第3章 ANSYS隧道工程中的應(yīng)用實(shí)例分析.doc

第3章 ANSYS隧道工程中的應(yīng)用實(shí)例分析第3章 ANSYS隧道工程中的應(yīng)用實(shí)例分析本章重點(diǎn)隧道工程概述 隧道施工ANSYS模擬的實(shí)現(xiàn) ANSYS隧道結(jié)構(gòu)實(shí)例分析 ANSYS隧道開(kāi)挖模擬實(shí)例分析本章典型效果圖3.1 隧道工程相關(guān)概念3.1.1 隧道工程設(shè)計(jì)模型 為達(dá)到各種不同的使用目的，在山體或地面下修建的建筑物，統(tǒng)稱為“地下工程”。在地下工程中，用以保持地下空間作為運(yùn)輸孔道，稱之為“隧道”。由于地層開(kāi)挖后容易變形、塌落或是有水涌入，所以在除了在極為穩(wěn)固地層中且沒(méi)有地下水的地方以外，大都要在坑道的周?chē)藿ㄖёo(hù)結(jié)構(gòu)，稱之為“襯砌”。隧道工程建筑物是埋于地層中的結(jié)構(gòu)物，它的受力和變形與圍巖密切相關(guān)，支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖作為一個(gè)統(tǒng)一的受力體系相互約束，共同作用。隧道工程所處的環(huán)境條件與地面工程是全然不同的，但長(zhǎng)期以來(lái)都沿用適應(yīng)地面的工程理論和方法來(lái)解決地下工程中所遇到的各類問(wèn)題，因而常常不能正確地闡明地下工程中出現(xiàn)的各種力學(xué)現(xiàn)象和過(guò)程，是地下工程長(zhǎng)期處于“經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)”和“經(jīng)驗(yàn)施工”的局面。這種局面與迅速發(fā)展的地下工程現(xiàn)實(shí)極不相稱，促使人們努力尋找新的理論和方法來(lái)解決地下工程遇到的各種問(wèn)題。地下工程的設(shè)計(jì)理論和方法經(jīng)歷了一個(gè)相當(dāng)長(zhǎng)的發(fā)展過(guò)程。在20世紀(jì)20年代以前，地下工程支護(hù)理論主要有古典的壓力理論和散體壓力理論，以磚、石頭材料作為襯砌，采用木支撐或竹支撐的分部開(kāi)挖方法進(jìn)行施工。此時(shí)，只是將襯砌作為受力結(jié)構(gòu)，圍巖是看作載荷作用在襯砌結(jié)構(gòu)上，這種設(shè)計(jì)理論過(guò)于保守，設(shè)計(jì)出的襯砌厚度偏大。20世紀(jì)50年代以來(lái)，巖石力學(xué)開(kāi)始成為一門(mén)獨(dú)立的學(xué)科，圍巖彈性、彈塑性和粘彈性解答逐步出現(xiàn)。土力學(xué)的發(fā)展促使松散地層圍巖穩(wěn)定和圍巖壓力理論的發(fā)展，而巖石力學(xué)的發(fā)展則促使圍巖壓力和地下工程支護(hù)結(jié)構(gòu)理論的進(jìn)一步的飛躍。同時(shí)，錨桿和噴射混凝土的作為初期支護(hù)得到廣泛應(yīng)用。這種柔性支護(hù)允許開(kāi)挖后的圍巖有一定的變形，使圍巖能夠發(fā)揮其穩(wěn)定性，從而可以大大地減小襯砌厚度。國(guó)際隧道學(xué)會(huì)認(rèn)為，目前采用的隧道設(shè)計(jì)模型主要有以下幾種：u 以工程類比為主的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法。u 以現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)為主的實(shí)用設(shè)計(jì)方法（如現(xiàn)場(chǎng)和實(shí)驗(yàn)室的巖土力學(xué)試驗(yàn)、以洞周?chē)鷾y(cè)量值為基礎(chǔ)的收斂約束法以及實(shí)驗(yàn)室模型試驗(yàn)等）。u 作用反作用設(shè)計(jì)模型，即目前隧道設(shè)計(jì)常用的載荷結(jié)構(gòu)模型，包括彈性地基梁、彈性地基圓環(huán)等。u 連續(xù)介質(zhì)模型，包括解析法（封閉解和近似解）和數(shù)值法（以FEM為主）。國(guó)際隧道學(xué)會(huì)于1978年成立了隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型研究小組，收集和匯總了各會(huì)員國(guó)目前采用的隧道工程設(shè)計(jì)模型，詳見(jiàn)表3-1。表3-1 隧道工程設(shè)計(jì)模型國(guó)家盾構(gòu)法NATM法礦山法明挖法 中國(guó)彈性地基圓環(huán)、經(jīng)驗(yàn)法初期支護(hù)：FEM、收斂 約束法 二次支護(hù)：彈性地基圓環(huán)初期支護(hù)：經(jīng)驗(yàn)法 二次支護(hù)：作用與發(fā)作用法大型洞室：FEM結(jié)構(gòu)力學(xué)彎距分配法澳大利亞彈性支撐全圓環(huán)法、Muir Wood法或假定隧道變形法初期支護(hù)：Proctor-White法二次支護(hù)：彈性支撐全圓環(huán)法、Muir Wood法或假定隧道變形法初期支護(hù)：Proctor-White法二次支護(hù)：彈性支撐全圓環(huán)法、Muir Wood法或假定隧道變形法結(jié)構(gòu)力學(xué)彎距分配法奧地利彈性地基圓環(huán)彈性地基圓環(huán)、FEM、收斂約束法經(jīng)驗(yàn)法彈性地基框架日本局部支撐彈性地基圓環(huán)局部支撐彈性地基圓環(huán)、經(jīng)驗(yàn)法加測(cè)試、FEM彈性地基框架、FEM、特征曲線法彈性地基框架、FEM德國(guó)埋深3D：全周支撐的彈性地基圓環(huán)或FEM埋深3D：全周支撐的彈性地基圓環(huán)或FEM全周支撐的彈性地基圓環(huán)或FEM彈性地基框架法國(guó)彈性地基圓環(huán)或FEMFEM、經(jīng)驗(yàn)法、作用與反作用法連續(xù)介質(zhì)模型、收斂-約束法、經(jīng)驗(yàn)法英國(guó)彈性地基圓環(huán)法、Muir Wood法收斂-約束法、經(jīng)驗(yàn)法FEM、收斂-約束法、經(jīng)驗(yàn)法矩形框架瑞士作用與反作用法FEM、收斂-約束法、經(jīng)驗(yàn)法美國(guó)彈性地基圓環(huán)彈性地基圓環(huán)、FEM、Proctor-White法、經(jīng)驗(yàn)法彈性地基連續(xù)框架比利時(shí)Schulze-Duddek法鋼架結(jié)構(gòu) 注：表中NATM指新奧法，是NEW AUSTRIA TUNNELING METHOD的簡(jiǎn)稱。 FEM指有限元法，是FINITE ELEMENT METHOD的簡(jiǎn)稱。 各種隧道設(shè)計(jì)模型各有其適合的場(chǎng)合，也各有自身的局限性。