隧道ansys計(jì)算程序算例——荷載結(jié)構(gòu)模式

1、選取新建鐵路宜昌（宜）萬州（萬）鐵路線上的別巖槽隧道某斷面，該斷面設(shè)計(jì)單位采用的支護(hù)結(jié)構(gòu)如圖3-3所示。為保證結(jié)構(gòu)的安全性，采用了荷載結(jié)構(gòu)模型，利用ANSYS對(duì)其進(jìn)行計(jì)算分析。主要參數(shù)如下：l 隧道腰部和頂部襯砌厚度是65cm，隧道仰拱襯砌厚度為85cm。l 采用C30鋼筋混凝土為襯砌材料。l 隧道圍巖是級(jí),洞跨是5.36米，深埋隧道。l 隧道仰拱下承受水壓，水壓0.2MPa。圖 3-3 隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)斷面圖 隧道圍巖級(jí)別是級(jí)，其物理力學(xué)指標(biāo)及襯砌材料C30鋼筋混凝土的物理力學(xué)指標(biāo)見表3-3所示。表3-3 物理力學(xué)指標(biāo)名稱容重（）彈性抗力系數(shù)K（MPz/m）彈性模量E（GPa）泊松比內(nèi)摩擦角（。

2、）凝聚力C（MPa）級(jí)圍巖223001.50.32290.35C30鋼筋混凝土25-300.2542.42表3-4 荷載計(jì)算表荷載種類圍巖壓力結(jié)構(gòu)自重水壓N/m3垂直勻布力N/m3水平勻布力N/m3值8022516045通過ANSYS添加200000根據(jù)鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范，可計(jì)算出深埋隧道圍巖的垂直勻布力和水平勻布力。對(duì)于豎向和水平的分布荷載，其等效節(jié)點(diǎn)力分別近似的取節(jié)點(diǎn)兩相臨單元水平或垂直投影長(zhǎng)度的一般襯砌計(jì)算寬度這一面積范圍內(nèi)的分布荷載的總和。自重荷載通過ANSYS程序直接添加密度施加。隧道仰拱部受到的水壓0.2MPa按照徑向方向載置換為等效節(jié)點(diǎn)力,分解為水平豎直方向加載。3.3.3 GUI

3、操作方法3.3.3.1 創(chuàng)建物理環(huán)境1) 在【開始】菜單中依次選取【所有程序】/【ANSYS10.0】/【ANSYS Product Launcher】，得到“10.0ANSYS Product Launcher”對(duì)話框。2）選中【File Management】，在“Working Directory”欄輸入工作目錄“D:ansysexample301”，在“Job Name”欄輸入文件名“Support”。3）單擊“RUN”按鈕，進(jìn)入ANSYS10.0的GUI操作界面。4）過濾圖形界面：Main Menu> Preferences，彈出“Preferences for GUI Fil

4、tering”對(duì)話框，選中“Structural”來對(duì)后面的分析進(jìn)行菜單及相應(yīng)的圖形界面過濾。5）定義工作標(biāo)題：Utility Menu> File> Change Title，在彈出的對(duì)話框中輸入“Tunnel Support Structural Analysis”，單擊“OK”，如圖3-4所示。圖3-4 定義工作標(biāo)題6）定義單元類型：Main Menu> Preprocessor> Element Type> Add/Edit/Delete，彈出“Element Types”單元類型對(duì)話框，如圖3-5所示，單擊“Add”按鈕，彈出“Library of El

5、ement Types”單元類型庫對(duì)話框，如圖3-6所示。在該對(duì)話框左面滾動(dòng)欄中選擇“Beam”，在右邊的滾動(dòng)欄中選擇“2D-elastic 3”，單擊“Apply”，定義了“Beam3”單元。再在左面滾動(dòng)欄中選取“Combination”，右邊的滾動(dòng)欄中選擇“Spring-damper 14”，如圖3-7所示。然后單擊“OK”按鈕，這就定義了“Combin14”單元，最后單擊圖3-5單元類型對(duì)話框中的“Close”按鈕。 圖3-5 單元類型對(duì)話框3-6 定義Beam3單元對(duì)話框3-7 定義Combin14單元對(duì)話框7）定義材料屬性：Main Menu> Preprocessor>

6、 Material Props> Material Models，彈出“Define Material Model Behavior”對(duì)話框，如圖3-8所示。在右邊的欄中連續(xù)雙擊“Structural> Linear> Elastic>Isotropic”后，又彈出如圖3-9所示“Linear Isotropic Properties for Material Number 1”對(duì)話框，在該對(duì)話框中“EX”后面的輸入欄輸入“3E10”，在“PRXY” 后面的輸入欄輸入“0.2”，單擊“OK”。再在定義材料本構(gòu)模型對(duì)話框 選中“Density”并雙擊，彈出如圖3-10所示

7、“Density for Material Number 1”對(duì)話框，在“DENS”后面的欄中輸入隧道襯砌混凝土材料的密度“2500”，再單擊“OK”按鈕。圖 3-8 定義材料本構(gòu)模型對(duì)話框 圖 3-9 線彈性材料模型對(duì)話框 圖 3-10材料密度輸入對(duì)話框 最后單擊“Material> Exit”結(jié)束，得到結(jié)果如圖3-11所示。圖3-11 材料屬性定義結(jié)果 8）定義實(shí)常數(shù)：Main Menu> Preprocessor> Real Constants> Add/Edit/Delete，彈出“Real Constants” 實(shí)常數(shù)對(duì)話框，如圖3-12所示。單擊“Add”按

