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巷道开挖过程的有限元模型与力学分析 学学 院 院 班班 级 级 学学 号 号 姓姓 名 名 指导老师 指导老师 XXX 老师老师 XX 大学 2009 2010 年度上学期 2 目录目录 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浏览初始地应力的计算结果 后处理 12 4 1 显示变形形状 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情况 16 5 4 求解开挖后的有限元模型 16 6浏览查看开挖后的计算结果 后处理 17 6 1 显示变形形状 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 3 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 泊松比内摩擦角凝聚力 Mpa IV 级围岩281 60 32330 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 本题采用 ANSYS 有限元分析软件模拟巷道开挖过程 由于地下巷道属于 细长结构物 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 以采用弹性力学理论中的平面应变模型进行 这是一个较复杂的非线性力学问 题 采用 ANSYS 有限元分析软件对巷道开挖进行模拟时 应首先根据地质条 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 巷道周围出现孔口应力集中 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 其次采用 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 第二步杀死巷道对应的单元后求解开挖后 的载荷 最后分析巷道周围岩石的 位移 应力 应变的变化 4 1 建立有限元模型建立有限元模型 1 1 定义工作文件和工作标题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 命令 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 命令 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 命令 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 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 最后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 不需要设置实常数 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 命令 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 最后退出 如图 2 所示 5 图 2 设置弹性模量 泊松比及密度 1 3 建立几何模型建立几何模型 模型说明 根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 gh 2800 10 50 1 Pa 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 为了方便高 效 这里采用 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 6 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 命令 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 命令 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 Lines 创建三个叠加起来的面积 5 面积叠加的布尔运算 执行 Main Menu Preprocessor Modeling Operate Booleans Overlap Areas 命令 将三个面积进行布尔叠加计算 得 7 到三个独立的面积 6 压缩全部编号 执行 Main Menu Preprocessor Numbering Ctrls Compress Numbers 命令 命令 弹出对话框中选择选项 得到编号压缩 的模型 如图 6 所示 图 6 完整的几何模型 2 网格划分网格划分 1 设置单元尺寸大小 执行 Main Menu Preprocessor Meshing