由于隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)受到各種復(fù)雜因素的影響，因此在世界各國(guó)隧道設(shè)計(jì)中，主要采用以工程類比為主的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法，特別是在支護(hù)結(jié)構(gòu)預(yù)設(shè)計(jì)中應(yīng)用最多。即使內(nèi)力分析采用比較嚴(yán)格的理論，其計(jì)算結(jié)果往往也需要用經(jīng)驗(yàn)類比加以判斷和補(bǔ)充。如常見(jiàn)公路或鐵路隧道，都是選取以工程類比為主的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法來(lái)進(jìn)行結(jié)構(gòu)參數(shù)的擬定，可見(jiàn)公路或鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范。但是，采用此法設(shè)計(jì)的隧道結(jié)構(gòu)是不安全的和不經(jīng)濟(jì)的。因?yàn)樵O(shè)計(jì)的隧道的地質(zhì)勘探不可能做到對(duì)每一段都進(jìn)行鉆探，因而會(huì)出現(xiàn)地質(zhì)條件錯(cuò)誤判斷現(xiàn)象，有可能實(shí)際圍巖類別比設(shè)計(jì)采用的要低，這樣按高類別圍巖設(shè)計(jì)出的隧道結(jié)構(gòu)是不安全的。相反，若實(shí)際圍巖類別比設(shè)計(jì)采用高，則采用的設(shè)計(jì)是不經(jīng)濟(jì)的。 隨著NATM的出現(xiàn)，以測(cè)試為主的實(shí)用設(shè)計(jì)法為現(xiàn)場(chǎng)人員所歡迎，因?yàn)樗芴峁┲庇X(jué)的材料，以更準(zhǔn)確地估計(jì)地層和地下結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全程度。其中應(yīng)用最多的是收斂約束法，其主要思想是：一邊施工，一邊進(jìn)行洞周?chē)繙y(cè)，隨著位移變化情況，來(lái)選用合適的隧道支護(hù)參數(shù)，這樣就可以按實(shí)際地質(zhì)條件來(lái)設(shè)計(jì)隧道支護(hù)，避免了工程類比既不安全又不經(jīng)濟(jì)的缺點(diǎn)。收斂約束法將支護(hù)和圍巖視為一體，作為共同承載的隧道結(jié)構(gòu)體系，通過(guò)調(diào)整支護(hù)來(lái)控制變形，從而最大限度地發(fā)揮了圍巖自身的承載能力。采用此模型，有些問(wèn)題可以使用解析法求解，但大部分問(wèn)題因數(shù)學(xué)上的困難必須依賴數(shù)值方法。 理論計(jì)算法可用于進(jìn)行無(wú)經(jīng)驗(yàn)可循的新型隧道工程設(shè)計(jì)，因此基于作用與反作用模型和連續(xù)介質(zhì)模型的計(jì)算理論成為一種特定的計(jì)算手段日益為人們重視。由于隧道工程所處環(huán)境的復(fù)雜性，以及各種隧道設(shè)計(jì)模型各有優(yōu)缺點(diǎn)，因此工程技術(shù)人員在設(shè)計(jì)隧道結(jié)構(gòu)時(shí)，往往需要同時(shí)進(jìn)行多種設(shè)計(jì)模型的比較，以作出既經(jīng)濟(jì)又安全的合理設(shè)計(jì)。 從各國(guó)地下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)踐看，目前隧道設(shè)計(jì)主要采用兩種模型。 第一種模型即為傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)力學(xué)模型。它是將支護(hù)結(jié)構(gòu)和圍巖分開(kāi)來(lái)考慮，支護(hù)結(jié)構(gòu)是承載主體，圍巖作為載荷的來(lái)源和支護(hù)結(jié)構(gòu)的彈性支撐，故又稱為荷載結(jié)構(gòu)模型。采用這種模型時(shí)，認(rèn)為隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖的相互作用是通過(guò)彈性支撐對(duì)結(jié)構(gòu)施加約束來(lái)體現(xiàn)的，而圍巖餓承載能力則在確定圍巖壓力與彈性支撐的約束能力時(shí)間接地考慮。圍巖承載能力越高，它給予支護(hù)結(jié)構(gòu)的壓力越小，彈性支撐的約束支護(hù)結(jié)構(gòu)變形的抗力越大。這種模型主要適用于圍巖因過(guò)分變形而發(fā)生松弛和崩塌，支護(hù)結(jié)構(gòu)主動(dòng)承擔(dān)圍巖“松動(dòng)”壓力情形。利用這種模型進(jìn)行隧道設(shè)計(jì)關(guān)鍵問(wèn)題是如何確定作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的主動(dòng)荷載，其中最重要的是圍巖松動(dòng)壓力和彈性支撐作用于支護(hù)結(jié)構(gòu)的彈性抗力。一旦解決了這兩個(gè)問(wèn)題，就可以運(yùn)用結(jié)構(gòu)力學(xué)方法求出朝靜定體系的內(nèi)力和位移。因?yàn)檫@種模型概念清晰，計(jì)算簡(jiǎn)便，便于被工程師接受，所以至今很通用，特別是在模筑襯砌。 屬于這種模型的計(jì)算方法有彈性連續(xù)框架（含拱形）法、假定抗力法和彈性地基梁（含曲梁和圓環(huán)）法等。當(dāng)軟弱地層對(duì)結(jié)構(gòu)變形的約束能力較差時(shí)（或襯砌與地層間的空隙回填、灌漿不密實(shí)時(shí)），隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算常用彈性連續(xù)框架法，反之，采用假定抗力法或彈性地基法。 第二種模型叫現(xiàn)代巖體力學(xué)模型。它將支護(hù)結(jié)構(gòu)和圍巖視為一體，作為共同承載的隧道結(jié)構(gòu)體系，故又稱為圍巖結(jié)構(gòu)共同作用模型。這種模型中，圍巖是直接的承載單元，支護(hù)結(jié)構(gòu)只是用來(lái)約束和限制圍巖的變形，這一點(diǎn)剛好與第一種模型相反。這種模型主要用于由于圍巖變形而引起的壓力，壓力值必須通過(guò)支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖共同作用而求得，這是反映當(dāng)前現(xiàn)代支護(hù)結(jié)構(gòu)原理的一種設(shè)計(jì)方法，需采用巖石力學(xué)方法進(jìn)行計(jì)算。應(yīng)當(dāng)指出，支護(hù)體系不僅是指襯砌與噴層等結(jié)構(gòu)物，而且還包括錨桿、鋼筋及鋼拱架等支護(hù)在內(nèi)。 