隧道及地下工程ANSYS实例分析 第5章 双线铁路隧道衬砌结构设计力学分析.doc

第1章 大型有限元软件ANSYS简介　　　　　　　　　10
5.1 二次衬砌结构力学分析
/TITLE，Mechanical analysis on railway tunnel 2nd lining ! 确定分析标题
/NOPR !菜单过滤设置
/PMETH，OFF，0
KEYW，PR_SET，1
KEYW，PR_STRUC，1 !保留结构分析部分菜单
/COM，
/COM，Preferences for GUI filtering have been set to display:
/COM， Structural
!
/PREP7 !进入前处理器
ET，1，BEAM3 !设置梁单元类型
ET，2， COMBIN14 !设置弹簧单元类型
R，1，0.4，0.0053333，0.4， ， ， ， !设置梁单元几何常数
R，2，400e6， ， ， !设置弹簧单元几何常数
MPTEMP，，，，，，，， !设置材料模型
MPTEMP，1，0
MPDATA，EX，1，，30.0e9 !输入弹性模量
MPDATA，PRXY，1，，0.2 !输入泊松比
MPTEMP，，，，，，，， !设置材料模型
MPTEMP，1，0
MPDATA，DENS，1，，2500 !输入密度
SAVE !保存数据库
1． 建立几何模型
K, 1, , , , !创建关键点（隧道二次衬砌）
K, 2, 4.71, -1.82, ,
K, 3, -4.71, -1.82, ,
K, 4, 0, -3.75, ,
K, 5, 0, 5.05, ,
K, 20, 5.6, -2.162, , !创建关键点（地层弹簧）
K, 30, -5.6, -2.16, ,
K, 40, 0, -4.75, ,
K, 50, 0, 6, ,
!创建隧道衬砌线
LARC, 2, 5, 1, 5.05, !创建圆弧线（拱顶部）
LARC, 5, 3, 1, 5.05,
LARC, 2, 3, 4 !创建圆弧线（仰拱部）
! 创建地层弹簧线
LARC, 20, 50, 1, 6, !创建圆弧线（拱顶部）
LARC,50, 30, 1, 6,
LARC, 20, 30, 40 !创建圆弧线（仰拱部）
SAVE !保存数据
2． 单元网格划分
设置单元大小并将所有直线划分单元，其单元图如图5-8所示。
LESIZE,ALL, , ,10, ,1, , ,1, !设置单元大小, 每条弧线划分成10个单元
TYPE, 1 !设置将要创建单元的类型
MAT, 1 !设置将要创建单元的材料
REAL, 1 !设置将要创建单元的几何常数
LMESH,1,6,1 !将所有直线划分单元
/PNUM, KP, 0 !以下为显示单元编号和颜色
/PNUM, ELEM, 1
/REPLOT !重新显示
SAVE
TYPE, 2 !设置将要创建单元的类型
MAT, 1 !设置将要创建单元的材料
REAL, 2 !设置将要创建单元的几何常数
E, 1,31 !通过两个节点创建弹簧单元
E, 2,32
E,3,33
E,4,34
E,5,35
E,6,36
E,7,37
E,8,38
E,9,39
E,10,40
E,11,41
E,12,42
E,13,43
E,14,44
E,15,45
E,16,46
E,17,47
E,18,48
E,19,49
E,20,50
E,21,51
E,22,52
E,23,53
E,24,54
E,25,55
E,26,56
E,27,57
E,28,58
E,29,59
E,30,60
Lclear,4,6,1 !清除用于创建地层弹簧单元的外层梁单元
LDELE,4, 6,1 ,1 !删除外层直线
Finish !返回Main Menu 主菜单
5.1.2 加载与求解
/SOL !进入求解器
d,31,ux,0,0,60,1,uy, !在“Ux”和“Uy”两个方向的施加约束
ACEL, 0, 10, 0, !在Y方向施加重力加速度
F, 2 ,Fx, 0 !在节点上施加X方向集中力
F, 13 ,Fx, 43554.43356
F, 14 ,Fx, 86574.64508
F, 15 ,Fx, 128464.6048
F, 16 ,Fx, 168285.8813
