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

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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 (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)

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。

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。

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 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

（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

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。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=ρgh=2800*10*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。