水工隧洞施工及运行的ANSYS模拟

.水工隧洞施工及运行的ANSYS模拟4.1 数值模拟对象4.2 有限元建模4.2.1单元定义和材料定义4.2.2实体建模4.2.3网格划分4.2.4边界条件和初始条件4.3 水工隧洞施工过程模拟4.3.1初始状态模拟4.3.2毛洞开挖工况模拟4.3.3毛洞支护工况模拟4.3.4计算结果查看及处理4.4 水工隧洞运行期模拟4.4.1运行期内水压力的模拟4.4.2运行期外水压力的模拟水工隧洞施工及运行的ANSYS模拟由于ANSYS在水利工程中应用面广，可以广泛用于水利工程的各个专业领域中，包括水工隧洞、地下厂房、高边坡、重力坝、拱坝、截流堰等水工结构；水轮机组的动力分析；水文预测以及高速水力学等。基于对ANSYS基本操作的进一步熟悉，并建立对水工结构ANSYS分析的概念，本章以一个典型水工隧洞的开挖过程为例，简单介绍ANSYS在水利工程中的应用，并以此作为初学者的入门实例。2.1 数值模拟对象对于实际工程而言，对所要数值模拟对象的熟悉程度是进行有效的ANSYS建模和正确进行有限元分析的基础，熟悉的内容主要包括：研究对象地形地质条件（不同的地质分层、断层、节理、裂隙等）、地层及结构的物理力学参数（如果涉及到渗流分析或温度分析，则还需要水力学参数和热力学参数等）、纵横剖面、水文条件以及荷载条件等，以及工程的施工工法，工序安排等，从而为有限元的建模提供前提条件。需要注意的是，作为有限元数值模拟，只是对实际工程的高度近似，换句话说，不可能达到百分之百的相同。因此，对实际工程需要进行一定的简化，否则是无法、也不可能进行数值模拟的。图4-1 水工隧道的简单实例问题描述：以一个简单隧洞为例，隧洞内径6m，衬砌厚40cm，地层均质，隧洞进行全断面开挖，开挖后进行一次性衬砌支护。问题抽象：从描述中可以分析，分析为平面应变问题，问题中涉及两种材料（岩石和混凝土衬砌），研究区域根据一定的规则选取为100m100m（在后面的章节中进行介绍）矩形区域，工程分析过程分为3步，即初始状态毛洞开挖支护。2.2 有限元建模启动ANSYS Product Laucher，定义好工作目录和文件名称。建议不同的工程建立不同的工作目录，文件名称尽量取与工程名称相关且最好包含日期信息，以便日后对计算过程的回顾和再利用。如目录取为Shuigong，文件名取为Tunnel060824，如图4-2。然后运行Run（如目录不存在，则会弹出对话框提示，直接点击确定，则在相应位置新建，若已存在，则点击Browse去选取，文件名同样如此），进入ANSYS主操作界面。图4-2 工作目录和文件名的定义2.2.1 单元定义和材料定义1单元定义从前面分析中可以看出，本次分析为平面应变问题，单元形式为平面应变单元。则单元的定义过程如下：（1） 进入前处理状态Preprocessor（在完成网格划分前都不用退出前处理器）；（2） 点击Element TypeAdd/edit/delet，弹出Element Type对话框（图4-3）。图4-3 Element Type对话框图4-4 Element Type对话框（3） 点击增加单元按钮Add，弹出单元类型库对话框Library of Element Type（图4-4）。（4） 在左侧A框中选择Solid，对应在左侧B框中选择Quad 4node 42类型，即为平面四边形单元，单元编号默认为1，点击Ok退出，则在Element Type对话框中显示已定义的单元Plane42（图4-5）。图4-5 平面单元的选取 图4-6 已定义的平面单元Plane42（5） 平面应变的定义。一般来说，Plane42默认为平面应力单元，因此需要对其进行修改。点击图4-6中选项按钮Options，弹出对话框（图4-7），在A框K3的下拉菜单中选择Plane stain项，在B框K5项选择Integration pts，点击Ok确定，退出到图4-6状态。图4-7 平面应变的定义（6） 点击Close，完成单元定义。2材料定义从4.1中分析可知，整个分析中涉及到2种材料，即围岩体和衬砌混凝土（均假定为各向同性材料）。因此需在ANSYS中定义2种材料，定义过程如下：（1） 点击Material PropsMaterial Models，弹出材料模型行为定义框Define Material model behavior（图4-8），左侧列表中默认一种未定义参数的材料，这里定义为岩石材料，编号1。