圍巖結(jié)構(gòu)共同作用模型是目前隧道結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)中力求采用的或正在發(fā)展的模型，因?yàn)樗袭?dāng)前施工技術(shù)水平，采用快速和超強(qiáng)的支護(hù)技術(shù)可以限制圍巖的變形，從而阻止圍巖松動(dòng)壓力的產(chǎn)生。這種模型還可以考慮各種幾何形狀、圍巖特性和支護(hù)材料的非線性特性、開(kāi)挖面空間效應(yīng)所形成的三維狀態(tài)以及地質(zhì)中不連續(xù)面等。利用此模型進(jìn)行隧道設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問(wèn)題是，如何確定圍巖初始應(yīng)力場(chǎng)和表示材料非線性特性的各種參數(shù)及其變化情況。一旦這些問(wèn)題解決了，原則上任何場(chǎng)合都可用有限單元法求出圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力及位移狀態(tài)。 這種模型中只有一些特殊隧道可以用解析法或收斂約束法圖解，絕大部分隧道求解時(shí)因數(shù)學(xué)上的困難必須依賴數(shù)值方法，借助計(jì)算機(jī)來(lái)進(jìn)行分析求解。 3.1.2 隧道結(jié)構(gòu)的數(shù)值計(jì)算方法 通常，隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算需要考慮地層和支護(hù)結(jié)構(gòu)的共同作用，一般都是非線性的二維或三維問(wèn)題，并且計(jì)算還與開(kāi)挖方法、支護(hù)過(guò)程有關(guān)。對(duì)于這類復(fù)雜問(wèn)題，必須采用數(shù)值方法。目前用于隧道開(kāi)挖、支護(hù)過(guò)程的數(shù)值方法有：有限元法、邊界元法、有限元邊界元耦合法。 其中有限元法是一種發(fā)展最快的數(shù)值方法，已經(jīng)成為分析隧道及地下工程圍巖穩(wěn)定和支護(hù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算的有力工具。有限元法可以考慮巖土介質(zhì)的非均勻性、各向異性、非連續(xù)性以及幾何非線性等，適用于各種實(shí)際的邊界條件。但該法需要將整個(gè)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)離散化，進(jìn)行相應(yīng)的插值計(jì)算，導(dǎo)致數(shù)據(jù)量大，精度相對(duì)底。大型通用有限元軟件ANSYS就可用于隧道結(jié)構(gòu)的數(shù)值計(jì)算，還可以實(shí)現(xiàn)隧道開(kāi)挖與支護(hù)以及連續(xù)開(kāi)挖的模擬。 邊界元法在一定程度上改進(jìn)了有限元法精度，它的基本未知量只在所關(guān)心問(wèn)題的邊界上，如在隧道計(jì)算時(shí)，只要對(duì)分析對(duì)象的邊界作離散處理，而外圍的無(wú)限域則視為無(wú)邊界。但該法要求分析區(qū)域的幾何、物理必須是連續(xù)的。 有限元邊界元耦合法則使采用兩種方法的長(zhǎng)處，從而可取得良好的效果。如計(jì)算隧道結(jié)構(gòu)，對(duì)主要區(qū)域（隧道周?chē)鷧^(qū)域）采用 有限元法，對(duì)于隧道外部區(qū)域可按均質(zhì)、線彈性模擬，這樣計(jì)算出來(lái)的結(jié)果精度一般較高。3.1.3 隧道荷載 參照相關(guān)隧道設(shè)計(jì)規(guī)范，隧道設(shè)計(jì)主要考慮荷載包括永久荷載、可變荷載和偶然荷載，詳見(jiàn)表3-2。其中最重要的是圍巖的松動(dòng)壓力，支護(hù)結(jié)構(gòu)的自重可按預(yù)先擬定的結(jié)構(gòu)尺寸和材料重度計(jì)算確定。在含水地層中，靜水壓力可按最底水位考慮。在沒(méi)有仰拱結(jié)構(gòu)中，車(chē)輛荷載直接傳給地層。表3-2 隧道荷載荷載分類荷載名稱說(shuō)明永久荷載結(jié)構(gòu)自重恒載主要載荷結(jié)構(gòu)附加恒載圍巖壓力土壓力混凝土收縮和徐變的影響可變荷載車(chē)輛荷載活載車(chē)輛荷載引起的土壓力沖擊力公路活載附加荷載凍脹力灌漿力溫差應(yīng)力施工荷載偶然荷載落石沖擊力附加荷載地震力特殊荷載3.2 隧道施工過(guò)程ANSYS模擬的實(shí)現(xiàn)3.2.1 單元生死3.2.1.1 單元生死的定義 如果模型中加入或刪除材料，對(duì)應(yīng)模型中的單元就存在或消失，把這種單元的存在與消失的情形定義為單元生死。單元的生死選項(xiàng)就用于在這種情況下殺死或重新激活所選擇單元。單元生死功能主要用于開(kāi)挖分析（如煤礦開(kāi)挖和隧道開(kāi)挖等）、建筑物施工過(guò)程（如近海架橋過(guò)程）、順序組裝（如分層計(jì)算機(jī)的組裝）以及許多其他方面應(yīng)用（如用戶可以根據(jù)已知單元位置來(lái)方便地激活或殺死它們）。需要注意的是，ANSYS單元的生死功能只適用于ANSYS/Multiphysics，ANSYS/Mechanical和ANSYS/Structure產(chǎn)品。此外，并非所有ANSYS單元具有生死功能，具有此生死功能的單元見(jiàn)表3-1。表3-1 ANSYS中具有生死功能的單元LINK1BEAM24SHELL57PLANE83SURF152SOLID185PLANE2PLANE25PIPE59SOLID87SURF153SOLID186BEAM3MATRIX27PIPE60SOLID90SURF154SOLID187BEAM4LINK31SOLID62SOLID92SHELL157BEAM188SOLID5LINK32SHELL63SHELL93TARGE169BEAM189LINK8LINK33SOLID64SOLID95TARGE170SOLSH190LINK10LINK34SOLID65SOLID96CONTA171FOLLW201LINK11PLANE35PLANE67SOLID97CONTA172SHELL208PLANE13SHELL41LINK68SOLID98CONTA173SHELL209COMBIN14PLANE42SOLID69PLANE121CONTA174PLANE230PIPE16SHELL43SOLID70SOLID122CONTA175SOLID231PIPE17BEAM44MASS71SOLID123CONTA176SOLID232PIPE18SOLID45PLANE75SHELL131LINK180MASS21BEAM54PLANE78SHELL143PLANE182BEAM23PLANE55PLANE82SURF151PLANE183PIPE20PLANE53PLANE77SHELL132SHELL181 在一些情況下，單元生死狀態(tài)可以根據(jù)ANSYS計(jì)算所得數(shù)值來(lái)決定，如溫度值、應(yīng)力值等?？