8、鈕，彈出如圖3-13所示的選擇單元類型對(duì)話框，選中“Type 1 BEAM3”，單擊“OK”按鈕，彈出如圖3-14所示“Real Constant for BEAM3”對(duì)話框，在對(duì)話框中分別輸入隧道腰部和頂部襯砌支護(hù)結(jié)構(gòu)BEAM3梁?jiǎn)卧臋M截面積AREA“0.65”、慣性矩IZZ“0.022885417”、高度HEIGHT“0.65”。 圖3-12 實(shí)常數(shù)對(duì)話框 圖3-13 選擇單元類型對(duì)話框圖3-14 定義隧道腰部和頂部BEAM3實(shí)常數(shù)1對(duì)話框圖3-15 定義隧道仰拱BEAM3實(shí)常數(shù)2對(duì)話框然后單擊“OK”按鈕，然后在彈出的對(duì)話框中單擊“Add”按鈕，彈出如圖3-13所示的選擇單元類型對(duì)話框

9、，選中“Type 1 BEAM3”，單擊“OK”按鈕，彈出如圖3-15所示的對(duì)話框，在對(duì)話框中分別輸入隧道腰部和頂部襯砌支護(hù)結(jié)構(gòu)BEAM3梁?jiǎn)卧臋M截面積AREA“0.85”、慣性矩IZZ“0.051170833”、高度HEIGHT“0.85”。這是因?yàn)樗淼酪r砌支護(hù)仰拱和腰部及頂部的厚度不同，所以要建立2個(gè)BEAM2實(shí)常數(shù)。 然后單擊“OK”按鈕，在彈出的對(duì)話框中單擊“Add”按鈕，彈出如圖3-13所示的選擇單元類型對(duì)話框，選中“Type 2 Combin14”，單擊“OK”按鈕，彈出如圖3-16所示“Real Constant Set Number 3 for COMBIN14”對(duì)話框，在“

10、SPRING CONSTANT ”欄后面輸入“30000000”，單擊“OK”按鈕，彈出如圖3-17對(duì)話框，最后單擊“Close”按鈕圖3-16 COMBIN14實(shí)常數(shù)后對(duì)話框圖3-17 定義完實(shí)常數(shù)后對(duì)話框3.3.3.2 建立模型和劃分網(wǎng)格 1）創(chuàng)建隧道襯砌支護(hù)關(guān)鍵點(diǎn)：Main Menu> Preprocessor> Modeling> Create>Keypoints>In Active CS，彈出“Creae Keypoints in Active Cooedinate System”對(duì)話框，如圖3-18所示。在“NPT keypoint number”欄后

11、面輸入“1”，在“X，Y，Z Location in active CS”欄后面輸入“（0，0，0）”，單擊“Apply”按鈕，這樣就創(chuàng)建了關(guān)鍵點(diǎn)1。再依次重復(fù)在“NPT keypoint number”欄后面輸入“2、3、4、5、6、7”，在對(duì)應(yīng)“X，Y，Z Location in active CS”欄后面輸入“（0，3.85，0）、（0.88，5.5，0）、（2.45，6.15，0）、（4.02，5.5，0）、（4.9，3.85，0）、（4.9，0，0），最后單擊“OK”按鈕，生成7個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，如圖3-19所示。圖3-18 在當(dāng)前坐標(biāo)系創(chuàng)建關(guān)鍵點(diǎn)對(duì)話框圖3-19 隧道支護(hù)關(guān)鍵點(diǎn) 2）創(chuàng)建隧

12、道襯砌支護(hù)線模型：Main Menu>Preprocessor>Modeling>Create>Lines>Arcs>By End KPs & Rad，彈出如圖3-20所示的對(duì)話框。在對(duì)話框欄中輸入關(guān)鍵點(diǎn)“1，2”，單擊“Apply”，彈出如圖3-21所示對(duì)話框。在對(duì)話框欄中輸入關(guān)鍵點(diǎn)“6”，彈出“Arc By End KPs & Rad ”對(duì)話框，如圖3-22所示。在“RAD Radius of the arc”欄后面輸入弧線半徑“8.13”，單擊“Apply”按鈕，這樣就創(chuàng)建了弧線1。 圖3-20 定義弧線兩端點(diǎn)對(duì)話框 圖3-21 定義弧

13、線曲率關(guān)鍵點(diǎn)對(duì)話框圖3-22 畫弧線對(duì)話框 重復(fù)以上操作步驟，分別把圖3-22對(duì)話框欄中空欄依次輸入“3.21，2，3，6”、“2.22，3，4，6”、“2.22，4，5，2”、“3.21，5，6，2”、 “8.13，6，7，2”、“6，7，1，4”，最后單擊“OK”按鈕，生成隧道襯砌支護(hù)線模型，如圖3-23所示。圖3-23 隧道襯砌支護(hù)線模型3）保存幾何模型文件；Utility Menu> File> Save as，彈出一個(gè)“Save Database”對(duì)話框，在“Save Database to”下面輸入欄中輸入文件名“Support-geom.db”，單擊“OK”。4）給線

