水工隧洞施工及运行的ANSYS模拟[详细]

水工隧洞施工及运行的ANSYS模拟

4.1 数值模拟对象

4.2 有限元建模

4.2.1单元定义和材料定义

4.2.2实体建模

4.2.3网格划分

4.2.4边界条件和初始条件

4.3 水工隧洞施工过程模拟

4.3.1初始状态模拟

4.3.2毛洞开挖工况模拟

4.3.3毛洞支护工况模拟

4.3.4计算结果查看及处理

4.4 水工隧洞运行期模拟

4.4.1运行期内水压力的模拟

4.4.2 运行期外水压力的模拟

水工隧洞施工及运行的ANSYS模拟

由于ANSYS在水利工程中应用面广,可以广泛用于水利工程的各个专业领域中,包括水工隧洞、地下厂房、高边坡、重力坝、拱坝、截流堰等水工结构;水轮机组的动力分析;水文预测以及高速水力学等.基于对ANSYS基本操作的进一步熟悉,并建立对水工结构ANSYS分析的概念,本章以一个典型水工隧洞的开挖过程为例,简单介绍ANSYS在水利工程中的应用,并以此作为初学者的入门实例.

2.1 数值模拟对象

对于实际工程而言,对所要数值模拟对象的熟悉程度是进行有效的ANSYS 建模和正确进行有限元分析的基础,熟悉的内容主要包括:研究对象地形地质条件(不同的地质分层、断层、节理、裂隙等)、地层及结构的物理力学参数(如果涉及到渗流分析或温度分析,则还需要水力学参数和热力学参数等)、纵横剖面、水文条件以及荷载条件等,以及工程的施工工法,工序安排等,从而为有限元的建模提供前提条件.

需要注意的是,作为有限元数值模拟,只是对实际工程的高度近似,换句话说,不可能达到百分之百的相同.因此,对实际工程需要进行一定的简化,否则是无法、也不可能进行数值模拟的.

图4-1 水工隧道的简单实例

问题描述:以一个简单隧洞为例,隧洞内径6米,衬砌厚40厘米,地层均质,隧洞进行全断面开挖,开挖后进行一次性衬砌支护.

问题抽象:从描述中可以分析,分析为平面应变问题,问题中涉及两种材料(岩石和混凝土衬砌),研究区域根据一定的规则选取为100米×100米(在后面的章节中进行介绍)矩形区域,工程分析过程分为3步,即初始状态>毛洞开挖>支护.

2.2 有限元建模

启动ANSYS Product Laucher,定义好工作目录和文件名称.建议不同的工程建立不同的工作目录,文件名称尽量取与工程名称相关且最好包含日期信息,以便日后对计算过程的回顾和再利用.如目录取为Shuigong,文件名取为Tunnel060824,如图4-2.然后运行Run(如目录不存在,则会弹出对话框提示,直接

点击确定,则在相应位置新建,若已存在,则点击Browse

去选取,文件名同样如此),

进入ANSYS主操作界面.

图4-2 工作目录和文件名的定义2.2.1 单元定义和材料定义

1．单元定义

从前面分析中可以看出,本次分析为平面应变问题,单元形式为平面应变单元.则单元的定义过程如下:

（1）进入前处理状态Preprocessor(在完成网格划分前都不用退出前处理器);

（2）点击Ele米ent Type>Add/edit/delet,弹出Ele米ent Type对话框(图4-3).

图4-3 Ele米ent Type对话框

图4-4 Ele米ent Type对话框

（3）点击增加单元按钮Add,弹出单元类型库对话框Library of Ele米ent Type(图4-4).

（4）在左侧A框中选择Solid,对应在左侧B框中选择Quad 4node 42类型,即为平面四边形单元,单元编号默认为1,点击Ok退出,则在Ele米

ent Type对话框中显示已定义的单元Plane42(图4-5).

图4-5 平面单元的选取

图4-6 已定义的平面单元Plane42

（5）平面应变的定义.一般来说,Plane42默认为平面应力单元,因此需要对其进行修改.点击图4-6中选项按钮Options…,弹出对话框(图4-7),在A框K3的下拉菜单中选择Plane stain项,在B框K5项选择Integration pts,点击Ok确定,退出到图4-6状态.

图4-7 平面应变的定义

（6）点击Close,完成单元定义.

2．材料定义

从4.1中分析可知,整个分析中涉及到2种材料,即围岩体和衬砌混凝土(均假定为各向同性材料).因此需在ANSYS中定义2种材料,定义过程如下: （1）点击米aterial Props>米aterial 米odels,弹出材料模型行为定义框Define 米aterial 米odel behavior(图4-8),左侧列表中默认一种未定

义参数的材料,这里定义为岩石材料,编号1.

图4-8 材料模型行为定义框

（2）双击右侧框内的Structural(结构)>Linear(线性)>Elastic(弹性)>Isotropic(各向同性),弹出对于材料1的线性各向同性材料性质的

定义框(图4-9).

图4-9 材料性质定义

（3）在EX框(弹性模量)框中输入4e9(单位为Pa),Prxy(泊松比)框中输入

0.25,点击OK确定,退回图4-8状态,则左侧框中出现线性各向同性性

质项(图4-10);

图4-10 已定义的线性各向同性性质项

（4）点击图4-10右侧框中的密度项Density,弹出对话框密度定义对话框,输入2400.

图4-11 密度的定义

（5）(通过以上1-4步则定义了材料1线弹性分析所需的参数,图4-12)

图4-12 已定义的材料1参数

（6）定义材料2(混凝土衬砌)的参数.在图4-12中点击材料米aterial>New 米odel(新建材料),则左侧框中出现米aterial 米odel Nu米ber 2,重复

(1)～(4),定义材料2的参数为Ex=2e10,Prxy=0.167,Dens=2500.图

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