梢岳肊TABLE命令和ESEL命令來(lái)確定選擇單元的相關(guān)數(shù)據(jù)，也可以改變單元的狀態(tài)（如溶解、固結(jié)、破裂等）。這個(gè)特性對(duì)因相變引起的模型效應(yīng)（如焊接過(guò)程中，結(jié)構(gòu)上的可熔材料的固結(jié)狀態(tài)因焊接從不生效變成生效，從而使模型增加了原不生效部分）、失效面擴(kuò)展以及其他相關(guān)分析的單元變化是很有效的。3.2.1.2 單元生死的原理 要實(shí)現(xiàn)單元生死效果，ANSYS程序并不是將“殺死”的單元從模型中刪除，而是將其剛度（或傳導(dǎo)或其他分析特性）矩陣乘以一個(gè)很小的因子ESTIF。因子的默認(rèn)值為10E-6，也可以賦予其他數(shù)值。死單元的單元荷載將為0，從而不對(duì)荷載向量生效（但任然在單元荷載列表中出現(xiàn)）。同樣，死單元的質(zhì)量、阻尼、比熱和其他類似參數(shù)也設(shè)置為0。死單元的質(zhì)量和能量將不包括在模型求解結(jié)果中。一旦單元被殺死，單元應(yīng)變也就設(shè)為0。 同理，當(dāng)單元“出生”，并不是將其添加到模型中去，而是重新激活它們。用戶必須在前處理器PREP7中創(chuàng)建所有單元，包括后面將要被激活的單元。在求解階中不能生成新的單元，要添加“一個(gè)單元，必須先殺死它，然后在合適的荷載步中重新激活它。 當(dāng)一個(gè)單元被重新激活時(shí)，其剛度、質(zhì)量、單元荷載等將恢復(fù)其原始的數(shù)值。重新激活的單元沒(méi)有應(yīng)變記錄，也無(wú)熱量存儲(chǔ)。然而，初始應(yīng)變以實(shí)參數(shù)形式輸入（如LINK1單元）卻不受單元生死操作的影響。此外，除非打開(kāi)大變形選項(xiàng)（NLGEOM，ON），一些單元類型將恢復(fù)它們以前的幾何特性（大變形效果有時(shí)了用來(lái)得到合理的結(jié)果）。如果其承受熱量體荷載，單元在被激活后第一個(gè)求解過(guò)程中同樣可以有熱應(yīng)變。根據(jù)其當(dāng)前荷載步溫度和參考溫度計(jì)算剛被激活單元的熱應(yīng)變。因此，承受熱荷載的剛被激活單元是有應(yīng)力的。 3.2.1.3 單元生死的使用 用戶可以在大多數(shù)靜態(tài)和非線性瞬態(tài)分析中使用單元生死功能，其在各種分析操作中的基本過(guò)程是相同的。這個(gè)過(guò)程可包括以下3個(gè)步驟： 1. 建立模型 在前處理器PREP7中生成所有的單元，包括那些只有在以后荷載步中激活的單元。因?yàn)樵谇蠼馄髦胁荒苌尚聠卧?2. 施加荷載并求解 在求解器SOLUTION中執(zhí)行下列操作： （1）定義第一個(gè)荷載步 在第一個(gè)荷載步中，用戶必須選擇分析類型和所有的分析選項(xiàng)?？梢岳妹罨騁UI方法來(lái)指定分析類型： 命令方式：ANTYPE GUI方式：Main MenuSolutionAnalysis TypeNew Analysis 對(duì)于所有單元生死應(yīng)用，在第一個(gè)荷載步中應(yīng)設(shè)置，因?yàn)锳NSYS程序不能預(yù)知EKILL命令出現(xiàn)在后面的荷載步中。可以利用命令或GUI方法來(lái)完成此項(xiàng)設(shè)置： 命令方式：NLGEOM，ON GUI方式：Main MenuSolutionAnalysis Options 殺死所有要加入到后續(xù)荷載步中的單元，可以利用命令或GUI方法來(lái)殺死單元： 命令方式：EKILL GUI方式：Main MenuSolutionLoad Step OptsOtherBirth&DeathKill Elements 單元在第一個(gè)子步被殺死或激活，然后在整個(gè)荷載步中保持這種狀態(tài)。作為默認(rèn)剛度矩陣的縮減因子在一些情況下不能滿足要求，此時(shí)可以采用更嚴(yán)格的縮減因子。可以利用命令或GUI方法來(lái)完成此操作： 命令方式：ESTIF GUI方式：Main MenuSolutionLoad Step OptsOtherBirth&DeathStiffnessMult 不與任何激活單元相連的節(jié)點(diǎn)將“漂移”，或具有浮動(dòng)的自由度數(shù)值。在以下情況下，用戶可能要約束不被激活的自由度（D，CP等）以減少要求解的方程數(shù)目，并防止出現(xiàn)錯(cuò)誤條件。當(dāng)激活具有特定形狀（或溫度）的單元時(shí)，約束沒(méi)有激活的自由度顯得更為重要。因?yàn)樵谥匦录せ顔卧獣r(shí)要?jiǎng)h除這些人工約束，同時(shí)要?jiǎng)h除沒(méi)有激活自由度的節(jié)點(diǎn)荷載（也就是不與任何激活單元相連的節(jié)點(diǎn)0。同樣，重新激活的自由度上必須施加節(jié)點(diǎn)荷載。 定義第一個(gè)荷載步命令輸入示例如下： ！第一個(gè)荷載步 TIME， ！設(shè)定荷載步時(shí)間（靜態(tài)分析選項(xiàng)） NLGEOM，ON ！打開(kāi)大變形效果 NROPT，F(xiàn)ULL ！設(shè)定牛頓-拉夫森選項(xiàng) ESTIF， ！設(shè)定非默認(rèn)縮減因子 ESEL， ！選擇在本荷載步將被殺死的單元 EKILL， ！殺死所選擇的單元 ESEL，S，LIVE ！選擇所有活動(dòng)單元 NSEL，S ！選擇所有活動(dòng)節(jié)點(diǎn) NSEL，INVE ！選擇所有不活動(dòng)節(jié)點(diǎn)（不與活動(dòng)單元相連的節(jié)點(diǎn)） D，ALL，ALL，0 ！約束所有不活動(dòng)節(jié)的自由度 NSEL，ALL ！選擇所有節(jié)點(diǎn) ESEL，ALL ！選擇所有單元 D， ！施加合適約束 F， ！施加合適的活動(dòng)節(jié)點(diǎn)自由度荷載 SF， ！施加合適的單元荷載 BF， ！施加合適 的體荷載 SAVE SOLVE （2）定義后續(xù)荷載步 在后續(xù)荷載步中，用戶可以根據(jù)需要隨意殺死或激活單元。但必須要正確地施加和刪除約束和節(jié)點(diǎn)荷載。 用下列命令來(lái)殺死單元： 命令方式：EKILL GUI方式：Main MenuSolutionLoad Step OptsOtherBirth&DeathKill Elements 用下列命令來(lái)激活單元： 命令方式：ELIVEL GUI方式：Main MenuSolutionLoad Step OptsOtherBirth&DeathActive Elements !第二步或后續(xù)荷載步 TIME， ESEL， EKILL，. ！殺死所選擇的單元 ESEL，. EALIVE， ！