14、賦予特性：Main Menu> Preprocessor> Meshing> MeshTool，彈出“MeshTool”對(duì)話框，如圖3-24所示。在“Element Attributes”后面的下拉式選擇欄中選擇“Lines”，按“Set”按鈕，彈出一個(gè)“Lines Attributes”線拾取框，在圖形界面上拾取編號(hào)為“L1、L2、L3、L4、L5、L6”的線，單擊拾取框上的“OK”按鈕，又彈出一個(gè)如圖3-25所示的“Lines Attributes”對(duì)話框，在“Material number”后面的下拉式選擇欄中選取“1”，在“Real Constant set numb

15、er ” 后面的下拉式選擇欄中選取“1”，在“Element type number ” 后面的下拉式選擇欄中選取“1 BEAM3”。單擊“Apply”再次彈出線拾取框。用相同方法給線L7賦予特性，其他選項(xiàng)與“L1、L2、L3、L4、L5、L6”的線一樣，只是在“Real Constant set number ” 后面的下拉式選擇欄中選取“2”，單擊“OK”按鈕退出。 圖3-24 網(wǎng)格劃分工具欄 圖3-25 賦予線特性對(duì)話框5）控制線尺寸：在“MeshTool”對(duì)話框中的“Size controls”下面的選擇欄中的“Lines”右邊單擊“Set”，在彈出對(duì)話框中拾取線L1和L6，單擊拾取框

16、上的“OK”按鈕，彈出“Element Sizes on All Selected Lines”對(duì)話框，如圖3-26所示。在“No of element divisions ”欄后面輸入“4”。再單擊“Apply”按鈕。用相同方法控制線L2、L3、L4、L5、L7的尺寸，只是線L2、L3、L4、L5在“No of element divisions ”欄后面輸入“2”，線L7在“No of element divisions ”欄后面輸入“8”。圖3-26 線單元尺寸劃分對(duì)話框 6）劃分網(wǎng)格：在圖3-24 網(wǎng)格劃分工具欄中單擊“Mesh”按鈕，彈出一個(gè)對(duì)話框，單擊“Pick ALL”，生成24

17、個(gè)梁?jiǎn)卧?，如圖3-27所示。圖3-27 隧道支護(hù)單元圖 7）打開節(jié)點(diǎn)編號(hào)顯示：Utility Menu> PlotCtrls> Numbering，彈出“Plot Numbering Controls”對(duì)話框，如圖3-28所示。選中“Node Numbers” 選項(xiàng)，后面的文字由“off”變?yōu)椤皁n”,單擊“OK”關(guān)閉窗口。顯示這些節(jié)點(diǎn)編號(hào)目的是為后面創(chuàng)建彈簧單元準(zhǔn)備，這些節(jié)點(diǎn)是彈簧單元的一個(gè)節(jié)點(diǎn)。圖3-28 顯示節(jié)點(diǎn)編號(hào)對(duì)話框 8）創(chuàng)建彈簧單元：Main Menu>Preprocessor>Modeling>Create>Piping Models>

18、Define Pipes>Spring Support，彈出一個(gè)選擇節(jié)點(diǎn)對(duì)話框，選擇節(jié)點(diǎn)1后，單擊“OK”按鈕，又彈出一個(gè)“Define Support Spring”對(duì)話框，如圖3-29所示。 在圖3-29對(duì)話框中，在“Node at spring location”欄后面輸入彈簧節(jié)點(diǎn)位置編號(hào)“1”，在“Type of spring”后面的下拉選擇欄中選擇“Translation”，在“Spring constant”欄后面輸入彈簧系數(shù)“300000000”，在“DX，DY，DZ Distance to ground pt”欄后面分別輸入彈簧另一端點(diǎn)的坐標(biāo)值“-0.97029572，-

19、0.241921895，0”，因?yàn)槭瞧矫鎲栴}，DZ不用輸入，默認(rèn)是0。 單擊“Apply”按鈕（這時(shí)就生成了節(jié)點(diǎn)1的彈簧單元，編號(hào)為25），又彈出一個(gè)選擇節(jié)點(diǎn)的對(duì)話框，和生成節(jié)點(diǎn)1位置彈簧方法一樣生成其它節(jié)點(diǎn)的彈簧單元。只是在圖3-29對(duì)話框中改變節(jié)點(diǎn)號(hào)和改變“DX，DY，DZ Distance to ground pt”欄中值：節(jié)點(diǎn)2對(duì)應(yīng)“DX，DY”為“-0.97437006，0.22495105”，節(jié)點(diǎn)3對(duì)應(yīng)“DX，DY”為“-0.98628560，-0.1604768”，節(jié)點(diǎn)4對(duì)應(yīng)“DX，DY”為“-0.99996192，- 0.00872654”，節(jié)點(diǎn)5對(duì)應(yīng)“DX，DY”為“-0.9

20、8901586，0.14780941”，節(jié)點(diǎn)6對(duì)應(yīng)“DX，DY”為“-0.70710678，0.70710678”，節(jié)點(diǎn)7對(duì)應(yīng)“DX，DY”為“-0.88294757，0.469471561”，節(jié)點(diǎn)10對(duì)應(yīng)“DX，DY”為“0.70710678，0.70710678”，節(jié)點(diǎn)13對(duì)應(yīng)“0.88294757，0.469471561”，節(jié)點(diǎn)12對(duì)應(yīng)“DX，DY”為“0.97437006，0.22495105”，節(jié)點(diǎn)15對(duì)應(yīng)“DX，DY”為“0.98901586，0.14780941”，節(jié)點(diǎn)16對(duì)應(yīng)“DX，DY”為“0.99996192，- 0.00872654”，節(jié)點(diǎn)17對(duì)應(yīng)“DX，DY”為“0.9