图4-8 材料模型行为定义框（2） 双击右侧框内的Structural（结构）Linear（线性）Elastic（弹性）Isotropic（各向同性），弹出对于材料1的线性各向同性材料性质的定义框（图4-9）。图4-9 材料性质定义（3） 在EX框（弹性模量）框中输入4e9（单位为Pa），Prxy（泊松比）框中输入0.25，点击OK确定，退回图4-8状态，则左侧框中出现线性各向同性性质项（图4-10）；图4-10 已定义的线性各向同性性质项（4） 点击图4-10右侧框中的密度项Density，弹出对话框密度定义对话框，输入2400。图4-11 密度的定义（5） （通过以上1-4步则定义了材料1线弹性分析所需的参数，图4-12）图4-12 已定义的材料1参数（6） 定义材料2（混凝土衬砌）的参数。在图4-12中点击材料MaterialNew model（新建材料），则左侧框中出现Material Model Number 2，重复（1）（4），定义材料2的参数为Ex=2e10，Prxy=0.167，Dens=2500。图4-13。图4-13 材料2（衬砌混凝土）参数的定义在图4-12中点击材料MaterialExit退出材料定义，点击或进行保存。通过以上步骤，则定义了所需的材料，若有更多材料，则重复以上步骤即可，需要注意的是，不同的分析（弹性分析，弹塑性分析，蠕变分析，动力分析）所需的参数是不同的。2.2.2 实体建模所谓实体建模，就是对通过创建点、线、面的方式，在ANSYS实际反映研究对象的体形特征，从而建立网格划分的基础。本实例的最终实体模型包括围岩区域、衬砌区域（开挖后要回填）、开挖区域（不回填，形成隧洞）三个区域，在实体上表现为面Area。建立面有两种方式，一是通过生成点生成线，再由线生成面，二是直接通过ANSYS工具生成面。1通过点、线生成面建模过程：（1）生成关键点点击ModellingCreateKeypointsIn Active Cs（通过输入坐标直接生成关键点），弹出对话框（图4-14）。其中第一行为关键点编号，不输则按顺序系统自动进行编号，第二行为三个方向坐标值，平面问题时则Z值不输。按上述方法依次创建点（-50,-50），（50,-50），（50,50）和（-50,50），完成四个关键点的创建，则工作面出现4个关键点（图4-15）。图4-14 关键点的创建图4-15 已创建的关键点（2）由点生成线点击ModellingCreateLinesLinesStraight Line（通过关键点创建直线）。弹出选点建线对话框Creat Straight Line（图4-16）。先连接关键点1和关键2。鼠标依次点击1点和2点，则生成线1（自动按顺序编号为1），按此方法，可以连接点2和3、3和4，4和1，依次生成线24（图4-17）。图4-16 创建直线对话框图4-17 创建直线（3）由线生成面点击ModelingCreateAreasArbitraryBy Lines（通过线创建面）。弹出Creat Area by Lines（图4-18）。依次点击线1、2、3、4，点击OK，则形成一个矩形面（图4-19）。 图4-18 创建直线对话框图4-19 创建面（4）创建隧洞及衬砌由于隧洞及衬砌为圆形/圆环形，可以通过ANSYS的工具直接创建，再通过布尔运算对圆进行操作，生成开挖区、衬砌及围岩区。具体操作如下：点击ModelingCreateAreasCircle（圆形）Solid Circle（实体圆），弹出实体圆面创建框（图4-20），图中的三个输入框中，WP X和WP Y为圆心位置（不输值时，默认圆心位置在整体坐标系的原点；若圆心位置不在整体坐标系原点，则需通过移动工作平面来实现圆心位置的确定）。这里，隧洞内径为6m，外径为6.4m。在图4-20对话框中的Radius中输入6，点击Apply，创建内圆；再输入6.4，点击OK，创建外圆。（点击鼠标右键，点击Replot，可以看到三个有重复区域的面，图4-21） 图4-20 创建实体圆对话框图4-21 创建的三个实体圆通过上面的操作，在工作面上存在3个面Area，但三个面存在重合，因此，必须对三个面进行布尔操作，形成相互独立但边界连接的三个区域，即围岩区、衬砌区和开挖区。点击ModelingOperateBooleansOverlapAreas（对面进行叠合操作），弹出对话框（图4-22）。