F, 17 ,Fx, 204799.5937
F, 18 ,Fx, 236448.4444
F, 19 ,Fx, 261396.9365
F, 20 ,Fx, 277795.0781
F, 21 ,Fx, 283894.0611
F, 12 ,Fx, 247397.3915
F, 30 ,Fx, 190308.0663
F, 29 ,Fx, 149683.6899
F, 28 ,Fx, 103226.8339
F, 27 ,Fx, 52665.0399
F, 26 ,Fx, 0
F, 25 ,Fx, -52665.0399
F, 24 ,Fx, -103226.8339
F, 23 ,Fx, -149683.6899
F, 22 ,Fx, -190308.0663
F, 1 ,Fx, -247397.3915
F, 3 ,Fx, -283894.0611
F, 4 ,Fx, -277795.0781
F, 5 ,Fx, -261396.9365
F, 6 ,Fx, -236448.4444
F, 7 ,Fx, -204799.5937
F, 8 ,Fx, -168285.8813
F, 9 ,Fx, -128464.6048
F, 10 ,Fx, -86574.64508
F, 11 ,Fx, -43554.43356
F, 2 ,Fy, -449636.88 !在节点上施加Y方向集中力
F, 13 ,Fy, -441210
F, 14 ,Fy, -416229.66
F, 15 ,Fy, -375629.1
F, 16 ,Fy, -320951.4
F, 17 ,Fy, -254238.6
F, 18 ,Fy, -178008.6
F, 19 ,Fy, -95102.7
F, 20 ,Fy, 0
F, 21 ,Fy, 82772.64
F, 12 ,Fy, 259324.92
F, 30 ,Fy, 413398.46
F, 29 ,Fy, 454320.04
F, 28 ,Fy, 484308
F, 27 ,Fy, 502604.08
F, 26 ,Fy, 508719.08
F, 25 ,Fy, 502604.08
F, 24 ,Fy, 484308
F, 23 ,Fy, 454320.04
F, 22 ,Fy, 413398.46
F, 1 ,Fy, 259324.92
F, 3 ,Fy, 82772.64
F, 4 ,Fy, 0
F, 5 ,Fy, -95102.7
F, 6 ,Fy, -178008.6
F, 7 ,Fy, -254238.6
F, 8 ,Fy, -320951.4
F, 9 ,Fy, -375629.1
F, 10 ,Fy, -416229.66
F, 11 ,Fy, -441210
Save
NROPT, FULL, , !采用全牛顿－拉普森法进行求解
Allsel !选择所有内容
Outres, all, all !输出所有内容
Solve !求解计算
Finish !求解结束返回Main Menu 主菜单
SAVE
5.1.3 后处理
1． 初次查看内力和变形结果
/POST1 !进入后处理器
PLDISP, 1 !绘制变形和未变形图
ETABLE, , SMISC, 6 ! 6、12表示弯矩
ETABLE, , SMISC, 12
ETABLE, , SMISC, 1 ! 1、7表示轴力
ETABLE, , SMISC, 7
ETABLE, , SMISC, 2 ! 2、8表示剪力
ETABLE, , SMISC, 8
查看内力, 包括弯矩、轴力和剪力，如图5-12、图5-13和图5-14所示。路径：General Postproc> Plot Results> Contour Plot> Line Elem Res。
PLLS, SMIS6, SMIS12, -1, 0 !绘制弯矩图
ESEL,R,TYPE,,1 !仅显示单元类型1
PLLS, SMIS1, SMIS7, 1, 0 !绘制轴力图
PLLS, SMIS2, SMIS8, 1, 0 !绘制剪力图
2． 去除受拉弹簧再计算
Finish !结束后处理器操作
/sol !进入求解器
Ekill,62 !杀死62号地层弹簧单元
Ekill,71
Ekill,70
Ekill,73