21、8628560，-0.1604768”，節(jié)點(diǎn)14對(duì)應(yīng)“DX，DY”為“0.97029572，-0.241921895”，節(jié)點(diǎn)18對(duì)應(yīng)“DX，DY”為“0.30901699，-0.95105651”，節(jié)點(diǎn)24對(duì)應(yīng)“DX，DY”為“-0.30901699，-0.95105651”，節(jié)點(diǎn)19對(duì)應(yīng)“DX，DY”為“0.20791169，-0.97814760”，節(jié)點(diǎn)23對(duì)應(yīng)“DX，DY”為“-0.20791169，-0.97814760”，節(jié)點(diǎn)20對(duì)應(yīng)“DX，DY”為“0.10452846，-0.99452189”，節(jié)點(diǎn)22對(duì)應(yīng)“DX，DY”為“-0.10452846，-0.99452189”，節(jié)點(diǎn)2

22、1對(duì)應(yīng)“DX，DY”為“0，-1”，再單擊“OK”按鈕就完成了彈簧單元的創(chuàng)建，得到添加彈簧單元的單元網(wǎng)格圖，如圖3-30所示。圖3-29 定義彈簧單元對(duì)話框 注意：Ø 彈簧單元長(zhǎng)度為1，實(shí)際上彈簧長(zhǎng)度對(duì)計(jì)算結(jié)果沒有影響。Ø 隧道頂部范圍（90度范圍）為“脫離區(qū)”，故不需要添加彈簧單元。Ø “DX，DY”是生成彈簧的另一個(gè)端點(diǎn)的坐標(biāo)值，它是在法線方向，根據(jù)在在CAD圖形中角度來計(jì)算。Ø 圖3-30中一共添加了21個(gè)彈簧單元，如果有些彈簧單元根據(jù)計(jì)算結(jié)果顯示是受拉的，必須去除，再進(jìn)行重新計(jì)算。Ø 用來模擬隧道結(jié)構(gòu)與圍巖間相互作用的COMBIN14彈

23、簧單元（也叫地層彈簧），對(duì)其參數(shù)設(shè)置時(shí)，只需要輸入彈性常數(shù)K，阻尼系數(shù)和非線性阻尼系數(shù)不用輸入。圖3-30 添加彈簧單元后的單元網(wǎng)格圖3.3.3.3 施加約束和荷載 1）給彈簧單元施加約束：Main Menu>Solution>Define Loads>Apply>Structural>Displacement>on Nodes，彈出在節(jié)點(diǎn)上施加位移約束對(duì)話框，用鼠標(biāo)選取彈簧單元最外層節(jié)點(diǎn)共21個(gè)節(jié)點(diǎn)，單擊“OK”按鈕，彈出“Apply U,ROT on Nodes”對(duì)話框，如圖3-31所示。圖3-31 給節(jié)點(diǎn)施加位移約束對(duì)話框 在圖3-31對(duì)話框中：在“D

24、OFS to be constrained”欄后面中選取“UX，UY”，在“Apply as”欄后面的下拉菜單中選取“Constant value”，在“Displacement value”欄后面輸入“0”值，然后單擊“OK”按鈕就完成了對(duì)彈簧節(jié)點(diǎn)位移的約束。 2）施加重力加速度：Main Menu>Solution>Define Loads>Apply>Structural>Inertia>Gravity，彈出“Apply(Gravitational)Acceleration”對(duì)話框，如圖3-23所示。只需在“Global Cartesian Y-com

25、p”欄后面輸入重力加速度值“9.8”就可以，單擊“OK”按鈕，就完成了重力加速度的施加。圖3-32 施加重力加速度對(duì)話框注意：雖然在ANSYS中輸入的重力加速度9.8后，其重力加速度方向顯示向上，但ANSYS默認(rèn)模型施加重力時(shí)，輸入的重力加速度是9.8，不是-9.8。 3）對(duì)隧道襯砌支護(hù)施加圍巖壓力：Main Menu>Solution>Define Loads>Apply>Structural> Force/Moment >on Nodes，在彈出節(jié)點(diǎn)位置施加荷載對(duì)話框中，用鼠標(biāo)選擇隧道支護(hù)線上腰部和頂部所有節(jié)點(diǎn)，彈出“Apply F/M on Nodes

26、”對(duì)話框，如圖3-24所示。在“Direction of force/mom”欄后面下拉菜單中選取“FY”，在“Force/Moment”欄中輸入圍巖垂直勻布力“-80225”。圖3-24 施加節(jié)點(diǎn)力對(duì)話框 單擊“Apply”按鈕，在彈出對(duì)話框后選擇隧道支護(hù)線剩下的節(jié)點(diǎn)，在“Direction of force/mom”欄后面下拉菜單中選取“FY”，在“Force/Moment”欄中輸入圍巖垂直勻布力“80225”。再單擊“Apply”按鈕，又彈出一個(gè)節(jié)點(diǎn)位置施加荷載對(duì)話框，用鼠標(biāo)選擇隧道襯砌支護(hù)線上的1、2、3、4、5、6、7、8、9、22、23、24共12個(gè)節(jié)點(diǎn)，又彈出如圖3-24所示的對(duì)

