隧道结构力学分析计算书
有限元基础理论与
ANSYS 应用
—隧道结构力学分析
专 业:
姓 名:
学 号:
指导教师:
2014年12月
隧道结构力学分析
目录
目录 . ............................................................................................................ 2
1. 问题的描述........................................................ 错误!未定义书签。 2. 建模 . ................................................................... 错误!未定义书签。
2.1 定义材料....................................................................... 错误!未定义书签。
2.2 建立几何模型............................................................... 错误!未定义书签。
2.3 单元网格划分................................................................................................. 5
3. 加载与求解........................................................................................... 6
3.1 施加重力加速度............................................................................................. 6
3.2 施加集中力、荷载位移边界条件................................................................. 6
4. 后处理 . .................................................................................................. 8
4.1 初次查看变形结果....................................................................................... 8 4. 2 除去受拉弹簧网格.............. ........................................................................9
4.3 除去弹簧单元网格..................................................................................... 10 4. 4 查看内力和变形结果.................................................................................11
4. 5 绘制变形图................................................................................................12
5. 计算结果对比分析 ............................................................................ 14
6. 结语 . .................................................................................................... 14
7. 在做题过程中遇到的问题及解决方法 ............................................ 16
8. 附录 . ................................................................................................... 16
山岭隧道结构力学分析
1. 问题的描述
已知双线铁路隧道总宽为13.3米,高为11.08米,以III 级围岩深埋段为例,隧道而衬厚度为35cm ,带仰拱,采用钢筋混凝土C30=25kN/m3,弹性模量为31GPa ,泊松比为0.2,。该段该隧道的埋深为5米,围岩平均重度为23kN/m3,侧压力系数为0.3,计算围岩高度为6.588m ,地层弹性抗力系数为500MPa/m。
试分析结构的应力和变形
图1双线铁路隧道断面(cm )
2. 建模
2.1. 定义材料
a.添加单元材料类型:
添加两种单元材料,分别为beam3和combin14
b.定义材料实常数:
Beam3材料,截面积0.35,高0.35,惯性矩0.35*0.35*0.35/12 c.定义材料力学指标:
Beam3材料,密度2500,弹性模量3.1e10, 泊松比0.2
2.2建立几何模型
建立关键点,通过关键点创建弧线,生成的模型如下:
图2-1 生成的模型图
2.3.单元网格划分
a.设置单元大小并将所有直线划分单元,生成模型如下:
图2-2 生成的模型图
b.采用do 循环命令进行创建弹簧单元操作,模型如下:
图2-3 带弹簧单元的单元网格图
3. 加载与求解
3.1.施加重力加速度
生成模型如下:
图3-1 生成的模型图
3.2.施加集中力,荷载和位移边界条件
在节点上施加集中力,加上荷载和位移边界条件后的几何模型如下:
图3-2 带荷载和边界条件的有限元模型图
4. 后处理
4.1.初次查看变形结果
绘制变形图, 未去除弹簧单元网格如下图所示: 如下所示:
图4-1 生成第一次变形模型图
4.2.
除去收拉弹簧单元网格如下图所示:
图4-2 去除受拉弹簧单元后的网格图
4.3. 去除弹簧单元网格如下图所示:
图4-3 “杀死”受拉弹簧65,66,67,126,127,128单元
图4-4 “杀死”受拉弹簧68,69,70,123,124,125单元
图4-5 “杀死”受拉弹簧71,72,73,121,122单元
4.4.查看内力和变形结果
绘制变形图,如下图所示:
图4-6 绘制变形模型图
图4-7 生成的模型图
4.5.绘制变形图。
如下图所示:查看轴力、剪力、内力图,如下图所示:
图4-8 生成的模型轴力图
图4-9 生成的模型剪力图
图4-10 生成的模型弯矩图
5. 计算结果对比分析
结果对比:
min
M keben -56867
me -57547
N keben -860267
me -865972
V keben -37251
me -37197 max 47746 48186 -494036 -495812 37251 37198
从中可以看出存在的误差可能的原因是,在4.3去除弹簧单元网格中,可以看到“杀死”单元时顺序不同,操作时导致结果存在微小差异。
6. 在做题过程中遇到的问题及解决方法。 在进行做题过程中遇到了一些问题总结主要有一下几点:
(1)操作中出现命令流的输入错误,比如拼写错误导致不能识别,符号缺少与丢失等原因引起的错误。
(2)检查输入数据是,查到由于数据多,出现输入数据错误。
(3)在去除受拉弹簧时用到的程序未能给明白具体意思,因而没法操作。
(4)不同版本的ANSYS 的识别也出现不能运行的情况。
解决的方法,对于(1)、(2)、(3)的情况通过在编写输入命令流时要细心的操作,完成后在进行检查与操作来验证,不明白不清楚的进行替换操作。对于(4)是由于在ANSYS10.0中对中英文不区分,而ANSYS12.0区分中英文标点符号,要重新修改才行。
7. 束语
本题对采用暗挖法修建的双线铁路隧道,用荷载-结构模型进行山岭隧道结构力学分析。通过问题的描述、建模、加载与求解、后处理和计算结果分析。在设计应用中应进行衬砌结构内力和变形分析,然后根据规范进行结构承载能力和正常使用极限状态验算,并采取相应的结构构造处理措施。
通过本题的ANSYS 实践操作,了解本方向即岩土与地下工程的一方面,关于隧道及地下工程结构设计中力学行为的有限元仿真分析。在了解了基本原理的前提下,结合平时老师在课堂上的所教所学,再查找资料。结合实际,在做书本的例题时,经过几天的实际操作,学到了许多东西,同时通过多次尝试,摸索出了一些平时不注意和很少用的东西,基本上完成了老师交给我的题目,但是还存在许多问题,出现了好多次的卡壳与重做。在这过程中,明白自己在ANSYS 的操作上熟练程度差,编写命令流好要找资料进行模仿,同时在本题中就有与书本不一样的地方,就是因为没有弄清楚,采用其他代替的方法,这些都需要自己在接下来的学习中不断提高,为将来的自己的毕业设计做准备。
感谢老师给我们这样的一次有意义的大作业,这次作业全面的锻炼了我们在ANSYS 操作上的能力,同时促进了大家在学习中的交流,让教室的学习气氛瞬间活跃起来,也促进了大家与师兄们讨论交流与学习。大家在这次交流学习中更加明白ANSYS 在自己方向中有着重要的应用,为将来毕业设计打下了一定的基础。
附录
源程序
/NOPR
KEYW,PR_STRUC,1 /PREP7
ET,1,BEAM3
ET,2,COMBIN14
R,1,0.35,0.35*0.35*0.35/12,0.35 SECTYPE,1,BEAM,RECT SECOFFSET,CENT SECDATA,1,0.4
mp,ex,1,31e9 mp,prxy,1,0.2 mp,dens,1,2500 SA VE
K,1,0,6.85,
K,2,-6.48947,-2.193, K,3,-4.76147,-3.8979, K,4,4.76147,-3.8979, K,5,6.48947,-2.193, K,6,-5.56527,3.99378, K,7,-5.82788,-3.25059, K,8,0,-4.64781,
K,9,5.82788,-3.25059, K,10,5.56527,3.99378, K,100,0,0,
K,200,-3.93158,-1.3286, K,300,3.93158,-1.3286, K,400,0,10.84328, Larc,1,2,6
Larc,2,3,7
Larc,3,4,8
Larc,4,5,9
Larc,5,1,10
SA VE
lsel,s,line,,1,5,4
lesize,all,,,20,,,,,1 allsel
lsel,s,line,,2,4,2
lesize,all,,,4,,,,,1 allsel
lsel,s,line,,3,3,0
lesize,all,,,16,,,,,1 allsel
type, 1
mat, 1 real, 1
lmesh,all
/PNUM,KP,0 /PNUM,ELEM,1 /REPLOT
SA VE
local,12,1,0,0 csys,12
psprng,1,tran,776690100,1 *do,i,3,21
psprng,i,tran,776690100,1 *enddo
local,13,1,-3.93158,-1.3286 csys,13
psprng,2,tran,748320000,1 *do,i,23,25
psprng,i,tran,748320000,1 *enddo
local,14,1,0,10.84329 csys,14
psprng,22,tran,724800000,1 *do,i,27,41
psprng,i,tran,724800000,1 *enddo
local,15,1,3.93158,-1.3286 csys,15
psprng,26,tran,748320000,1 *do,i,43,45
psprng,i,tran,748320000,1 *enddo
local,16,1,0,0 csys,16
psprng,42,tran,776690100,1 *do,i,46,64
psprng,i,tran,776690100,1 *enddo
/sol
ACEL,0,10,0, F,1,FX,0
F,3,FX,755.933618
F,4,FX,1505.072207 F,5,FX,2240.685109 F,6,FX,2956.161569 F,7,FX,3645.071785 F,8,FX,4301.224706 F,9,FX,4918.723657 F,10,FX,5492.019340 F,11,FX,6015.959699 F,12,FX,6485.836217 F,13,FX,6897.426240 F,14,FX,7247.030915 F,15,FX,7531.508436 F,16,FX,7748.302289 F,17,FX,7895.464197 F,18,FX,7971.671655 F,19,FX,7976.239808 F,20,FX,7909.127603 F,21,FX,7770.938188 F,2,FX,7314.871320 F,23,FX,6471.525186 F,24,FX,5361.236243 F,25,FX,3960.902214 F,26,FX,2675.436205 F,27,FX,2013.784571 F,28,FX,1731.839234 F,29,FX,1447.252933 F,30,FX,1160.459647 F,31,FX,871.896721 F,32,FX,582.004198 F,33,FX,291.224150 F,34,FX,0