选择对话框中的Pick All，对所有的面进行操作，从而形成三个区域。 图4-22 对面进行Overlap对话框图4-23 经过布尔操作的圆面（5）精细实体模型经过上面的操作，初步形成了实体模型，可以进行网格的自由划分，但这样获得的网格往往没有规律性，同时没有突出重点（比如在隧洞周边的网格需要密一些）等等。因此，可以对这些区域进行切割，划分为4个相同且对称的区域。具体做法是：在矩形区域的4个线/边中点创建4个关键点，连接成直线，然后用直线去切割3个面。ANSYS操作：A 显示所有的线：Utility MenuPlotLines；B 在线1的中点创建关键点：ModelingCreateKeypointsOn Line w/Ration，对话框（图4-24），选择要创建点的线，点击Apply，弹出对话框（图4-25），在Line ratio(0-1)中输入0.5（表示中点），Keypoint Number默认，点击OK，即在创建了线1上的中点（图4-25），按此方法，创建其他3条边线上的中点关键点。图4-24在线的中点创建关键点C 连接关键点13和15，14和16，形成2条直线（按图4-16图 4-17的方法创建）；D 显示所有的元素：Utility Menu PlotMulti-Plots；E 对3个面进行切割：点击ModellingOperateBooleansDivideArea by Line，弹出对话框Divide Area by Line（图4-25），点击Pick All，弹出对话框，再点击Pick All，完成对面域的划分。为了便于查看面，将面以颜色进行区分，做法为：Utility Menu Plot CtrlsNumbering，弹出对话框，对图4-26中三个框选的部分按图中进行选择，点击OK，即可显示面（图4-27）。 图4-25 切割面图4-26 以颜色显示面设置图4-27 以颜色显示的面通过以上操作，即完成了所有实体模型的创建。由于在上述操作过程中，可能存在一些重合的元素，必须对此进行处理。在ANSYS中的做法是：点击PreprocessorNumbering CtrlsMerge Items，弹出对话框，选择框中的All（图4-28），点击OK；点击PreprocessorNumbering CtrlsCompress Numbers，弹出对话框（图4-29），选择All，点击OK结束。图4-28 消除重合的点、线、面/体图4-29 压缩点、线、面的编号（从1开始且编号连续）同时，为了以后便于选择，可以通过ANSYS的工具创建面的组合，形成围岩组、衬砌组和开挖区组。ANSYS的做法为： 图4-30 选择面设置图4-31选择面图4-32 选择的围岩区域A 先只选择围岩区域：Utility MenuSelectEntities，弹出对话框（图4-30），按图中框选部分进行选择，点击OK；弹出对话框（图4-31），然后在工作区选择围岩区（图4-32）中的R1、R2、R3和R4，点击OK；显示面，Utility MenuPlotArea，即可看到所选择的区域。B 创建组件：Utility MenuSelectComp/AssemblyCreate Component，弹出对话框（图4-33），按框选部分设定，点击OK，即创建一个以ROCK命名的组件；图4-33 创建组件的设置C 选择所有面：Utility MenuSelectEverything；然后显示所有面：Utility MenuPlotAreas；D 按A中的方法选择衬砌区的面Area（图4-33）；并按B中的方法定义衬砌组Lining； 图4-33 选择的衬砌区的面并创建Lining组件E 按C、D中的方法确定开挖组件Kaiwa，图4-34。图4-34 选择的开挖区的面并创建Kaiwa组件查看已创建的组件可以通过以下方式进行：Utility MenuSelectComponent Manager，弹出对话框（图4-35），即可看到已定义的3个组件。图4-35 已创建的组件2直接生成面以上是通过面的下级元素（点和线）来逐步生成面，ANSYS中提供了直接创建面的方法。具体做法为：PreprocessorModellingCreateAreaRectangle（四边形面）By Dimension，弹出对话框（图4-36），输入相应的尺寸，创建的面与通过上述方法创建的面完全一样。图4-36 直接生成面下面的步骤同上面方法一致。点击或进行保存。