27、話框，在“Direction of force/mom”欄后面下拉菜單中選取“FX”，在“Force/Moment”欄中輸入圍巖水平勻布力“16045”。 再次單擊“Apply”按鈕，又彈出一個(gè)節(jié)點(diǎn)位置施加荷載對(duì)話框，用鼠標(biāo)選擇隧道襯砌支護(hù)線上剩下的12個(gè)節(jié)點(diǎn)，又彈出如圖3-24所示的對(duì)話框，在“Direction of force/mom”欄后面下拉菜單中選取“FX”，在“Force/Moment”欄中輸入圍巖水平勻布力“-16045”。單擊“OK“按鈕，就完成了對(duì)隧道襯砌支護(hù)施加圍巖壓力。圖3-25 施加約束和荷載后隧道結(jié)構(gòu)模型輸入圍巖垂直勻布力和水平勻布力應(yīng)參考節(jié)點(diǎn)位置來考慮力的方向，切

28、忌加錯(cuò)力的方向。 4）對(duì)隧道仰拱施加水壓：Main Menu>Solution>Define Loads>Apply>Structural> Force/Moment >on Nodes，在彈出節(jié)點(diǎn)位置施加荷載對(duì)話框中，用鼠標(biāo)選擇隧道仰拱節(jié)點(diǎn)18，彈出如圖3-24所示的對(duì)話框，在“Direction of force/mom”欄后面下拉菜單中選取“FX”，在“Force/Moment”欄中輸入水平水壓力“-161803”。再次單擊“Apply”按鈕，又彈出一個(gè)對(duì)話框，選擇節(jié)點(diǎn)18，又彈出圖3-24的對(duì)話框，在“Direction of force/mom”欄

29、后面下拉菜單中選取“FY”，在“Force/Moment”欄中輸入圍巖水平勻布力“70381”，單擊“OK”按鈕，就完成了節(jié)點(diǎn)18的水壓力的施加，同法對(duì)仰拱的其它節(jié)點(diǎn)施加水壓，只是數(shù)值不同：節(jié)點(diǎn)19“FY=50101”、“FX=-182309”；節(jié)點(diǎn)20“FY=13093”、“FX=-198904”；節(jié)點(diǎn)21“FY=125960”、“FX=0；節(jié)點(diǎn)22“FY=13093”、“FX=198904”；節(jié)點(diǎn)23“FY=50101”、“FX=-182309”；節(jié)點(diǎn)24“FY=70381”、“FX=-161803”。最后得到施加約束和荷載后隧道襯砌支護(hù)結(jié)構(gòu)模型圖，如圖3-25所示。u 將作用在襯砌上的分

30、布荷載置換為等效節(jié)點(diǎn)力。u 對(duì)于豎向和水平的分布荷載，其等效節(jié)點(diǎn)力分別近似的取節(jié)點(diǎn)兩相臨單元水平或垂直投影長(zhǎng)度的一般襯砌計(jì)算寬度這一面積范圍內(nèi)的分布荷載的總和。u 自重荷載通過ANSYS程序直接添加密度施加。u 水壓按照徑向方向載置換為等效節(jié)點(diǎn)力，分解為水平和豎直方向加載。3.3.3.4 求解1）求解運(yùn)算：Main Menu>Solution>Solve>Current LS，彈出一個(gè)求解選項(xiàng)信息和一個(gè)當(dāng)前求解載荷步對(duì)話框，如圖3-36和圖3-37所示，檢查信息無錯(cuò)誤后，單擊“OK”，開始求解運(yùn)算，直到出現(xiàn)一個(gè)“Solution is done”的提示欄，如圖3-38所示，表

31、示求解結(jié)束。圖3-36 求解選項(xiàng)信息圖3-37 當(dāng)前求解載荷步對(duì)話框圖3-38 求解結(jié)束提示欄3.3.3.5 后處理（對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析） 1.計(jì)算分析修改模型1）查看隧道襯砌支護(hù)結(jié)構(gòu)變形圖：Main Menu>General Postproc>Plot Results>Deformed shape，彈出一個(gè)“Plot Deformed Shape”的對(duì)話框，如圖3-39所示，選中“Def+undeformed”并單擊“OK”，出現(xiàn)隧道襯砌支護(hù)結(jié)構(gòu)變形圖，如圖3-40所示。圖3-39 查看變形圖對(duì)話框從圖3-40的 初次分析隧道襯砌支護(hù)結(jié)構(gòu)變形圖中可以看出，彈簧33、34、3

32、5和36是受拉的，因?yàn)橛脕砟M隧道結(jié)構(gòu)與圍巖間相互作用的地層彈簧只能承受壓力，所以這4根彈簧必須去掉，再重新計(jì)算，直到結(jié)構(gòu)變形圖中沒有受拉彈簧為止。 2）刪除受拉彈簧單元：Main Menu>Preprocessor>Modeling>Delete>Elements，彈出一個(gè)刪除單元選取對(duì)話框，選中彈簧單元33、34、35和36，然后單擊“OK”按鈕。再執(zhí)行Main Menu>Preprocessor>Modeling>Delete>Nodes，彈出一個(gè)刪除節(jié)點(diǎn)選取對(duì)話框，選取彈簧單元33、34、35和36最外端節(jié)點(diǎn)，再單擊“OK”按鈕。3）第2