Ekill,74
Ekill,88
Ekill,86
Ekill,87
Ekill,85
Ekill,86
SAVE
Allsel !选择所有内容
Solve !求解计算
Finish !求解结束返回Main Menu 主菜单
SAVE
3． 查看最后计算结果
/POST1
ETABLE, REFL !更新单元表数据
PRETAB, SMIS6, SMIS12, SMIS1, SMIS7, SMIS2, SMIS8 !打印单元表数据
PRNSOL, DOF, !打印节点位移

5.2 台阶法施工过程仿真分析
1． 材料、实常数和单元类型定义
/TITLE，Mechanical analysis on railway tunnel 1nd lining ! 确定分析标题
/NOPR !菜单过滤设置
/PMETH，OFF，0
KEYW，PR_SET，1
KEYW，PR_STRUC，1 !保留结构分析部分菜单
/COM，Preferences for GUI filtering have been set to display:
/COM， Structural
/PREP7 !进入前处理器
ET,1,PLANE42 !设置实体单元类型
KEYOPT,1,1,0
KEYOPT,1,2,0
KEYOPT,1,3,2 !设置为平面应变模式
KEYOPT,1,5,0
KEYOPT,1,6,0
ET，2，BEAM3 !设置梁单元类型
ET,3,LINK1 !设置杆单元类型
R,1,0.2,0.0008,0.2, , , , !设置梁单元几何常数
R,2,0.0005, , !设置杆单元几何常数
MPTEMP,,,,,,,,
MPTEMP,1,0
MPDATA,EX,1,,3.2e9 !输入弹性模量（围岩）
MPDATA,PRXY,1,,0.32 !输入泊松比（围岩）
MPDATA,DENS,1,,2200 !输入密度（围岩）
MPDATA,EX,2,,27.5e9 !输入弹性模量（喷射混凝土）
MPDATA,PRXY,2,,0.2 !输入泊松比（喷射混凝土）
MPDATA,DENS,2,,2500 !输入密度（喷射混凝土）
MPDATA,EX,3,,200e9 !输入弹性模量（锚杆）
MPDATA,PRXY,3,,0.3 !输入泊松比（锚杆）
MPDATA,DENS,3,,7800 !输入密度（锚杆）
SAVE !保存数据库
2． 建立几何模型
K,1,0,0,, !创建隧道轮廓线关键点
K,2,5.45,0,,
K,3,0,5.45,,
K,4,-5.45,0,,
K,5,-5.0838,-1.964,,
K,6,0,-4.15,,
K,7,5.0838,-1.964,,
K,8,8.45,0,, !创建锚杆加固区域关键点
K,9,0,8.45,,
K,10,-8.45,0,,
K,11,13,0,,
K,12,0,13,,
K,13,-13,0,,
K,14,-13,13,,
K,15,13,13,,
K,16,8.45,-8.45,,
K,17,-8.45,-8.45,,
K,18,-13,-13,,
K,19,13,-13,,
K,20,0,26,, !创建计算区域关键点
K,21,13,26,,
K,22,-13,26,,
K,23,-13,-34,,
K,24,13,-34,,
K,25,0,-34,,
K,26,50,-34,,
K,27,-50,-34,,
K,28,-50,26,,
K,29,50,26,,
K,30,50,13,,
K,31,50,0,,
K,32,50,-13,,
K,33,-50,-13,,
K,34,-50,0,,
K,35,-50,13,,
K,36,0,-8.45
K,37,0,-13
K,38,2.8653,-3.5371
K,39,-2.8653,-3.5371
SAVE
LARC,2,3,1,5.45, !* 画隧道轮廓线
LARC,3,4,1,5.45, !*
LARC,4,5,1,5.45,
LARC, 5, 6, 39 !*
LARC,7,2,1,5.45,
LARC,8,9,1,8.45, !* 画锚杆加固区域线
LARC,9,10,1,8.45,
LSTR, 1, 2 !* 画其它分割线
LSTR, 1, 3
LSTR, 1, 4