2.2.3 网格划分建立了经过优化的实体模型后，即可进行平面网格的划分。1指定面的属性在开始划分网格前，必须对面的属性（单元形式和材料号）进行指定，换句话说，在进行网格划分前，材料和单元类型必须已经定义/存在。在本问题中，隧洞开挖前，所有的面均属于岩石材料（即材料1），因此，指定所有面的属性均为Plane42单元，材料号为1。具体做法为：点击MeshingMesh AttributesAll areas，弹出对话框（图4-37），按框选部分的选择进行设定（材料号1，单元类型Plane42），点击OK，即完成了面的属性指定。图4-37 面属性的指定2网格划分密度的指定尽管可以进行自由划分，但获得的网格很难满足用户的要求，因此对于面域，可以通过指定线的划分密度（长度或数目）来对面域进行映射划分Mapped（对于3边形映射划分，三条边的数目要相同，且最好为偶数；4边形时，对边的划分数目必须相等）。具体做法为：A显示所有的线：Utility MenuPlotLinesB指定衬砌及开挖区内线的划分密度点击MeshingMeshing Tool，弹出对话框（图4-38），选择LinesSet，弹出线选择对话框（图4-39），选择衬砌的内外圈（共8条线）以及开挖区4根线，点击OK，弹出线划分密度设定对话框（图4-40）。线密度的设定可以通过设定长度或数目来进行，这里选择数目，本模型中设定为10，点击OK。 图4-38 线密度划分对话框图4-39 选择要设定的线图4-40 线密度的指定图4-41 衬砌厚度线（圆圈部分）衬砌厚度的确定也按上述方法，选择4条厚度方向的线，设定数目为2。图4-42 过渡线C过渡线的设定对图4-42中A、B、C、D四条线而言，由于我们关注隧洞周边，因此，网格密度要大一些，即网格以隧洞为圆心，朝外侧网格逐渐过渡，增大。具体做法为：按B中的方法，选择这4条线，按图4-43进行设定，点击OK，完成设定。需要注意的是，由于线的方向的原因，过渡系数可能为小数，也可能为整数，操作时可先试设定，若刚好相反，则取原过渡系数的倒数，如试取5，不合适的话，则取1/5。图4-43 过渡线数目的设定需要说明的是，映射划分一般针对3边形或4边形（平面情况），若为5边形，则需要另外的映射方法，可按下面的规则进行设定，即把5边形的其中两边假象为一条边，则“变为”四边形，则按四边形划分规则进行设定（也就是说，假象为“一条边”的两条线的划分数目和要等于这两条线对应的一条边的划分数目，另外两边数目也要相等）。图4-44 所有线的划分数目汇总3网格划分在设定所有线的划分密度后，即可进行网格划分，划分分两种情况（先显示为面）：A对于3边形或四边形点击MeshingMeshing Tool，弹出对话框（图4-45），按图中框选进行设定，点击Mesh后，弹出面选择框（图4-46），选择开挖区和衬砌区（3边形或四边形）的面后，点击OK，工作面显示为图4-47。图4-45 划分工具图4-46 面选择框图4-47 已划分的网格A对于5边形选择显示面Utility MenuPlotArea。点击MeshingMeshing Tool，弹出对话框（图4-48），按图中框选进行设定，点击Mesh后，弹出面选择框（图4-49），选择且只能选择其中一个面（5边形），点击OK，再选择5边形的其中4个角点（图4-50，由于假象两条线为“一条线”，因此，选择时不再选择这两条线之间的交点），即可完成5边形面的划分，图4-51。图4-48 划分工具图4-49 面选择框 图4-50选择点的顺序图4-51 已划分的网格按照上面方法划分其余3个5边形面的划分，点击Utility MenuPlotElements，显示划分后的网格如图4-52。图4-52 划分后的网格点击或进行保存。点击FileSave as，在弹出的对话框中，将文件另存为Tunnel-mesh.db（用于后面的计算）。在完成有限元网格的划分后，即完成了有限元的建模，可以进行求解。通过下面进入求解模块。Main menuSolution。2.2.4 边界条件和初始条件1边界条件对于水工隧洞的计算区域而言，所选的区域一般进行位移边界约束，即左右为水平X法向约束，底部为铅直Y法向约束。