33、次求解：Main Menu>Solution>Solve>Current LS，彈出一個(gè)求解選項(xiàng)信息和一個(gè)當(dāng)前求解載荷步對(duì)話框，接受默認(rèn)設(shè)置，單擊“OK”，開始求解運(yùn)算，直到出現(xiàn)一個(gè)“Solution is done”的提示欄，表示求解結(jié)束。圖3-40 初次分析計(jì)算隧道襯砌支護(hù)結(jié)構(gòu)變形圖 4）查看第2次分析計(jì)算結(jié)構(gòu)變形圖：Main Menu>General Postproc>Plot Results>Deformed shape，彈出一個(gè)“Plot Deformed Shape”的對(duì)話框，選中“Def+undeformed”并單擊“OK”，出現(xiàn)第2次分析計(jì)算

34、的隧道襯砌支護(hù)結(jié)構(gòu)變形圖。圖形顯示，第2次分析計(jì)算仍有受拉彈簧。 5）再次去掉受拉彈簧，重復(fù)2）4），直到分析計(jì)算出的隧道襯砌支護(hù)結(jié)構(gòu)變形圖中沒有受拉彈簧為止。最后經(jīng)過3次反復(fù)分析計(jì)算，終于得到?jīng)]有受拉彈簧時(shí)的隧道結(jié)構(gòu)模型，如圖3-41所示。其對(duì)應(yīng)的分析計(jì)算隧道襯砌支護(hù)結(jié)構(gòu)變形圖如圖3-42所示。6）保存計(jì)算結(jié)果到文件：Utility Menu> File> Save as，彈出一個(gè)“Save Database”對(duì)話框，在“Save Database to”下面的輸入欄中輸入文件名“support result.db”，單擊“OK”。u 進(jìn)行隧道結(jié)構(gòu)受力分析時(shí)，用地層彈簧來模擬圍巖

35、與結(jié)構(gòu)間相互作用，在隧道頂部90度范圍內(nèi)，起變形背向地層，不受圍巖的約束而自由變形，這個(gè)區(qū)域稱為“脫離區(qū)”，不需要添加彈簧單元。在隧道兩側(cè)及底部，結(jié)構(gòu)產(chǎn)生朝向地層的變形，并受到圍巖約束阻止其變形，因而圍巖對(duì)襯砌產(chǎn)生了彈性抗力，這個(gè)區(qū)域稱為“抗力區(qū)”，需要添加彈簧單元。u 進(jìn)行完第一次求解后，查看結(jié)構(gòu)變形圖，去除受拉彈簧單元，再進(jìn)行求解，再查看結(jié)構(gòu)變形圖，反復(fù)進(jìn)行，直到最終計(jì)算出結(jié)構(gòu)變形圖無受拉彈簧為止。圖3-41 最后隧道結(jié)構(gòu)模型圖圖3-42 最終隧道結(jié)構(gòu)變形圖 2畫出主要圖形 1）繪制結(jié)構(gòu)變形圖：Main Menu>General Postproc>Plot Results>

36、;Deformed shape，彈出一個(gè)“Plot Deformed Shape”的對(duì)話框，選中“Def+undeformed”并單擊“OK”，就得到隧道結(jié)構(gòu)變形圖，如圖3-42所示。 2）將節(jié)點(diǎn)彎矩、剪力、軸力制表：Main Menu>General Postproc>Element Table>Define Table，彈出一個(gè)“Element Table Data”對(duì)話框，如圖3-43所示。單擊“Add”按鈕，彈出一個(gè)“Define Additional Element Table Items”對(duì)話框，如圖3-44所示。圖3-43 單元數(shù)據(jù)制表對(duì)話框圖3-44 定義單元

37、數(shù)據(jù)表對(duì)話框 在圖3-44對(duì)話框中，在“User label for item”欄后面輸入“IMOMEMT”，在“Item Comp Results data item”欄后面的左邊下拉菜單中選取“By sequence num”，在右欄輸入“6”，然后單擊“Apply”按鈕；再次在“User label for item”欄后面輸入“JMOMEMT”，在“Item Comp Results data item”欄后面的左邊下拉菜單中選取“By sequence num”，在右欄輸入“12”，然后單擊“Apply”按鈕；這樣同樣方法依次輸入“ISHEAR，2”、“JSHEAR，8”、“ZHOU

38、LI-I，1”、“ZHOULI-J，7”，最后得到定義好后的單元數(shù)據(jù)表對(duì)話框，如圖3-45所示。圖3-45 定義好后的單元數(shù)據(jù)表對(duì)話框3）設(shè)置彎矩分布標(biāo)題：Utility Menu> File> Change title，彈出一個(gè)“Change Title”對(duì)話框，如圖3-46所示。在“Enter new title”下面的輸入欄中輸入文件名“BENDING MOMENT distribution”，單擊“OK”。圖3-46 設(shè)置標(biāo)題對(duì)話框 4）畫結(jié)構(gòu)彎矩圖：Main Menu>General Postproc>Plot Results>Contour Plot&