Size Cntrls ManualSize Layers Picked Lines 选项 弹出以线来控制单元尺寸的对话框 选择要划分尺寸的线条 弹出对话框 在对应 线条划分数量的文本框中输入一个合适的数字 L1 线划分为 8 段 L9 线划分 为 15 段 L10 线划分为 20 段 划分尺寸时应在巷道周围划分相对较小的单元 使巷道内外的网格更加密集 计算更加精确 2 自由划分网格 执行 Main Menu Preprocessor Meshing Mesh Areas Free 命令 弹出一个拾取框 拾取面积 A1 A2 A3 单击 OK 完成自由网 格单元划分 如图 7 所示 8 图 7 自由网格划分 3 保存网格数据 单击 ANSYS TOOLBAL 中的按钮 3 加载与初始地应力模拟加载与初始地应力模拟 3 1 设置分析类型设置分析类型 1 设置求解控制 执行 Main Menu Solution Analysis type Solution controls 命令 弹出如图所示对话框 如图 8 设置求解控制 图 8 设置求解控制 2 设定求解方法 执行 Main Menu Solution Analysis type Analysis option 命令 弹出对话框 在 NROPT NEWTON RAPHSON OPTION 下拉列表中选择 FULL N P 选项 单击 OK 如图 9 所示 Newton Raphson 是一种求解非线性方程组的数值方法 简称 N R 法 9 要运用单元生死 就要设定全牛顿 拉普森选项 才能有较好的效果 图 9 在静态与稳态分析对话框中设定全牛顿 拉普森选项 3 2 施加边界条件施加边界条件 模型水平左右方向位移为零 底部为固定约束 垂直方向为自由滑动 上部 边界受垂直地压力作用 1 横向 X 方向约束和底部全约束 执行 Main Menu Solution Define Loads Apply Structural Displacement On Lines 命令 弹出一个拾取框 拾 取 L10 和 L12 单击 OK 弹出如图所示的对话框 选 择 并在 Value 中赋值 0 单击 Apply 再次拾取 L9 单击 OK 弹 出如图 10 所示的对话框 选择 并在 Value 中赋值 0 最后单击 Ok 图 10 横向 X 方向约束 2 关键点约束 执行 Main Menu Preprocessor Loads Define Loads Apply 10 Structural Displacement On Keypoints 命令 命令 弹出一个拾取框 拾取 K17 和 K18 单击 OK 弹出如图所示的对话框 选择 并在 Value 中赋值 0 单击 Apply 再次拾取 K15 和 K16 单击 OK 弹出对话框 选择 并在 Value 中赋值 0 最后单击 Ok 3 3 施加上部面压力 施加上部面压力 执行 Main Menu Solution Define Loads Apply Structural Pressure On Lines 命令 拾取上部边界线 L11 弹出如下对话框 输入压力 P 1 4E6Pa 图 10 对话框 3 4 施加重力加速度 施加重力加速度 执行 Main Menu Solution Define Loads Apply Structural Inertia Gravity Global 命令 弹出惯性力的输入对话框 以对应 Y 方向加速度文本框中输入 10 单击 OK 如图 11 所示 图 11 重力加速度设定 3 4 设置加载步骤 设置加载步骤 执行 Main Menu Preprocessor Loads Load Step Opts Write LS File 命令 11 弹出对话框 如图 12 所示 图 12 保存步载荷文件 3 5 求解初始地应力 求解初始地应力 执行 Main Menu Solution Solve Current LS 命令 出现一个提示框 单击 CLOSE 按钮 完成求解运算 计算加载数据后得到工作 面图形 如图 13 所示 图 13 初始地应力受力模型 3 6 保存分析结果 保存分析结果 执行 Utility Menu File Save as 命令 弹出对话框 输入 xiangdaokaiwamodle 保存数据库文件 12 4 浏览初始地应力的计算结果 后处理 浏览初始地应力的计算结果 后处理 4 1 显示变形形状 显示变形形状 执行 Main Menu General Postproc Plot Results Deformed Shape 命令 弹 出如图所示的对话框 单击 OK 出现结果如图 14 所示 图 14 变形对话框 图 15 位移等值线 注 最大位移 即最大沉降量 为 0 m 4 2 查看节点结果等值线图 查看节点结果等值线图 执行 Main Menu General Postproc Plot Results Contour Plot Nodal Solu 