ANSYS的做法为：Define LoadsApplyStructuralDisplacementOn Nodes（施加在节点上），弹出节点选择对话框，选择Box窗选方式，选择左右边界的节点（图4-54），点击OK，弹出对话框（图4-55），选择X方向约束，点击OK， 图4-53 节点选择框图4-54 被选择的节点 图4-55 指定约束方向UX图4-56 被约束的左右边界同样，窗选底部节点，指定UY约束，完成底部边界条件设定。 图4-57 指定约束方向UY图4-58 被约束的底部边界2初始条件初始条件包括初始应力状态，本问题中主要是自重应力情况，即要设定重力加速度。Define LoadsApplyStructuralInertiaGravityGlobal，弹出对话框，在铅直Y方向输入9.8，点击OK，完成重力加速度的设定。图4-59 重力加速度的设定点击或进行保存。2.3 水工隧洞施工过程模拟在本问题，隧洞的施工模拟包括三个过程，即初始应力状态（荷载步1）毛洞开挖（荷载步2）毛洞支护（荷载步3）。本节中按这三个步骤进行计算模拟。（保证你处于Solution求解模式状态）由于在下面的分析中涉及到单元的生（开挖）或死（激活，如开挖回填、施作衬砌等），因此必须打开NR模式，具体做法为：Analysis Type Analysis Options（分析选项）（有时在点击Analysis Type后，不能发现Analysis Options，此时可点击SolutionUnabridged Menu，即可显示出来），弹出对话框（图4-60），选择Full N-R选项，点击OK即完成设置。图4-60 Full N-R的设置2.3.1 初始状态模拟初始状态是指研究对象所在的地质区域未受人工扰动（开挖、支护等人类活动）之前就已客观存在的状态，包括自重应力场和构造应力场，其中以自重应力场为主。初始状态的求解过程为：A设定初始状态分析的荷载步Loadstep=1，具体做法为：点击Analysis TypeSolControls，弹出对话框（图4-61），按图中框选设定，点击OK，完成荷载步设置；图4-61 荷载步的设置B求解，SolveCurrent Ls，点击OK，开始求解，当出现下列界面时，证明求解成功，点击Close，完成求解。图4-62经过上面过程，即完成了初始状态的计算。点击或进行保存。2.3.2 毛洞开挖工况模拟毛洞成洞过程实际包括两个部分，即衬砌部分和开挖后不回填部分，在本步中，衬砌和开挖区都会被挖去，在ANSYS程序中成为“杀死Kill”。具体过程为（显示界面为单元）：A设定初始状态分析的荷载步Loadstep=2，具体做法为：点击Analysis TypeSolControls，弹出对话框（图4-63），按图中框选设定，点击OK，完成荷载步设置；图4-63 第2荷载步的设置B根据前面4.2.2中创建的三个组件，选择要开挖的衬砌区和开挖区单元。l 点击Ultility MenuSelectComponent Manager，弹出下面对话框，先在下面的列表中选择Kaiwa和Lining两个组件，再点击上面的按钮后，关闭该对话框。图4-64l 显示选择的面Ultility MenuPlotAreas。然后选择附着于所选面的单元。Ultility MenuSelectEntities，在弹出的对话框中，按下图设定后，点击OK，选择显示单元Ultility MenuPlotElement，如下图(图4-64)，即为本步中要开挖的单元。图4-64 选择要开挖的单元C在命令行中输入Ekill,all，杀死/开挖所选的单元。D选择全部元素：Utilities MenuSelecteverthing；并显示右键Replot；E进行毛洞开挖求解SolveCurrent Ls，点击OK，开始求解，当出现下列界面时，证明求解成功，点击Close，完成求解。图4-65 求解成功显示为单元Utilities MenuPlotElements，点击或进行保存。2.3.3 毛洞支护工况模拟毛洞稳定到一定状态后，即可进行衬砌施作，形成隧洞主体结构，有限元对此过程的模拟过程为（显示为单元Utilities MenuPlotElements）：A指定荷载步Loadstep3；点击Analysis TypeSolControls，弹出对话框（图4-66），按图中框选设定，点击OK，完成荷载步设置；图4-66 第3荷载步的设置B选择先前设定的衬砌区域/面Lining及相应附着在面上的单元；l 点击Ultility MenuSelectComponent Manager，弹出下面对话框，先在下面的列表中选择Lining两个组件，再点击上面的按钮后，关闭该对话框。