39、gt;Line Element Results，彈出一個(gè)“Plot Line-Element Results”對(duì)話框，如圖3-47所示。在“Element table item at node I”欄后面下拉菜單選取“IMOMENT”，在“Element table item at node J”欄后面下拉菜單選取“JMOMENT”，在“Optional scale factor”后面欄中輸入“-0.8”，在“Items to be plotted on”欄后面選中“Deformed shape”，單擊“OK”按鈕，得到隧道襯砌支護(hù)結(jié)構(gòu)的彎矩圖，如圖3-48所示。 5) 設(shè)置剪力分布標(biāo)題：Ut

40、ility Menu> File> Change title，彈出一個(gè)“Change Title”對(duì)話框。在“Enter new title”下面的輸入欄中輸入文件名“SHEAR force distribution”，單擊“OK”。圖3-47 畫結(jié)構(gòu)彎矩圖對(duì)話框圖3-48 結(jié)構(gòu)彎矩圖 （單位：N.m） 6）畫結(jié)構(gòu)剪力圖：Main Menu>General Postproc>Plot Results>Contour Plot>Line Element Results，彈出一個(gè)如圖3-49所示的對(duì)話框。在“Element table item at node

41、I”欄后面下拉菜單選取“ISHEAR”，在“Element table item at node J”欄后面下拉菜單選取“JSHEAR”，在“Optional scale factor”后面欄中輸入“-1”，在“Items to be plotted on”欄后面選中“Deformed shape”，單擊“OK”按鈕，得到隧道襯砌支護(hù)結(jié)構(gòu)的剪力圖，如圖3-50所示。圖3-49 畫結(jié)構(gòu)剪力圖對(duì)話框如圖3-50 結(jié)構(gòu)剪力圖（單位：N）7) 設(shè)置軸力分布標(biāo)題：Utility Menu> File> Change title，彈出一個(gè)“Change Title”對(duì)話框。在“Enter ne

42、w title”下面的輸入欄中輸入文件名“ZHOULI force distribution”，單擊“OK”。8）畫結(jié)構(gòu)軸力圖：Main Menu>General Postproc>Plot Results>Contour Plot>Line Element Results，彈出一個(gè)對(duì)話框。在“Element table item at node I”欄后面下拉菜單選取“ZHOULI-I”，在“Element table item at node J”欄后面下拉菜單選取“ZHOULI-J”，在“Optional scale factor”后面欄中輸入“-0.6”，在“I

43、tems to be plotted on”欄后面選中“Deformed shape”，單擊“OK”按鈕，得到隧道襯砌支護(hù)結(jié)構(gòu)的軸力圖，如圖3-51所示。圖3-51結(jié)構(gòu)軸力圖（單位：N）u 輸出圖形設(shè)置時(shí)，輸出圖形比例因子ANSYS默認(rèn)是1，用戶可以根據(jù)實(shí)際需要縮小或放大圖形輸出，來滿足實(shí)際需要。u ANSYS默認(rèn)輸出的彎矩圖與我們實(shí)際土木工程的彎矩圖相反，因?yàn)橥聊竟こ桃?guī)定，當(dāng)結(jié)構(gòu)的哪一側(cè)受拉時(shí)，彎矩圖就應(yīng)該畫在哪一側(cè)，策略是在輸出圖形比例因子前乘以-1，就可以得到我們所需要的彎矩圖。u 輸出圖形比例因子最好設(shè)置為絕對(duì)值小于1的數(shù)。3.列出主要數(shù)據(jù)1）選擇隧道支護(hù)線上所有節(jié)點(diǎn)：Utility

44、Menu>Entities.，彈出一個(gè)“Select Entities”對(duì)話框，如圖3-52所示。在第一個(gè)下拉菜單選擇“Nodes”，在第2個(gè)下拉菜單選擇“By Num/Pick”，第3欄選中“From Full”，單擊“OK”按鈕，彈出一個(gè)選擇節(jié)點(diǎn)對(duì)話框，用鼠標(biāo)選取隧道支護(hù)線所有節(jié)點(diǎn)，單擊“OK”按鈕。2）選擇隧道支護(hù)線上所有單元：Utility Menu>Entities.，彈出一個(gè)“Select Entities”對(duì)話框，如圖3-53所示。在第一個(gè)下拉菜單選擇“Elements”，在第2個(gè)下拉菜單選擇“By Num/Pick”，第3欄選中“Also Selected”，單擊“

45、OK”按鈕，彈出一個(gè)選擇單元對(duì)話框，用鼠標(biāo)選取隧道支護(hù)線所有單元，單擊“OK”按鈕。 圖3-52 選取節(jié)點(diǎn)對(duì)話框 圖3-53 附加選取單元對(duì)話框3）列表顯示各節(jié)點(diǎn)的位移：Main Menu>General Postproc>List Results>Nodal Solution，彈出一個(gè)“List Nodal Solution”對(duì)話框，如圖3-54所示。用鼠標(biāo)依次單擊“Nodal Solution”和“DOF SOLUTION”，再選中“Displacement Vector Sum”，然后單擊“OK”按鈕，彈出節(jié)點(diǎn)位移數(shù)據(jù)文件。再次執(zhí)行Main Menu>Genera

