往围岩内部，拉应力逐渐减弱，然后又转化为压应力；隧道顶底板中点铅垂应力为零，越往围岩内部，应力越大；两帮中点水平应力为零，越往围岩内部，应力越大；两帮中点铅垂应力为零，越往围岩内部，应力逐渐减小。转角处产生较大的应力集中现象，不利于隧道的稳定。可以看出隧道顶板变形较大，对于隧道的稳定来说同样也是很不利的因素。
矿山软件与应用—ANSYS隧道结构受力实例分析报告