图4-64 选择衬砌区域l 显示选择的面Ultility MenuPlotArea。然后选择附着于所选面的单元。Ultility MenuSelectEntities，在弹出的对话框中，按下图设定后，点击OK，选择显示单元Ultility MenuPlotElement，如下图(图4-64)，即为本步中要开挖的单元。图4-64 选择要开挖的单元C激活所选的衬砌单元，在命令行输入Ealive,all，激活/施作衬砌区单元；4、由于原来的衬砌部分设定为岩石材料，因此需要改变衬砌单元材料属性为混凝土属性，具体为：选定衬砌单元，SolutionLoad step optsOtherChange mat propsChange mat num/弹出菜单，材料编号改为2：图4-67 衬砌材料性质的改变D选择全部元素：Utilities MenuSelecteverthing；并显示右键Replot；E进行衬砌支护后的求解SolveCurrent Ls，点击OK，开始求解，当出现下列界面时，证明求解成功，点击Close，完成求解。图4-68 求解成功显示为单元Utilities MenuPlotElements，点击或进行保存。2.3.4 计算结果查看及处理通过以上分析，对水工隧洞施工期围岩及衬砌结构的应力、变形规律进行了简单的数值模拟，下面就数值模拟的结果进行简单的查看与处理。首先通过以下过程进入通用后处理模块：Main MenuGeneral Postproc。所有的后处理操作都必须在后处理状态中。1计算结果的读取首先查看计算荷载步的情况：General PostProResults Summary，弹出对话框。图4-69 计算结果汇总图4-69 结果读取方式计算结果的读取可以通过多种方式，以By Pick为例：点击Read ResultsBy Pick，弹出菜单后，选择某荷载步，点击Read（读取）Close即可。图4-70 通过By Pick读取结果2计算结果的查看在读取某荷载步的结果后，就可以对某荷载步下的结果进行绘图或文本列表。计算结果分两种：节点解和单元解。节点解：Plot ResultsCoutour Plot（绘制等值线）Nodal Solu（节点解）List ResultsNodal Solution（列表结果）单元解：Plot ResultsCoutour Plot（绘制等值线）Element Solu（单元解）List ResultsElement Solution（列表结果）以荷载步2（毛洞开挖工况）的结果为例：（首先对开挖掉的单元不选择显示，先选择组件，然后选择附着在上面的单元，开挖掉的单元就不显示了）A绘制节点位移UY点击Plot ResultsCoutour PlotNodal Solu，弹出的对话框中，选择Dof SolutionY-Component of Displacement，并作相应设置后，绘出UY等值线图（如图4-71）。 图4-71 绘制UY位移分量等值线图同理可以绘制UX和合位移。B绘制节点应力向量点击Plot ResultsCoutour PlotNodal Solu，弹出的对话框中，选择StressY-Component of Stress，并作相应设置后，绘出SY等值线图（如图4-72），可看到两侧洞壁出现最大的竖直方向压应力。 图4-72 绘制SY位移分量等值线图同理可以绘制其它应力分量，包括第1主应力（1st Pricinpal Stress）和第3主应力（3st Pricinpal Stress）注意：ANSYS的应力大小与方向规定和材料力学规定相同，与我们工程上的规定刚好相反，也就是说ANSYS中第1主应力实际为工程上应用的最小主应力，第3主应力实际为工程上应用的最大主应力。若要绘制某些特定部位的计算结果，则只需选定关注区域的单元进行绘制即可。若要对比开挖前后的变形图，则在对话框中选择变形后图形同时显示变形前边界。 图4-73 绘制变形前后对比图3荷载工况组合在前面的分析中，隧洞的开挖经历了3个步骤，在每一步的分析中均包含了自重应力和自重位移，对于应力而言，我们不仅关注自重应力，同时关注开挖后的附加应力和二次应力；而对于位移，自重位移实际是不存在的（经过几百万年的稳定后，位移基本消失），因此对于开挖而言，我们更关注于附加位移，这就涉及到荷载工况之间的逻辑运算（加或减）的问题，也就是荷载工况组合。