46、l Postproc>List Results>Nodal Solution，彈出一個(gè)“List Nodal Solution”對(duì)話框，如圖3-54所示。用鼠標(biāo)依次單擊“Nodal Solution”和“DOF SOLUTION”，再選中“Rotation Vector Sum”，然后單擊“OK”按鈕，彈出節(jié)點(diǎn)位移數(shù)據(jù)文件。最后得到各節(jié)點(diǎn)的位移數(shù)據(jù)，如表3-5所示。圖3-54 列出各節(jié)點(diǎn)位移對(duì)話框節(jié)點(diǎn)位移表3-5 4）列表顯示單元的彎矩、剪力和軸力：Main Menu>General Postproc>List Results>Element TableData，

47、彈出一個(gè)“List Element TableData”對(duì)話框，如圖3-55所示。在“Item to be listed”欄后面下拉菜單選中“IMONENT、JMOMENT、ISHEAR、JSHEAR、ZHOULI-I、ZHOULI-J”，然后單擊“OK”按鈕，彈出單元數(shù)據(jù)表文件，見表3-6。圖3-55 列出單元數(shù)據(jù)表對(duì)話框表3-6 單元數(shù)據(jù)表3.3.3.6退出ANSYS單擊工具條上的“Quit”彈出一個(gè)“Exit from ANSYS”對(duì)話框，選取“QuitNo Save!”，單擊“OK”，則退出ANSYS軟件。3.3.4 命令流實(shí)現(xiàn)（1）創(chuàng)建物理環(huán)境/COM, Structural ! 指

48、定結(jié)構(gòu)分析/TITLE,Tunnel Support Structural Analysis ! 定義工作標(biāo)題/FILNAM,support,1 ! 定義工作文件名！進(jìn)入前處理器/PREP7 ！定義單元ET,1,BEAM3 ! 定義梁?jiǎn)卧狤T,2,COMBIN14 ! 定義彈簧單元! 定義材料屬性MP,EX,1,3E10 MP,PRXY,1,0.2 MP,DENS,1,2500! 定義實(shí)常數(shù)R,1,0.65,0.65*0.65*0.65/12,0.65, R,2,0.85,0.85*0.85*0.85/12,0.85,0,0,0, R,3,300000000, , , （2）建立幾何模型! 創(chuàng)

49、建隧道襯砌支護(hù)關(guān)鍵點(diǎn)K,1, ! 有節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)生成關(guān)鍵點(diǎn)K,2,3.85, K,3,.88,5.5, K,4,2.45,6.15, K,5,4.02,5.5, K,6,4.9,3.85, K,7,4.9,0, ! 創(chuàng)建隧道襯砌支護(hù)線LARC,1,2,6,8.13, ! 由2個(gè)端點(diǎn)及曲率中心加半徑生成弧線LARC,2,3,6,3.21, LARC,3,4,6,2.22, LARC,4,5,2,2.22, LARC,5,6,2,3.21, LARC,6,7,2,8.13, LARC,7,1,4,6, ！保存幾何模型SAVE,'Support-geom','db',&#

50、39;D:ansysexample301' （3）劃分網(wǎng)格，生成隧道襯砌支護(hù)單元lsel,s,line,1,6,1 ！選擇線L1、L2、L3、L4、LL5、L6LATT,1,1,1, , , , ！給所選的線賦予材料特性LSEL,s, , ,7 LATT,1,2,1, , , , lsel,s,line,1,6,5LESIZE,all,4, ！設(shè)置網(wǎng)格劃分份數(shù)為4lsel,s,line,2,5,1LESIZE,all,2, lsel,s,line,7LESIZE,all,8, lsel,allLmesh,all ！線網(wǎng)格劃分，生成支護(hù)單元（4）添加彈簧單元/PNUM,NODE,1 ！打

51、開節(jié)點(diǎn)號(hào)開關(guān) ！生成24根彈簧單元PSPRNG,1,TRAN,300000000,-0.97029572,-0.241921895, ！添加彈簧單元1 PSPRNG,2,TRAN,300000000,-0.97437006,0.22495105, PSPRNG,3,TRAN,300000000,-0.98628560,-0.1604761, PSPRNG,4,TRAN,300000000,-0.99919612,-0.00872654, PSPRNG,5,TRAN,300000000,-0.98901586,0.14780941, PSPRNG,6,TRAN,300000000,-0.7071

52、0678,0.70710678, PSPRNG,7,TRAN,300000000,-0.88294757,0.469471561, PSPRNG,10,TRAN,300000000,0.70710678,0.70710678, PSPRNG,13,TRAN,300000000,0.88294757,0.469471561, PSPRNG,12,TRAN,300000000,0.97437006,0.22495105, PSPRNG,15,TRAN,300000000,0.98901586,0.14780941, PSPRNG,16,TRAN,300000000,0.99996192,-0.00

53、872654, PSPRNG,17,TRAN,300000000,0.98628560,-0.1604768, PSPRNG,14,TRAN,300000000,0.97029572,-0.241921895,PSPRNG,18,TRAN,300000000,0.30901699,-0.95105651, PSPRNG,19,TRAN,300000000,0.20791169,-0.9781476, PSPRNG,20,TRAN,300000000,0.10452846,-0.99452189, PSPRNG,21,TRAN,300000000,0,-1, PSPRNG,22,TRAN,300000000,-0.10452846,-0.99452189, PSPRNG,23,TRAN,300000000,-0.20791169,-0.9781476, PSPRNG,24,T