重新激活所選擇單元 . FDELE， ！刪除不活動(dòng)自由度的節(jié)點(diǎn)荷載 D， !約束不活動(dòng)自由度 F， ！給活動(dòng)自由度施加合適的節(jié)點(diǎn)荷載 DDELE， ！刪除重新激活自由度上的約束 SAVE SOLVE 3. 查看結(jié)果 在大多數(shù)情況下，用戶對(duì)包含生死單元進(jìn)行后處理分析時(shí)因該按照標(biāo)準(zhǔn)步驟來(lái)進(jìn)行操作。必須清楚的是，盡管對(duì)剛度（傳導(dǎo)等）矩陣的貢獻(xiàn)可以忽略，但殺死的單元仍然在模型中。因此，它們將包括在單元顯示、輸出列表等操作中。例如，由于節(jié)點(diǎn)結(jié)果平均時(shí)包含死單元，因此會(huì)“污染”結(jié)果?？梢院雎哉麄€(gè)死單元的輸出，因?yàn)楹芏囗?xiàng)帶來(lái)的效果很小。建議在單元顯示和其它后處理操作前用選擇功能將死單元選出來(lái)。3.2.1.4 單元生死的控制 1. 利用ANSYS結(jié)果控制單元生死 在許多時(shí)候，用戶不能清楚知道要?dú)⑺篮图せ顔卧拇_切位置。如，在熱分析中要?dú)⑺廊廴诘膯卧丛谀Ｐ椭幸迫サ娜刍牧希?，事先不知道這些單元的位置，這時(shí)，用戶就可以根據(jù)ANSYS計(jì)算出的溫度來(lái)確定這些單元。當(dāng)用戶根據(jù)ANSYS計(jì)算結(jié)果（如溫度、應(yīng)力、應(yīng)變）來(lái)決定殺死或激活單元時(shí)，用戶可以使用命令來(lái)識(shí)別并選擇關(guān)鍵單元。 用下列方法識(shí)別單元： 命令方式：ETABLE GUI方式：Main MenuGeneral PostprocElement TableDefine Table 用下列方法來(lái)選擇關(guān)鍵單元： 命令方式：ESEL GUI方式：Utility MenuSelectEntities 接著用戶可以用EKILL/EALIVE命令殺死/激活所選擇的單元。用戶也可以用ANSYS的APDL語(yǔ)言編寫(xiě)宏來(lái)執(zhí)行這些操作。 下面的例子是殺死總應(yīng)變超過(guò)允許應(yīng)變的單元： /SOLU ！進(jìn)入求解器. ！標(biāo)準(zhǔn)求解過(guò)程SOLVEFINISH/POST1 ！進(jìn)入后處理器SET，.ETABLE,STRAIN,EPTO,EQV ！將總應(yīng)變存入ETABLEESEL,S,ETAB,STRAIN,0.20 ！選擇所有總應(yīng)變大于或等于0.20的單元 FINISH/SOLU ！重新進(jìn)去求解器ANTYPE,REST ！重復(fù)以前的靜態(tài)分析EKILL,ALL ！殺死所選擇（超過(guò)允許值）的單元ESEL,ALL ！選擇所有單元. ！繼續(xù)求解3.2.1.5 單元生死使用提示 下列提示有助于用戶更好地利用ANSYS的單元生死功能進(jìn)行分析： （1）不活動(dòng)自由度上不能施加約束方程（CE，CEINTF）。當(dāng)節(jié)點(diǎn)不與活動(dòng)單元相連時(shí)，不活動(dòng)自由度就會(huì)出現(xiàn)。 （2）可以通過(guò)先殺死單元，然后再激活單元來(lái)模擬應(yīng)力松弛（如退火）。 （3）在進(jìn)行非線性分析時(shí)，注意不要因殺死或激活單元引起奇異性（如結(jié)構(gòu)分析中的尖角）或剛度突變，這樣會(huì)使收斂困難。 （4）如果模型是完全線性的，也就是說(shuō)除了生死單元，模型不存在接觸單元或其它非線性單元且材料是線性的，則ANSYS就采用線性分析，因此不會(huì)采用ANSYS默認(rèn)（SOLCONTROL，ON）非線性求解器。 （5）在進(jìn)行包含單元生死的分析中，打開(kāi)全牛頓-拉夫森選項(xiàng)的自適應(yīng)下降選項(xiàng)將產(chǎn)生很好的效果。用下列方法來(lái)完成此操作： 命令方式：NROPT，F(xiàn)ULL，ON GUI方式：Main MenuSolutionAnalysis Options （6）可以通過(guò)一個(gè)參數(shù)值來(lái)指示單元的生死狀態(tài)。下面命令能得到活單元的相關(guān)參數(shù)值：*GET，PAR，ELEM，n，ATTR，LIVE該參數(shù)值可以用于APDL邏輯分支（*IF）或其它用戶需要控制單元生死狀態(tài)的場(chǎng)合。（7）用荷載步文件求解法（LSWRITE）進(jìn)行多荷載步求解時(shí)不能使用生死功能，因?yàn)樯绬卧獱顟B(tài)不會(huì)寫(xiě)進(jìn)到荷載步文件。多荷載步生死單元分析必須采用一系列SOLVE命令來(lái)實(shí)現(xiàn)。此外，用戶可以通過(guò)MPCHG命令來(lái)改變材料特性來(lái)殺死或激活單元。但這個(gè)過(guò)程要特別小心。軟件保護(hù)和限制使得殺死的單元在求解器中改變材料特性時(shí)將不生效（單元的集中力、應(yīng)變、質(zhì)量和比熱等都不會(huì)自動(dòng)變?yōu)?）。不當(dāng)?shù)氖褂肕PCHG命令可能會(huì)導(dǎo)致許多問(wèn)題。例如，如果把一個(gè)單元的剛度減小到接近0，但仍保留質(zhì)量，則在有加速度或慣性效應(yīng)時(shí)就會(huì)產(chǎn)生奇異性。MPCHG命令的應(yīng)用之一：模擬系列施工中使“出生”單元的應(yīng)變歷程保持不變。這時(shí)用MPCHG命令可以得到單元在變形的節(jié)點(diǎn)構(gòu)造初始應(yīng)變。3.2.2 DP材料模型 巖石、混凝土和土壤等材料都屬于顆粒狀材料，這類材料受壓屈服強(qiáng)度遠(yuǎn)大于受拉屈服強(qiáng)度，且材料受剪時(shí)，顆粒會(huì)膨脹，常用的VonMise屈服準(zhǔn)則不適合此類材料。在土力學(xué)中，常用的屈服準(zhǔn)則有Mohr-Coulomb，另外一個(gè)更準(zhǔn)確描述此類材料的強(qiáng)度準(zhǔn)則是Druck-Prager屈服準(zhǔn)則，使用Druck-Prager屈服準(zhǔn)則的材料簡(jiǎn)稱為DP材料。在巖石、土壤的有限元分析中，采用DP材料可以得到較精確的結(jié)果。在ANSYS程序中，就采用Druck-Prager屈服準(zhǔn)則，此屈服準(zhǔn)則是對(duì)Mohr-Coulomb準(zhǔn)則給予近似，以此來(lái)修正VonMise屈服準(zhǔn)則，即在VonMises表達(dá)式中包含一個(gè)附加項(xiàng)，該附加項(xiàng)是考慮到靜水壓力可以引起巖土屈服而加入的。