在本问题中，评价开挖引起的位移或应力时，就必须“减掉”自重位移或位移，即荷载步2要减去荷载步1；而在评价衬砌施作引起的附加应力或位移时，则必须减去开挖和自重引起的位移或应力，即荷载步3要减去荷载步2。荷载工况的定义和运算做法为：A定义荷载工况：General PostprocLoad CaseCreat Load Case，弹出对话框中，选择从结果文件Results Files创建荷载工况，图4-74 定义荷载步1为荷载工况1同理分别定义荷载步2为荷载工况2（图4-75），荷载步3为荷载工况3（图4-76）。图4-75 定义荷载步2为荷载工况2图4-76 定义荷载步3为荷载工况3当要分析开挖引起的附加位移和应力或其它参量时，则要减去初始状况的位移和应力，即用荷载工况2“减去”荷载工况1，做法为：A读取荷载工况2（图4-77）Load CaseRead Load Case，在弹出的对话框中，输入2，点击OK；图4-77 读取荷载工况B减去荷载工况1（图4-78）Load CaseSubtract，图4-78 减去荷载工况重新绘制UY方向的附加位移，则图形变为图4-79，隧洞顶部发生向下位移，而隧洞底部发生向上的回弹位移。附加的最大压应力变为图4-80，隧洞底部和顶部发生拉应力，两侧发生最大压应力。图4-79 附加竖直UY位移图4-80 附加最大主应力4路径操作对于实际工程而言，我们可能关注于应力或位移在某些区域或范围内的变化趋势，这就需要用到ANSYS的路径操作。以本问题为例，如果我们需要知道应力或围岩沿径向的变化趋势，则可按下面步骤进行操作：A定义路径General PostprocPath OperationsDefine PathBy nodes（通过节点定义），弹出节点选择对话框，依次选择路径上的节点（图4-81），点击OK，弹出对话框（图4-81），定义路径的名称为XX， 图4-81 路径的定义B映射数据到指定路径Path OperationsMap Onto Path，弹出对话框，指定需要映射的参量，如UX，UY，SX，SY，S1，S3等，如图4-82。图4-82 映射数据C绘制指定参量沿路径的变化曲线Path OperationsPlot Path ItemOn Graph，在弹出的对话框中，选择要绘制的变化曲线（可以多选，但最好位移和应力要分开），图4-82。图4-82 绘制位移沿路径XX的编号曲线图4-83 绘制主应力沿路径XX的编号曲线2.4 水工隧洞运行期模拟前面对水工隧洞施工期的开挖过程进行了简单的模拟，分析了开挖过程围岩及衬砌结构的应力应变规律。本节对水工隧洞在运行期，受内、外水压力作用下的衬砌变形及应力规律。2.4.1 运行期内水压力的模拟对于隧洞的内水压力，需要区别无压隧洞和有压隧道（图4-84）。因此，施加内水压力分为有压和无压两种情况，有限元模型采用与前面开挖支护后的隧洞，并进入求解状态Solution。 A有压隧洞B无压隧洞图4-84 无压和有压隧洞1有压隧洞有压隧洞情况下，作用与隧洞衬砌内表面的水压力可认为是常量，可以通过ANSYS施加Pressure命令，直接进行施加。A选定衬砌单元且选择附着于单元的节点由于衬砌材料号为2，因此通过如下方式进行选择。Utilities MenuSelectEnities，在弹出的对话框中，选择ElementBy AttributesMaterial Num，在Min,Max,Inc空白框中输入2，点击ApplyPlotOK。选择附着于衬砌单元上的节点。Utilities MenuSelectEnities，在弹出的对话框中，选择NodesAttached toElement，点击ApplyPlotOK。 图4-85 选择衬砌单元图4-86选择附着于衬砌单元的节点B选择所有衬砌内表面节点并施加水压力Solution Define LoadsApplyStructuralPressureOn nodes，在弹出的对话框中，采用圆形Circle选择方式（图4-87），选择所有的衬砌内表面节点，点击OK，在弹出的对话框中，输入内水压力1e6，点击OK完成水压力设定（图4-88）。 图4-87圆形选择方式图4-88 设定内水压力此时，施加的水压力表现为一条线，这里可以通过设置，将Pressure以箭头Arrow表示。Utilities MenuPlotCtlsSymbol，在弹出的对话框中，按图4-89进行设