LSTR, 1, 6
LSTR, 2, 8
LSTR, 4, 10
LSTR, 8, 11
LSTR, 11, 15
LSTR, 15, 12
LSTR, 12, 9
LSTR, 12, 14
LSTR, 14, 13
LSTR, 13, 10
LSTR, 10, 17
LSTR, 13, 18
LSTR, 8, 16
LSTR, 11, 19
LSTR, 17, 36
LSTR, 36, 16
LSTR, 6, 36
LSTR, 36, 37
LSTR, 18, 37
LSTR, 37, 19
LSTR, 37, 25
LSTR, 19, 24
LSTR, 18, 23
LSTR, 14, 22
LSTR, 12, 20
LSTR, 15, 21
LSTR, 22, 20
LSTR, 20, 21
LSTR, 23, 25
LSTR, 25, 24
LSTR, 24, 26
LSTR, 19, 32
LSTR, 11, 31
LSTR, 15, 30
LSTR, 21, 29
LSTR, 22, 28
LSTR, 14, 35
LSTR, 13, 34
LSTR, 18, 33
LSTR, 23, 27
LSTR, 26, 32
LSTR, 32, 31
LSTR, 31, 30
LSTR, 30, 29
LSTR, 27, 33
LSTR, 33, 34
LSTR, 34, 35
LSTR, 35, 28
LSTR, 3, 9
LARC, 6, 7, 38 !*
SAVE !保存数据, 生成的直线如图5-20所示。
Al, 8, 1, 9, !采用线创建面，依次创建24个面
Al, 9, 2, 10,
Al, 10, 3, 4, 11,
Al, 11, 60, 5, 8,
Al, 12, 6, 59, 1,
Al, 59, 7, 13, 2,
Al, 27, 26, 23, 12, 5, 60,
Al, 27, 25, 21, 13, 3, 4,
Al, 14, 15, 16, 17, 6,
Al, 17, 7, 20, 19, 18,
Al, 20, 21, 25, 28, 29, 22,
Al, 30, 24, 14, 23, 26, 28,
Al, 39, 31, 29, 33,
Al, 40, 32, 30, 31,
Al, 41, 51, 42, 32,
Al, 42, 52, 43, 24,
Al, 43, 53, 44, 15,
Al, 44, 54, 45, 36,
Al, 16, 35, 38, 36,
Al, 18, 34, 37, 35,
Al, 47, 58, 46, 34,
Al, 48, 57, 47, 19,
Al, 49, 56, 48, 22,
Al, 50, 55, 49, 33,
SAVE !保存数据
3． 创建网格模型
lesize,1,,,8,,,,,1 !设置单元大小, 即L1线划分成8个单元
TYPE, 1 !设置将要创建单元的类型
MAT, 1 !设置将要创建单元的材料
REAL, 1 !设置将要创建单元的几何常数
NL
(NDIV)
NL
(NDIV)
NL
(NDIV)
NL
(NDIV)
NL
(NDIV)
NL
(NDIV)
1
8
11
8
21
4
31
5
41
8
51
5
2
8
12
3
22
4
32
5
42
8
52
4
3
2
13
3
23
4
33
5
43
8
53
4
4
6
14
3
24
4
34
4
44
8
54
4
5
2
15
4
25
4
35
4
45
8
55
5
6
8
16
4
26
4
36
4
46
8
56
4
7
8
17
3
27
3
37
4
47
8
57
4
8
8
18
4
28
3
38
4
48
8
58
4
9
8
19
4
29
4
39
4
49
8
59
3
10
8
20
3
30
4
40
4
50
8
60
6
!按照“lesize,1,,,8,,,,,1”格式，将其他59条线也进行被划分单元数设置
AMAP,1,1,2,3, ! 划分面1，依次单击关键点1，2，3进行映射
AMAP,2,1,3,4,
AMAP,3,1,4,6,
AMAP,4,6,2,1, ! 面1到4，为隧道内开挖土体
AMAP,5,2,8,9,3 ! 划分锚固加固去围岩单元，包括面5和6