F,35,FX,-291.224149 F,36,FX,-582.004197 F,37,FX,-871.896720 F,38,FX,-1160.459646 F,39,FX,-1447.252932 F,40,FX,-1731.839233 F,41,FX,-2013.784574 F,26,FX,-2675.436209 F,43,FX,-3960.902215 F,44,FX,-5361.236243 F,45,FX,-6471.525185 F,42,FX,-7314.871294 F,46,FX,-7770.938161
F,47,FX,-7909.127604 F,48,FX,-7976.239805 F,49,FX,-7971.671654 F,50,FX,-7895.464197 F,51,FX,-7748.302291 F,52,FX,-7531.508441 F,53,FX,-7247.030916 F,54,FX,-6897.426243 F,55,FX,-6485.836220 F,56,FX,-6015.959703 F,57,FX,-5492.019344 F,58,FX,-4918.723659 F,59,FX,-4301.224710 F,60,FX,-3645.071790 F,61,FX,-2956.161574 F,62,FX,-2240.685116 F,63,FX,-1505.072212 F,64,FX,-755.933632 F,1,FY ,-53220.491493 F,3,FY ,-52981.351554 F,4,FY ,-52266.081855 F,5,FY ,-51081.110681 F,6,FY ,-49437.087118 F,7,FY ,-47348.785516 F,8,FY ,-44834.972892 F,9,FY ,-41918.240230 F,10,FY ,-38624.799419 F,11,FY ,-34984.247764 F,12,FY ,-31029.301907 F,13,FY ,-26795.503917 F,14,FY ,-22320.901814 F,15,FY ,-17645.707665 F,16,FY ,-12811.936224 F,17,FY ,-7863.027300 F,18,FY ,-2843.455422 F,19,FY ,-2523.285196 F,20,FY ,0 F,21,FY ,0 F,2,FY ,0 F,23,FY ,0 F,24,FY ,0 F,25,FY ,0 F,22,FY ,0 F,27,FY ,0
F,28,FY ,0
F,29,FY ,0
F,30,FY ,0
F,31,FY ,0
F,32,FY ,0
F,33,FY,0
F,34,FY ,0
F,35,FY ,0
F,36,FY ,0
F,37,FY ,0
F,38,FY ,0
F,39,FY ,0
F,40,FY ,0
F,41,FY ,0
F,26,FY ,0
F,43,FY ,0
F,44,FY ,0
F,45,FY ,0
F,46,FY ,0
F,42,FY ,0
F,46,FY ,0
F,47,FY ,0
F,48,FY ,-2523.285195 F,49,FY ,-2843.455390 F,50,FY ,-7863.027262 F,51,FY ,-12811.936194 F,52,FY ,-17645.707640 F,53,FY ,-22320.901780 F,54,FY ,-26795.503888 F,55,FY ,-31029.301879 F,56,FY ,-34984.247739 F,57,FY ,-38624.799403 F,58,FY ,-41918.240189 F,59,FY ,-44834.972872 F,60,FY ,-47348.785499 F,61,FY ,-49437.087109 F,62,FY ,-51081.110694 F,63,FY ,-52266.081840 F,64,FY ,-52981.351727 D,34,UX,0 /SOL
antype,static nlgeom,on nropt,full
outres,all,all time1
solve
/solu
time2
ekill,65
solve
/solu
time3
ekill,66
solve
/solu
time4
ekill,67
solve
/solu
time5
ekill,128
solve
/solu
time6
ekill,127
solve
time7
ekill,126
solve
/solu
time8
ekill,68
solve
/solu
time9
ekill,69
solve
time10
ekill,70
solve
/solu
time11
ekill,125
solve
/solu
time12
ekill,124
solve
time13
ekill,123
solve
/solu
time14
ekill,71
solve
/solu
time15
ekill,72
solve
time16
ekill,73
solve
/solu
time17
ekill,122
solve
/solu
time18
ekill,121
solve
/DSCALE,1,AUTO ESEL,S,LIVE eplot
/POST1 PLDISP,1
ESEL,S,TYPE,,1 PLESOL,U,X PLESOL,U,Y
ETABLE,MZ_i,SMISC,6 ETABLE,MZ_j,SMISC,12 ETABLE,FX_i,SMISC,1 ETABLE,FX_j,SMISC,7 ETABLE,FY_i,SMISC,2 ETABLE,FY_j,SMISC,8 PLLS,FX_i,FX_j,1,0 PLLS,FY_i,FY_j,1,0 PLLS,MZ_i,MZ_j,-1