命 令 弹出如图所示窗口 可双击选择位移 应力 应变等选项弹出各种等值线 图 13 图 16 X 方向的位移分量等值线 图 17 Y 方向的位移分量等值线 14 图 18 位移矢量和等值线 图 19 X 方向的应力分量等值线 注 负值表示压应力 正值表示拉应力 15 图 20 Y 方向的应力分量等值线 图 21 主应力等值线 16 5 开挖巷道求解开挖巷道求解 5 1 杀死巷道对应的单元 杀死巷道对应的单元 执行 Main Menu Preprocessor Loads Load Step Opts Other Birth Death Kill Elements 命令 弹出命令 弹出对话框 拾取巷道单元后 单对话框 拾取巷道单元后 单 击击 OK 5 2 输入加载步文件 输入加载步文件 执行 Main Menu Preprocessor Loads Load Step Opts Read LS File 命令 在弹出的对话框中输入 2 输入第二步载文件 5 3 查看杀死巷道单元后的受力情况 查看杀死巷道单元后的受力情况 Utility menu select entities 命令 弹出对话框 设置成如图 22 所示 单击 OK 重新显示工作面得到如图 22 所示 因为 ANSYS 有限元分析不能在求解过程中创建新的单元 这里巷道所在单元 并不是不存在 而是单元的所有参数很小 如刚度 密度 都被乘了一个很小 的因子 所有会引起巷道周围应力重新分布 达到模拟巷道开挖的效果 图 22 选择对象对话框 图 23 开挖后受力模型 5 4 求解开挖后的有限元模型 求解开挖后的有限元模型 执行 Main Menu Solution Solve Current LS 命令 进行第二次计算 求解 完成后保存 17 6 浏览查看开挖后的计算结果 后处理 浏览查看开挖后的计算结果 后处理 6 1 显示变形形状 显示变形形状 执行 Main Menu General Postproc Plot Results Deformed Shape 命令 弹 出如图所示的对话框 单击 OK 出现结果如图 24 所示 图 24 开挖变形 注 最大位移为 0 m 则开挖引起的沉降为 0 m 6 2 查看节点结果等值线图 查看节点结果等值线图 执行 Main Menu General Postproc Plot Results Contour Plot Nodal Solu 命 令 弹出如图 25 所示窗口 可双击选择位移 应力 应变等选项弹出各种等 值线图 18 图 25 节点求解数据等值线图 图 26 X 方向的位移分量等值线 注 X 方向的最大位移为 0 m 发生在左右两帮上 逐渐向两侧递减 成左右对 称分布 19 图 27 Y 方向的位移分量等值线 注 Y 方向的最大位移与总位移相等 都发生在模型上部 巷道顶板与底板发 生较大的位移 图 28 X 方向的应力分量等值线 注 X 方向的最大应力发生在巷道的四个角落处 巷道四周都是应力集中区域 20 图 29 Y 方向的应力分量等值线 图 30 主应力 1 方向应力等值线 21 图 31 X 方向的应变等值线 22 图 32 Y 方向的应变等值线 7 应力集中分析应力集中分析 通过 ANSYS 有限元分析软件的单元生死技术对巷道开挖过程的进行全过 程分析 可以得到巷道的开挖引起围岩应力场的重新分布的各种数据 开挖之前 在重力场的作用下模型的最大位移 即最大沉降量 为 0 m 且发生在模型的上部边界 与实际完全相符 在实际工程中 巷道开挖之前都 已发生了沉降 地层应力处于静态稳定状态 第二次计算时模型的最大位移为 0 m 则开挖引起的沉降为 0 m 巷道开挖引起的围岩应力变化的情况以及受影响的围岩范围与开挖面的距 离直接相关 影响范围为 1 1 5 倍的巷道半径 巷道四周最大 逐渐向围岩内 部递减 X 方向的最大位移为 0 m 发生在左右两帮上 逐渐向两侧递减 成左 右对称分布 Y 方向的最大位移与总位移相等 位移大小都是从上往下递减 从图 27 Y 方向的位移分量等值线 中可以知道巷道顶板与底板发生较大的 位移 顶板有 0 05m 左右的沉降 底板有 0 02m 左右的拱起 巷道周围的围岩最大应力发生在巷道的四个角落处 尤其是在底板的两边应 力最为集中最大可达 7Mpa 的压力 巷道的两帮出现较大的拉力 部分可达 0 5Mpa 这此应力集中部位是最容易发生片帮和冒顶 8 总结体会总结体会 在 XXX 的指导下 通过一段时间对 ANSYS 有限元分析软件学习 我确 实对这个数值模拟软件有了一定的认识和掌握 能够进行基本的结构力学模拟 分析 对其建模求解分析过程有了较为初步的掌握 能够进行一般的结构工程 模拟分析 尤其是在土木结构方向的工程 如边坡工程 地下巷道和隧道开挖 坝堤稳定性分析 结构稳定性分析等等 之前也接触过数值分析软件如 FLAC3D 但学起来还是有很大的困难 再 加上 ANSYS 是英文版的 更是要克服语言上的障碍 因为有大量的新鲜单词 没有见过 原理不懂不要紧还要把界