其流動(dòng)準(zhǔn)則既可以使用相關(guān)流動(dòng)準(zhǔn)則，也可以使用不相關(guān)流動(dòng)準(zhǔn)則，其屈服面并不隨著材料的逐漸屈服而改變，因此沒(méi)有強(qiáng)化準(zhǔn)則，然而其屈服強(qiáng)度隨著側(cè)限壓力（靜水壓力）的增加而相應(yīng)增加，其塑性行為被假定為理想塑性。并且，它考慮了由于屈服引起的體積膨脹，但不考慮溫度變化的影響。 圖3-1 Druck-Prager屈服面Druck-Prager屈服面在主應(yīng)力空間內(nèi)為一圓錐形空間曲面，在平面上為圓形，如圖3-1所示。Druck-Prager屈服準(zhǔn)則表達(dá)式為： (3-1)其中： (3-2) (3-3) 在平面應(yīng)變狀態(tài)下： (3-4) (3-5)當(dāng)時(shí)，Druck-Prager屈服準(zhǔn)則在主應(yīng)力空間內(nèi)切于Mohr-Coulomb屈服面的一個(gè)圓錐形空間曲面；當(dāng)時(shí)，Druck-Prager屈服準(zhǔn)則退化為VonMise屈服準(zhǔn)則。并且Druck-Prager屈服準(zhǔn)則避免了Mohr-Coulomb屈服面在角棱處引起的奇異點(diǎn)。對(duì)于受拉破壞時(shí)： (3-6) (3-7)對(duì)于受壓破壞時(shí)： (3-8) (3-9) DP材料模型含有3個(gè)力學(xué)參數(shù)：u 粘聚力Cu 內(nèi)摩擦角u 膨脹角這3個(gè)參數(shù)可通過(guò)ANSYS中材料數(shù)據(jù)表輸入：Main MenuPreprocessorMaterial PropsMaterial Models執(zhí)行完上面操作，彈出一個(gè)材料模型對(duì)話框，再執(zhí)行：Material Models AvailableStrunturerNonlinearInelasticNon-metal PlasticityDrucker-Prager接著在出現(xiàn)的對(duì)話框輸入這3個(gè)參數(shù)便可。膨脹角用來(lái)控制體積膨脹的大?。寒?dāng)膨脹角=0時(shí)，則不會(huì)發(fā)生膨脹；當(dāng)膨脹角=時(shí)，則發(fā)生嚴(yán)重的體積膨脹。DP材料受壓屈服強(qiáng)度大于受拉屈服強(qiáng)度，如果已知單軸受拉屈服應(yīng)力和單軸受壓屈服應(yīng)力，則可以得到內(nèi)摩擦角和粘聚力： (3-10) (3-11) 其中，和由受壓屈服應(yīng)力和受拉屈服應(yīng)力計(jì)算得到： (3-12) (3-13)3.2.3 初始地應(yīng)力的模擬 在模擬隧道施工過(guò)程中，初始地應(yīng)力模擬是很重要的。在ANSYS中，可以有兩種方法實(shí)現(xiàn)初始地應(yīng)力的模擬。 方法一是只考慮巖體的自重應(yīng)力，忽略其構(gòu)造應(yīng)力，在分析的第一步，首先計(jì)算巖體的自重應(yīng)力場(chǎng)。這種方法簡(jiǎn)單方便，只需給出巖體的各項(xiàng)參數(shù)即可計(jì)算。缺點(diǎn)是計(jì)算出來(lái)的應(yīng)力場(chǎng)與實(shí)際應(yīng)力場(chǎng)有偏差，并且?guī)r體在自重作用下還產(chǎn)生了初始位移，在繼續(xù)分析的后續(xù)施工時(shí)，得到的位移結(jié)果是累加了初始位移的結(jié)果，而現(xiàn)實(shí)中初始位移早就結(jié)束，對(duì)隧道的開(kāi)挖沒(méi)有影響，因此在后面的每個(gè)施工階段分析位移場(chǎng)時(shí)，必須減去初始位移場(chǎng)。 方法二是采用讀起初始應(yīng)力文件的方法。在進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析時(shí)，ANSYS中可以使用讀入初始應(yīng)力文件來(lái)把初始應(yīng)力定義為一種荷載。因此，當(dāng)具有實(shí)測(cè)初始地應(yīng)力資料時(shí)，可將初始地應(yīng)力寫(xiě)成初始營(yíng)利荷載文件，然后作為荷載條件讀入ANSYS，隨后就可以直接進(jìn)行第一步的開(kāi)挖計(jì)算。計(jì)算得到的應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)就是開(kāi)挖后的實(shí)際應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)，不需要進(jìn)行加減。3.2.4 開(kāi)挖與支護(hù)及連續(xù)施工的實(shí)現(xiàn) 根據(jù)3.2.1所介紹單元生死可以實(shí)現(xiàn)材料的消除與添加，而隧道的開(kāi)挖與支護(hù)正好比材料的消除與支護(hù)，因此可以在ANSYS中用單元生死來(lái)實(shí)現(xiàn)隧道開(kāi)挖與支護(hù)的模擬。隧道開(kāi)挖時(shí)，先直接選擇被開(kāi)挖掉的單元，然后將這些單元?dú)⑺?，從而?shí)現(xiàn)隧道的開(kāi)挖模擬。進(jìn)行隧道支護(hù)時(shí)，先將相應(yīng)支護(hù)部分在開(kāi)挖時(shí)被殺死的單元激活，單元被激活后，具有零應(yīng)變狀態(tài)，并且把這些單元的材料屬性改為支護(hù)材料的屬性，這樣就實(shí)現(xiàn)了隧道支護(hù)的模擬。 此外，單元的生死狀態(tài)還可以根據(jù)ANSYS的計(jì)算結(jié)果（如應(yīng)力或應(yīng)變）來(lái)決定。例如，在模擬過(guò)程中，用戶可以將超過(guò)允許應(yīng)力或允許應(yīng)變的單元?dú)⑺?，模擬圍巖或結(jié)構(gòu)的破壞。 利用ANSYS程序中的荷載步功能可以實(shí)現(xiàn)不同工況間的連續(xù)計(jì)算，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道連續(xù)施工的模擬。具體可參照3.2.1.3單元生死使用。首先建立開(kāi)挖隧道的有限元模型，包括將來(lái)要被殺死（挖掉）和激活（支護(hù)）的部分，在ANSYS模擬工程不需要重新劃分網(wǎng)格。在前一個(gè)施工完成后，便可以直接進(jìn)行下一道工序的施工，即再殺死單元（開(kāi)挖）和激活單元（支護(hù)），再求解，重復(fù)步驟直至施工結(jié)束。3.3 ANSYS隧道結(jié)構(gòu)受力實(shí)例分析3.3.1 ANSTS隧道結(jié)構(gòu)受力分析步驟 為了保證隧道施工和運(yùn)行時(shí)間的安全性，必須對(duì)隧道結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析。