ANSYS计算算例(结构-荷载法)解析

ANSYS计算算例•拱形结构算例–铁路隧道–公路隧道–地铁区间隧道(矿山法施工)•矩形框架结构–地下街–地下停车场–地铁车站•圆形结构–地铁区间隧道(盾构法施工)拱形结构分析步骤某单线电化铁路隧道衬砌如下图a.岩体特性岩体为III级围岩，隧道埋深100m；岩体重度23kN/m3围岩的弹性反力系数1200KMPa/m，基底围岩弹性反力系数KK25.1a。b.衬砌材料采用C20混凝土；重度25hkN/m3，弹性模量27cEGPa混凝土衬砌轴心抗压强度标准值ckf5.13Mpa混凝土轴心抗拉强度标准值ctkf7.1MPa。一、选定分析模块•Mainmenupreferences选定structural分析模块二、模型建立及网格划分1、单元类型的选定–梁单元：beam3–弹簧单元：combine14Mainmenu：PreprocessorElementtypeAdd/Edit/Delete弹出对话框重复选定单元完成后,在单元类型框中显示选定的两种单元。2、定义单元的实常数•梁单元实常数•弹簧单元实常数Menumenu：PreprocessorRealconstants出现下面对话框梁单元的实常数有三个：截面积＝bh（b＝1m，h＝0.4m）惯性矩＝bh3／12梁高度＝h3、定义衬砌材料属性衬砌材料为混凝土材料：弹性模量Ec＝27GPa＝27000000000Pa泊松比＝0.3Menumenu：PreprocessorMaterialPropsMaterialModel选中右框中Stractural－Linear－Isotropic，弹出输入常数对话框，输入弹性模量和泊松比。计算中考虑结构自重对结构内力的影响，还应在此输入材料的密度。Nonlinear-Density4、模型建立（1）第一段圆弧的输入（圆心：0，－3.41，起点：0，0，圆心角：45º）Menumenu：PreprocessorMaterialPropsModelingCreateLinesArcsByCent&Radius在命令输入框中，先输入圆心坐标（0，-3.41）并回车，再输入起点坐标（0，0）并回车后，弹出下图交互式对话框，并输入第一段圆弧的圆心角45º。（2）第二段圆弧的输入（圆心：0.45，－3.86，起点：-2.411234,-0.9987659，圆心角：33.85º）注意:第二段圆弧的起点是第一段圆弧的终点UtilityMenuListKeypointscoodinatesonly（3）直边墙的输入第二段圆弧的终点即是直边墙的顶点，查出该点坐标为（-3.520017，-3.077515），并由此计算出直边墙底端点的坐标为（-3.520017，-7.507515）GUI：MainMenuPreprocessorCreateKeypointsInActiveCS弹出交互式对话框，并输入直边墙底端坐标。GUI：MainMenuPreprocessorCreateLineStraightLine。弹出如图所示拾取框，先拾取4点，再拾取5点。（4）映射生成完整结构经过以上三步建模后，生成了半个结构，由于结构正对称，可通过映射生成完整结构。GUI：MainMenuPreprocessorReflectLines弹出拾取框，按PickAll拾取框拾取所有线条弹出对话框按OK键，映射出整个结构生成圆弧、直线及映射过程中，点的编号又重复的现象，此时，应对点的编号进行合并和压缩。GUI：MainMenuPreprocessorNumberingCtrlsMergeItems(CompressNumbers)分别弹出以下对话框，在第一栏中选keypoints后确认即完成。5、结构网格划分将实体拱形结构划分为梁单元的组合体。（1）分配单元的属性分配单元的属性相当于把单元指向模型的某些部分，其中单元属性包括：单元类型号、材料号、实常数号、坐标号等。有两种方法把单元属性分配到模型上。–直接分配属性到模型图元上；–定义默认属性集，通过分网把默认属性分配到图元上。GUI：MainmenuPreprocessorDefine，单元属性定义的典型对话框如图：（2）网格划分按0.4m长度划分单元。GUI：MenumenuPreprocessorMeshtool，在右图中按mesh，并选取所有的线条后，即完成了网格划分。