AMAP,6,3,9,10,4
AMAP,7,6,36,8,2
AMAP,8,4,10,36,6
AMAP,9,8,11,12,9 ! 采用映射划分中心区域其它面
AMAP,10,9,12,13,10
AMAP,11,10,13,37,36
AMAP,12,36,37,11,8
amesh,13,24,1 ! 划分周边区域面
SAVE ! 存储数据
TYPE, 2 !设置将要创建单元的类型
MAT, 2 !设置将要创建单元的材料
REAL, 1 !设置将要创建单元的几何常数
!通过两个节点创建梁单元

E, 2,11
E,11,12
E,12,13
E,13,14
E,14,15
E,15,16
E,16,17
E,17,10
E,10,63
E,63,64
E,64,65
E,65,66
E,66,67
E,67,68
E,68,69
E,69,62
E,62,115
E,115,114
E,114,117
E,117,118
E,118,119
E,119,120
E,120,121
E,121,116
E,116,167
E,167,168
E,168,169
E,169,170
E,170,171
E,171,166
E,166,172
E,172,2

TYPE, 3 !设置将要创建单元的类型
MAT, 3 !设置将要创建单元的材料
REAL, 2 !设置将要创建单元的几何常数
!通过两个节点创建梁单元

E,2,211
E,211,212
E,212,210
E,11,223
E,223,230
E,230,214
E,12,224
E,224,231
E,231,215
E,13,225
E,225,232
E,232,216
E,14,226
E,226,233
E,233,217
E,15,227
E,227,234
E,234,218
E,16,228
E,228,235
E,235,219
E,17,229
E,229,236
E,236,220
E,10,221
E,221,222
E,222,213
E,63,247
E,247,254
E,254,238
E,64,248
E,248,255
E,255,239
E,65,249
E,249,256
E,256,240
E,66,250
E,250,257
E,257,241
E,67,251
E,251,258
E,258,242
E,68,252
E,252,259
E,259,243
E,69,253
E,253,260
E,260,244
E,62,245
E,245,246
E,246,237
Finish

第1章 大型有限元软件ANSYS简介　　　　　　　　　16
5.2.2 加载与自重应力场求解
/SOL !进入求解器
NSEL,S,LOC,X,-50.1,-49.9
NSEL,A,LOC,X,49.9,50.1
d,all,ux,0 !在选择的节点上施加“Ux”约束
Allsel !选择所有内容
NSEL,S,LOC,Y,-34.1,-33.9
d,all,uy,0 !在选择的节点上施加“Uy”约束
（2）施加重力加速度。
ACEL, 0, 10, 0, !在Y方向施加重力加速度
SAVE !施加了位移约束和自重应力场后见图5-25所示。
NROPT, FULL, , !采用全牛顿－拉普森法进行求解
Allsel !选择所有内容
ESEL,S,TYPE,,2 !选择2类单元
ESEL,A,TYPE,,3 !选择3类单元
Ekill,all !对选择的单元给予“死属性”
Allsel !选择所有内容
Solve !求解计算
Finish !求解结束返回Main Menu 主菜单
SAVE
1． 自重应力场后处理
竖向位移（PLNSOL,U,Y,0,1）和应力（PLNSOL,S,Y,0,1）如图5-26和图5-27所示。
5.2.3 上台阶开挖模拟分析
1． 上台阶开挖施工
/post1
Finish !求解结束返回Main Menu 主菜单
/SOL !进入求解器
Allsel !选择所有内容
ANTYPE,,REST,1,1,0 !重新启动求解器
ASEL,S, , ,1,2,1 !选择上台阶面
ESLA,R !选择上台阶土体单元
Ekill,all !对选择的单元给予“死属性”