由于隧道結(jié)構(gòu)是在地層中修建的，其工程特性、設(shè)計(jì)原則及方法與地面結(jié)構(gòu)是不同的，隧道結(jié)構(gòu)的變形受到周?chē)鷰r土體本身的約束，從某種意義上講，圍巖也是地下結(jié)構(gòu)的荷載，同時(shí)也是結(jié)構(gòu)本身的一部分，因此不能完全采用地面結(jié)構(gòu)受力分析方法來(lái)對(duì)隧道結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。當(dāng)前，對(duì)隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)體系一般按照荷載結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行演算，按照此模型設(shè)計(jì)的隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)偏于保守。再借助有限元軟件（如ANSYS）實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的受力分析。ANSYS隧道結(jié)構(gòu)受力分析步驟：1荷載結(jié)構(gòu)模型的建立2創(chuàng)建物理環(huán)境3建立模型和劃分網(wǎng)格4施加約束和荷載5求解6后處理（對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析）3.3.1.1 荷載結(jié)構(gòu)模型的建立 本步驟不在ANSYS中進(jìn)行，但該步驟是進(jìn)行ANSYS隧道結(jié)構(gòu)受力分析前提。只要在施工過(guò)程中不能使支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖保持緊密接觸，有效地阻止周?chē)鷰r體變形而產(chǎn)生松動(dòng)壓力，隧道的支護(hù)結(jié)構(gòu)就應(yīng)該按荷載結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行驗(yàn)算。隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖的相互作用是通過(guò)彈性支撐對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)施加約束來(lái)體現(xiàn)的。 本步驟主要包含2項(xiàng)內(nèi)容：u 選擇荷載結(jié)構(gòu)模型u 計(jì)算荷載1選擇荷載結(jié)構(gòu)模型荷載結(jié)構(gòu)模型雖然都是以承受巖體松動(dòng)、崩塌而產(chǎn)生的豎向和側(cè)向主動(dòng)壓力為主要特征，但對(duì)圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)相互作用的處理上，大致有三種做法：（1）主動(dòng)荷載模型此模型不考慮圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的相互作用，因此，支護(hù)結(jié)構(gòu)在主動(dòng)荷載作用下可以自由變形，其計(jì)算原理和地面結(jié)構(gòu)一樣。此模型主要適用于軟弱圍巖沒(méi)有能力去約束襯砌變形情況，如采用明挖法施工的城市地鐵工程及明洞工程。（2）主動(dòng)荷載加被動(dòng)荷載（彈性抗力）模型此模型認(rèn)為圍巖不僅對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)施加主動(dòng)荷載，而且由于圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的相互作用，還會(huì)對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)施加約束反力。因?yàn)樵诜蔷鶆蚍植嫉闹鲃?dòng)荷載作用下，支護(hù)結(jié)構(gòu)的一部分將發(fā)生向著圍巖方向的變形，只要圍巖具有一定的剛度，就會(huì)對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生反作用力來(lái)約束它的變形，這種反作用力稱為彈性抗力。而支護(hù)結(jié)構(gòu)的另一部分則背離圍巖向著隧道內(nèi)變形，不會(huì)引起彈性抗力，形成所謂“脫離區(qū)”。這種模型適用于各種類型的圍巖，只是所產(chǎn)生的彈性抗力不同而已。該模式廣泛地應(yīng)用于我國(guó)鐵路隧道，基于這種模式修建了好幾千公里的鐵路隧道，并且在實(shí)際使用中，它基本能反映出支護(hù)結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力狀況。（3）實(shí)際荷載模型這種模型采用量測(cè)儀器實(shí)地量測(cè)到的作用在襯砌上的荷載值代替主動(dòng)荷載模型中的主動(dòng)荷載。實(shí)地量測(cè)的荷載值包含圍巖的主動(dòng)壓力和彈性抗力，是圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)相互作用的綜合反映。切向荷載的存在可以減小荷載分布的不均勻程度，從而改善結(jié)構(gòu)的受力情況。但要注意的是，實(shí)際量測(cè)的荷載值，除與圍巖特性有關(guān)外，還取決與支護(hù)結(jié)構(gòu)剛度及支護(hù)結(jié)構(gòu)背后回填的質(zhì)量。2計(jì)算荷載目前隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一般采用主動(dòng)荷載加被動(dòng)荷載模型，作用在隧道襯砌上的荷載分為主動(dòng)荷載和被動(dòng)荷載，可見(jiàn)表2-2。進(jìn)行ANSYS隧道結(jié)構(gòu)受力分析時(shí)，一般要進(jìn)行計(jì)算以下幾種隧道荷載：（1）圍巖壓力圍巖壓力是隧道最主要的荷載，主要根據(jù)相關(guān)隧道設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行計(jì)算。對(duì)于鐵路隧道，可以根據(jù)鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行計(jì)算。 （2）支護(hù)結(jié)構(gòu)自重 支護(hù)結(jié)構(gòu)自重可按預(yù)先擬定的結(jié)構(gòu)尺寸和材料容重計(jì)算確定。（3）地下水壓力在含水地層中，靜水壓力可按照最低水位考慮。（4）被動(dòng)荷載被動(dòng)荷載即圍巖的彈性抗力，其大小常用以溫克列爾假定為基礎(chǔ)的局部變形理論來(lái)確定。該理論認(rèn)為圍巖彈性抗力與圍巖在該點(diǎn)的變形成正比，用公式表示為： (3-14)式中： 圍巖表面上任意一點(diǎn)的壓縮變形，單位m；u 圍巖在同一點(diǎn)的所產(chǎn)生的彈性抗力，單位Mpa；u 圍巖彈性抗力系數(shù)，單位Mpa/m。