土木工程专业ANSYS初学者经典例题

1、ansys郁沅牖弱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大学2009 2010年度上学期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41 建立有限元模型51.1 定义工作文件和工作标题 51.2 定义单元类型、实常数和材料 51.3 建立几何模型72 网格划分103 加载与初始地应力模拟113.1 设置分析类型113.2 施加边界条件123.3 施加上部面压力： 13-3.4 施加重力加速度： 14-3.5 设置加载步骤： 14-3.6 求解初始地应力： 15-3.7 保存分析结果： 16,4 浏览初始地应力的计算结果（后处理） 1

2、64.1 显示变形形状： 164.2 查看节点结果等值线图： 175 开挖巷道求解215.1 杀死巷道对应的单元： 215.2 输入加载步文件： 215.3 查看杀死巷道单元后的受力情况： 215.4 求解开挖后的有限元模型： 226 浏览查看开挖后的计算结果（后处理） 226.1 显示变形形状： 226.2 查看节点结果等值线图： 237 应力集中分析288 总结体会29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/m 3)弹性模量Gpa泊松比内摩擦角凝聚力Mpa

3、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。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

4、 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。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 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 MenuFileCh

5、ange 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(1)选择分析模块：执行 Main MenuPreferences ,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 MenuPreprocessorElement TypeAdd/Edit/Delete 命令，弹出 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

6、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“PlaneStrain ”选项(即平面应变模式)，再单击OK,最后单击单元类型中的 PreprocessorMaterial PropsMaterial Models命令，在弹出的窗口中双击Material Model Available列表框中的“ StructuralLinearElasticIsotropic选项，弓M出VLinearIsotropic Material Prorerties for Material Number 1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Mater

7、ial Model Available 列表中的Density，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：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 o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= p gh=2800*10

8、*50=1.400000Pa。如图 3 所示。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。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 MainMenuPreprocessorModelingCreateKeypointsInActive 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(-

9、14,-20,0),KP17(21,58,0),KP18(-14,58,0)。(3) 创 建 直 线： 执 行 MainMenu Preprocessor ModelingCreateLines Lines StraightLine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 MainMenu Preprocessor Modeling CreateAreas ArbitraryByLines ,创建三个叠加起来的面积。(5) 面积叠加的布尔运算：执行 MainMenuPreprocessor Modeling Operate BooleansO

10、verlapAreas命令，将三个面积进行布尔叠加计算，得到三个独立的面积。(6)压缩全部编号：执行 Main MenuPreprocessorNumberingCtrlsCompress Numbers 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。1 -T 1图6完整的几何模型2网格划分(1)设置单元尺寸大小：执行 Main MenuPreprocessorMeshingSizeCntrls ManualSizeLayersPicked 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

11、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 MainMenu 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3.1 设置分析类型(1)设置求解控制：执行 Main MenuSolution.Analysis typeSolution cont

12、rols 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 MenuSolution.Analysis typeAnalysisoption 命令，弹出 SolutionDefine LoadsApplyStructuralDisplacementOn 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Apply U,Rot on Lines对话框。选择UX，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（ApplyU,Rot on Lines对话框。选择AllDof，并在“Val

13、ue ”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 MenuPreprocessorLoadsDefine LoadsApply StructuralDisplacementOn Keypoints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B,并在“Value”中赋值0。最后单击Ok。3.3 施加上部面压力:执行MainMenuSolutionDefineLoads Apply Structural Press

14、ureOn 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:MainMenuSolutionDefineLoadsApply 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:执行 Main MenuPreprocessorLoadsLoad Step OptsWrite LS File命令，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:LS命令，出现

15、一个执行 Main MenuSolutionSolveCurrent 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A-Z-L-K-1TNFORRFGRACEL图13初始地应力受力模型3.6 保存分析结果:执行Utility Menu FileSave as命令，弹出对话框，输入“xiangdaokaiwamodle ，保存数据库文件。4浏览初始地应力的计算结果（后处理）4.1 显示变形形状：执行 Main MenuGeneral PostprocPlot ResultsDeformed Shape命令，弹出如图所示的 对话框，单击OK,出现 结果如图14