按下述操作显示单元划分结果：GUI：UtilityMenuPlotCtrlsNumberingcoodinatesonly6、生成径向弹簧单元将围岩离散为弹簧单元，沿径向作用在结构的外侧。（1）局部坐标系的定义在结构顶部设置径向弹簧时，需要定义局部柱坐标系，在当前活动坐标系中定义局部坐标系的命令为：CLOCAL,KCN,KCS,XL,YL,ZL,THXY,THYZ,THZX其中：KCN－为局部坐标号，大于10；KCS—为坐标形式，0为直角坐标系，1为柱坐标系（Z轴为旋转轴），2为球坐标系，3为柱坐标系（Y轴为旋转)；XL,YL,ZL—定义局部坐标系原点在当前活动坐标系中的坐标；THXY,THYZ,THZX—为相对转动角；定义后应激活该局部坐标系，才能在局部坐标系下操作，激活局部坐标系的操作为：GUI：UtilityMenuWorkPlaneChangeActiveCStoSpecifiedCoordSys然后在交互式对话框中输入相应的局部坐标号即激活了该坐标。以后的操作要回到原先全局坐标系，也应重新激活，操作为：GUI：UtilityMenuWorkPlaneChangeActiveCStoGlobalCartesian／GlobalCylindrical/GlobalSpherical其中：GlobalCartesian为全局直角坐标系；GlobalCylindrical为全局柱坐标系；GlobalSpherical为全局球坐标系。（2）顶部第一段圆弧径向弹簧的设置A、定义局部坐标在命令输入窗口中输入命令并回车：CLOCAL,11,1,0,-3.41,0,0,0,0B、生成弹簧单元激活定义的11号局部坐标系，并按如下操作生成第一段圆弧的径向弹簧。弹出拾取框，拾取第一段圆弧上任意一点，弹出输入弹簧参数对话框：需要输入的参数：K－弹性系数；K＝klb，k=1200MPa，l=0.4m，b=1mDX、DY、DZ—弹簧的另一端相对于选定端的偏移距离，直角坐标系中代表（dx,dy,dz），柱坐标系中代表（dr,dθ,dz），球坐标系中代表（dr,dφ,dθ）。按下Apply重复拾取其他点，并重复上述操作，完成第一段圆弧的径向弹簧设置。（2）顶部第二、三段圆弧径向弹簧的设置首先激活全局直角坐标，再定义第二、三段圆弧的局部坐标，并激活，然后按上一步中的B步分别生成两段圆弧上径向弹簧。（3）直边墙径向弹簧的设置首先激活全局直角坐标，按（1）中B步分别生成直边墙径向弹簧。注意DX，DY，DZ的代表意义及输入。1、荷载计算及转化(1)荷载计算对深埋隧道用《隧规》推荐的统计法公式计算得：竖向围岩压力：q=54084.25Pa；水平围岩压力：e＝0.15q=8112.64Pa(2)匀布荷载转化为等效节点荷载将匀布荷载按如下步骤转化成等效节点力。A、列出结构上所有节点坐标GUI：UtilityMenuListNodes三、加载及约束列出将所有的节点坐标文件，并将其保存成另外一个文件（3）将等效节点荷载加在结构上加载命令为：F，n，FX，num或F，n，FY，num其中：F为加载命令，n为节点号，FX、FY分别为为X、Y方向的力，num为力的大小。在excel中将等效节点力计算出来，并将其整理成加载命令的表格形式，在word中转化成命令流形式。A、粘贴加入将word中的命令流直接粘贴到ANSYS的命令输入窗口然后回车,注意：ANSYS需进入加载模块后方可进行粘贴，否则粘贴无效。GUI：MenuMainApplyB、文件导入将编辑好的命令流存为.TXT文本文件。然后用ANSYS导入。例如文件名存为load1.txt，其导入为：GUI：UtilityMenuReadInputFrom2、约束的设置对于拱形结构，约束墙底的水平位移，同时为避免结构整体沉降大，使弹簧全部受拉，往往也约束墙底的竖直位移。GUI：MenuMainSolutionApplyDisplacementOnNodes拾取基底两节点选取UX,UY并输入限制位移值03、惯性荷载加入惯性荷载是与质量相关的荷载，该处是加入重力加速度。为了利用惯性效果来模拟重力，应当在重力的相反方向施加惯性项，即在Y方向施加一个加速度荷载相当于模拟-Y方向的重力：GUI：MenuMainSolutionApplyGravity1、第一次求解上述三大步完成后即可进行求解。GUI：MenuMainSolutionCurrentLS四、求解及弹簧的修正2、查看结算结果（1）结构变形变形