u 對(duì)于列車(chē)荷載、地震力等其它荷載，一般情況可以忽略不計(jì)算。3.3.1.2 創(chuàng)建物理環(huán)境在定義隧道結(jié)構(gòu)受力分析問(wèn)題的物理環(huán)境時(shí)，進(jìn)入ANSYS前處理器，建立這個(gè)隧道結(jié)構(gòu)體的數(shù)學(xué)仿真模型。按照以下幾個(gè)步驟來(lái)建立物理環(huán)境：1、 設(shè)置GUT菜單過(guò)濾如果你希望通過(guò)GUI路徑來(lái)運(yùn)行ANSYS，當(dāng)ANSYS被激活后第一件要做的事情就是選擇菜單路徑：Main MenuPreferences，執(zhí)行上述命令后，彈出一個(gè)如圖3-2所示的對(duì)話框出現(xiàn)后，選擇Structural。這樣ANSYS會(huì)根據(jù)你所選擇的參數(shù)來(lái)對(duì)GUI圖形界面進(jìn)行過(guò)濾，選擇Structural以便在進(jìn)行隧道結(jié)構(gòu)受力分析時(shí)過(guò)濾掉一些不必要的菜單及相應(yīng)圖形界面。2、 定義分析標(biāo)題（TITLE）在進(jìn)行分析前，可以給你所要進(jìn)行的分析起一個(gè)能夠代表所分析內(nèi)容的標(biāo)題，比如“Tunnel Support Structural Analysis”，以便能夠從標(biāo)題上與其他相似物理幾何模型區(qū)別。用下列方法定義分析標(biāo)題。命令：TITLEGUI：Utility MenuFileChange Title3、 說(shuō)明單元類型及其選項(xiàng)（KEYOPT選項(xiàng)）與ANSYS的其他分析一樣，也要進(jìn)行相應(yīng)的單元選擇。ANSYS軟件提供了100種以上的單元類型，可以用來(lái)模擬工程中的各種結(jié)構(gòu)和材料，各種不同的單元組合在一起，成為具體的物理問(wèn)題的抽象模型。例如，隧道襯砌用beam3梁?jiǎn)卧獊?lái)模擬，用COMBIN14彈簧單元模擬圍巖與結(jié)構(gòu)的相互作用性，這兩個(gè)單元組合起來(lái)就可以模擬隧道結(jié)構(gòu)。大多數(shù)單元類型都有關(guān)鍵選項(xiàng)（KEYOPTS），這些選項(xiàng)用以修正單元特性。例如，梁?jiǎn)卧猙eam3有如下KEYOPTS：KEYOPT(6) 力和力矩輸出設(shè)置KEYOPT(9) 設(shè)置輸出節(jié)點(diǎn)I與J之間點(diǎn)結(jié)果KEYOPT(10) 設(shè)置SFNEAM命令施加線性變化的表面載荷COMBIN14彈簧單元有如下KEYOPTS：KEYOPT(1) 設(shè)置解類型KEYOPT(2) 設(shè)置1-D自由度KEYOPT(3) 設(shè)置2-D或3-D自由度設(shè)置單元以及其關(guān)鍵選項(xiàng)的方式如下：命令：ET KEYOPTGUI：Main Menu Preprocessor Element Type Add/Edit/Delete圖 3-2 GUI圖形界面過(guò)濾4、設(shè)置實(shí)常數(shù)和定義單位單元實(shí)常數(shù)和單元類型密切相關(guān)，用R族命令（如R，RMODIF等）或其相應(yīng)GUI菜單路徑來(lái)說(shuō)明。在隧道結(jié)構(gòu)受力分析中，你可用實(shí)常數(shù)來(lái)定義襯砌梁?jiǎn)卧臋M截面積、慣性矩和高度以及圍巖彈性抗力系數(shù)等。當(dāng)定義實(shí)常數(shù)時(shí)，要遵守如下二個(gè)規(guī)則： 必須按次序輸入實(shí)常數(shù)。 對(duì)于多單元類型模型，每種單元采用獨(dú)立的實(shí)常數(shù)組（即不同的REAL參考號(hào)）。但是，一個(gè)單元類型也可注明幾個(gè)實(shí)常數(shù)組。命令：RGUI：Main Menu Preprocessor Real Constants Add/Edit/DeleteANSYS軟件沒(méi)有為系統(tǒng)指定單位，分析時(shí)只需按照統(tǒng)一的單位制進(jìn)行定義材料屬性、幾何尺寸、載荷大小等輸入數(shù)據(jù)即可。結(jié)構(gòu)分析只有時(shí)間單位、長(zhǎng)度單位和質(zhì)量單位三個(gè)基本單位，則所有輸入的數(shù)據(jù)都應(yīng)當(dāng)是這三個(gè)單位組成的表達(dá)方式。如標(biāo)準(zhǔn)國(guó)際單位制下，時(shí)間是秒（s），長(zhǎng)度是米（m），質(zhì)量是千克（kg），則導(dǎo)出力的單位是kgm/s2（相當(dāng)于牛頓N），材料的彈性模量單位是kg/ms2（相當(dāng)于帕Pa）。命令：/UNITS5、定義材料屬性大多數(shù)單元類型在進(jìn)行程序分析時(shí)都需要指定材料特性，ANSYS程序可方便地定義各種材料的特性，如結(jié)構(gòu)材料屬性參數(shù)、熱性能參數(shù)、流體性能參數(shù)和電磁性能參數(shù)等。ANSYS程序可定義的材料特性有以下三種：（1）線性或非線性。（2）各向同性、正交異性或非彈性。（3）隨溫度變化或不隨溫度變化。隧道結(jié)構(gòu)受力分析中需要定義隧道混凝土襯砌支護(hù)的材料屬性：容重、彈性模量、泊松比、凝聚力以及摩擦角。命令：MPGUI：Main MenuPreprocessorMaterial PropsMaterial Models 或 Main MenuSolutionLoad Step OptsOtherChange Mat PropsMaterial Models3.3.1.3 建立模型和劃分網(wǎng)格 創(chuàng)建好物理環(huán)境，就可以建立模型。在進(jìn)行隧道結(jié)構(gòu)受力分析時(shí)，需要建立模擬隧道襯砌結(jié)構(gòu)的梁?jiǎn)卧湍M隧道結(jié)構(gòu)與圍巖間相互作用的彈簧單元。在建立好的模型各個(gè)區(qū)域內(nèi)指定特性（單元類型、選項(xiàng)、實(shí)常數(shù)和材料性質(zhì)等）以后，就可以劃分有限元網(wǎng)格了。通過(guò)GUI為模型中的各區(qū)賦予特性：1、選擇MainMenu Preprocessor Meshing Mesh Attributes Picked Areas2、點(diǎn)擊模型中要選定的區(qū)域。3、在對(duì)話框中為所選定的區(qū)域說(shuō)明材料號(hào)、實(shí)常數(shù)號(hào)、單元類型號(hào)和單元坐標(biāo)系號(hào)。4、重復(fù)以上三個(gè)步驟，直至處理完所有區(qū)域。通過(guò)命令為模型中的各區(qū)賦予特性：ASEL（