Allsel !选择所有内容
lsel,s,,,1,2,1,
NSLL,R,1
ESLN,R
ESEL,R,TYPE,,2 !选择2类单元
ESEL,A,TYPE,,3 !选择3类单元
Ealive,all !对选择的单元给予“生属性”
2． 施加节点荷载
FINISH
/POST1 !进入后处理器
Allsel !选择所有内容
ESEL,S, , , !人工手动选择开挖土体周围的一圈单元，如图5-28所示。
NFORCE,ALL !对选择的节点求解节点力
FINISH
/sol !进入求解理器
节点力施加，加上节点力和位移边界条件后的模型如图5-29所示。
f, 1 ,fx, 4.37E-09 !施加X方向集中力
f, 2 ,fx, -1.41E+05
f, 3 ,fx, -67.92
f, 4 ,fx, -201.3
f, 5 ,fx, -357.9
f, 6 ,fx, -499.4
f, 7 ,fx, -616.4
f, 8 ,fx, -664.6
f, 9 ,fx, -617.6
f, 10 ,fx, 6.73E-05
f, 11 ,fx, -2.70E+05
f, 12 ,fx, -2.44E+05
f, 13 ,fx, -2.11E+05
f, 14 ,fx, -1.73E+05
f, 15 ,fx, -1.32E+05
f, 16 ,fx, -8.90E+04
f, 17 ,fx, -4.47E+04
f, 62 ,fx, 1.41E+05
f, 63 ,fx, 4.47E+04
f, 64 ,fx, 8.90E+04
f, 65 ,fx, 1.32E+05
f, 66 ,fx, 1.73E+05
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f, 69 ,fx, 2.70E+05
f, 70 ,fx, 67.92
f, 71 ,fx, 201.3
f, 72 ,fx, 357.9
f, 73 ,fx, 499.4
f, 74 ,fx, 616.4
f, 75 ,fx, 664.6
f, 76 ,fx, 617.6
f, 1 ,fy, 3.90E+05 !施加Y方向集中力
f, 2 ,fy, 1.66E+05
f, 3 ,fy, 3.90E+05
f, 4 ,fy, 3.90E+05
f, 5 ,fy, 3.90E+05
f, 6 ,fy, 3.90E+05
f, 7 ,fy, 3.90E+05
f, 8 ,fy, 3.90E+05
f, 9 ,fy, 3.90E+05
f, 10 ,fy, -4.82E+05
f, 11 ,fy, -1.12E+05
f, 12 ,fy, -2.13E+05
f, 13 ,fy, -2.98E+05
f, 14 ,fy, -3.67E+05
f, 15 ,fy, -4.18E+05
f, 16 ,fy, -4.54E+05
f, 17 ,fy, -4.75E+05
f, 62 ,fy, 1.66E+05
f, 63 ,fy, -4.75E+05
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f, 65 ,fy, -4.18E+05
f, 66 ,fy, -3.67E+05
f, 67 ,fy, -2.98E+05
f, 68 ,fy, -2.13E+05
f, 69 ,fy, -1.12E+05
f, 70 ,fy, 3.90E+05
f, 71 ,fy, 3.90E+05
f, 72 ,fy, 3.90E+05
f, 73 ,fy, 3.90E+05
f, 74 ,fy, 3.90E+05
f, 75 ,fy, 3.90E+05
f, 76 ,fy, 3.90E+05
3． 上台阶开挖求解
Allsel !选择所有内容
Solve !求解计算
Finish !求解结束返回Main Menu 主菜单
SAVE
4． 上台阶开挖模拟分析后处理
/post1
PLNSOL,U,Y,0,1 ! Y方向位移
PLNSOL,S,Y,0,1 ! Y方向应力
Finish !求解结束返回Main Menu 主菜单
SAVE
5.2.4 下台阶开挖模拟分析
1． 下台阶开挖施工
下台阶土体开挖。
/SOL !进入求解器
Allsel