16、所示图14变形对话框D二 5FLA 二 EKDTI3TEP-1STJB -17二至二1a父=上时君T图15位移等值线ANOCT 24 Z叫9 13:05:44注：最大位移（即最大沉降量）为 0.085697m4.2 查看节点结果等值线图:执行 Main MenuGeneralPostprocPlotResults ContourPlotNodal 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。耳3g ,5010ICNAN图16 X方向的位移分量等值线-rja97-.O7175场KAL 2CL3T3GNSUB 7 lIXE-L tl3回3J& = . C5f

17、i9r7 5MN vCB5fic，7图17 Y方向的位移分量等值线ANnodal soLcrriotr图18位移矢量和等值线TODAL SOLUTIONriEPT三工IIME=1X(AVGR5X5=OCMK =. 065697SMN =-r167E+07SMK =-6?jM3tMXANOCT 24 20C913；09：LZ.LnE*O?-.KSE-O?工第7*.lOlEO?4了廿。白*t-a13CE*C：7-131E*D7liJE*QT*800 03*CTS-C3S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NOOlL scluttonSTED-1SUB -1TTME-lS

18、Y(AVG)RSYS-G罩仅=.3ZS6幻SMX -14307ANOCT 24 2g9 13;1D;23 ISIE-I：-xl44*Q7图20 Y方向的应力分量等值线-17H = Q:3ANOCT 24 200913tl14图21主应力等值线5开挖巷道求解5.1 杀死巷道对应的单元：执 行 Main MenuPreprocessorLoadsLoadStepOptsOtherBirth & DeathKill Elements命令，弹出 PreprocessorLoadsLoad Step OptsRead 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

19、道单元后的受力情况：Utility menuselectentities 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。Select Enti. .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:命令，进行第二次计算执行 Main MenuSolutionSolveCurrent LS求解完成后保存。6浏览查看开挖后的计算结果（后处理

20、）6.1 显示变形形状：执行 Main MenuGeneral PostprocPlot ResultsDeformed 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。DTSFLAE?General PostprocPlot ResultsContourPlotNodal 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。u.11m3l 1 二,xt Li L TllChi 11s- kt L uis t m ia R*i A-k .i -It H*;J iJf U c?邕坦，J“4，hrriw_rr omAJE Vh5T.3

21、 f *wa Ilk *1t “ fS AT *!. 图 f Crili lr I G rigE3 .HhUE3II?) VI - H-n H vl 曰dh、LB) .卜鼬* *湄.卜 l3 I nr Fl v 4空工3 f J|Frv4: i, vua国M Cli.ub IE fe ,Sliwp EjHhi A-iiJlik口二 3:ST9HKt 工* jsapSSTifcwM。口就L I.+=13ODAL SCUTI TOW图25节点求解数据等值线图ANEMt94X.。事2W4- . 口口“3 一 0CS552OCT J4 2C0L4H4 ：。福) 小2n电。=,。巾1口，7一.00，口1

22、-口*刍*3rs -fr-/国.W 二-_ 3H7F.； J Su s 1. U：!= ;注:图26 X方向的位移分量等值线X方向的最大位移为0.005565m,发生在左右两帮上,逐渐向两侧递减，成左右对称分布。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AN0CT 74 工口U：a:2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。心CRL SOIUTIDN5TEF-2TQEY3Y (ATS)Fl5Y5=r似=金皖3元尧H .7131-07-7X3E+-3?&BE-C7-3

23、SBE+-3?-.*07-BZSEB17- 3+0iw- 477EHT-31*07-alE77”EfOZAL SC LLTLM图29 Y方向的应力分量等值线ANCCT 21 2DC9_ 1： _ ： 1 -图30主应力一方向应力等值线N02AL SeL-JIlC：T三注-2三二三=2一士 =EPTOS iA73i”:3=:DEX =. C3C374SKT? =- . GD1254 sex =.cis6BAN&CT 24 20C914:.0C15=图31 X方向的应变等值线I-TTOEAL 30LOT I MT1-L 403染*Z4 t4tO9302374 3C343E-O3二.a 0之右 q

24、电一：？，.0m-.002231图32 Y方向的应变等值线STEP=2SUE =2一工ME=EM0M RYS=3 DMX ；SME： =-. 1SMX =.S*7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 0.085697m ,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0.092374m ,则开挖引起的沉降为0.006677m 。巷道开挖引起

25、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11.5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0.005565m,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