第4章教案-ansys隧道工程應用實例分析(已修改)
2025-11-09 03:44 本頁面
【正文】 本章 首先 介紹 了隧道工程的相關概念；然后介紹了 ANSYS 的生死單元及 DP 材料模型；最后用 2 個實例分別詳細描述了用 ANYS 實現隧道結構設計和 隧道施工模擬的全過程。 內容 提要 第 4 章 ANSYS 隧道工程中的應用 實例 分析 本章重點 隧道工程概述 隧道施工 ANSYS 模擬的實現 ANSYS 隧道結構 實例 分析 ANSYS 隧道 開挖 模擬 實例分析 本章典型效果圖 第 4 章 ANSYS 隧道工程中的應用實例分析 隧道工程相關概念 隧道 工程 設計模型 國際隧道學會認為，目前 采用的隧道設計模型主要有以下幾種： ? 以工程類比為主的經驗設計方法。 ? 以現場測試和實驗室試驗為主的實用設計方法（如現場和實驗室的巖土力學試 驗、以洞周圍測量值為基礎的收斂 — 約束法以及實驗室模型試驗等）。 ? 作用 — 反作用 設計 模型，即 目前隧道設計常用的 載荷 — 結構模型，包括彈性地基梁、彈性地基圓環(huán) 等。 ? 連續(xù)介質模型，包括解析法（封閉解和近似解）和數值法（以 FEM 為主）。 隧道 結構的數值 計算 方法 通常，隧道支護結構計算需要考慮地層和支護結構的共同作用，一般都是非線性的二維或三維問題，并且計算還與開挖方法、支護過程有關。對于 這類復雜問題 ，必須采用數值方法 。目前用于隧道開挖、支護過程的數值方法有：有限元法、邊界元法、有限 元 — 邊界元耦合法 。 其中有限元法是一種發(fā)展最快的數值方法，已經成為分析隧道及地下工程圍巖穩(wěn)定和支護結構強度計算的有力工具。有限元法可以考慮巖土介質的非均勻性、各向異性、非連續(xù)性以及幾何非線性等，適用于各種實際的邊界條件。 但該法需要將整個結構系統(tǒng)離散化，進行相應的插值計算，導致數據量大，精度相對底。 大型通用有限元軟件 ANSYS就可用于隧道結構的數值計算，還可以實現隧道開挖與支護以及連續(xù)開挖的模擬。 邊界元法在一定程度上改進了有限元法精度，它的基本未知量只在所關心問題的邊界上，如在隧道計算時 ，只要對分析對象的邊界作離散處理，而外圍的無限域則視為無邊界。但該法要求分析區(qū)域的幾何、物理必須是連續(xù)的。 有限元 — 邊界元耦合法則使采用兩種方法的長處，從而可取得良好的效果。如計算隧道結構，對主要區(qū)域（隧道周圍區(qū)域）采用 有限元法，對于隧道外部區(qū)域可按均質、線彈性模擬 ，這樣計算出來的結果精度一般較高。 隧道 荷載 參照相關隧道設計規(guī)范，隧道設計主要考慮 荷載 包括永久 荷載 、可變 荷載 和偶然 荷載 ，詳見表 32。其中最重要的是圍巖的松動壓力，支護結構的自重可按預先擬定的結構尺寸和材料 重度計算確定。在含水地層中，靜水壓力可按最底水位考慮。在沒有仰拱結構中，車輛 荷載 直接第 4 章 ANSYS 在隧道工程中的應用分析 傳給地層。 表 42 隧道 荷載 荷載 分類 荷載 名稱 說明 永久 荷載 結構自重 恒載 主 要 載 荷 結構附加恒載 圍巖壓力 土壓力 混凝土收縮和徐變的影響 可變 荷載 車輛 荷載 活載 車輛 荷載 引起的土壓力 沖擊力 公路活載 附加 荷載 凍脹力 灌漿力 溫差應力 施工 荷載 偶然 荷載 落石沖擊力 附加 荷載 地震力 特殊 荷載 隧道施工過程 ANSYS 模擬的實現 單元生死 單元生死的定義 如果模型中加入或刪除材料，對應模型中的單元就存在或消失，把這種單元的存在與消失的情形定義 為單元生死。單元的生死選項就用于在這種情況下殺死或重新激活所選擇單元。單元生死功能主要用于開挖分析（如煤礦開挖和隧道開挖等）、建筑物施工過程（如近海架橋過程）、順序組裝（如分層計算機的組裝）以及許多其他方面應用（如用戶可以根據已知單元位置來方便地激活或殺死它們）。 需要注意的是， ANSYS 單元的生死功能只適用于 ANSYS/Multiphysics， ANSYS/Mechanical和 ANSYS/Structure 產品。此外，并非所有 ANSYS 單元具有生死功能，具有此生死功能的單元見表 31。 第 4 章 ANSYS 隧道工程中的應用實例分析 表 31 ANSYS 中具有生死功能的單元 LINK1 BEAM24 SHELL57 PLANE83 SURF152 SOLID185 PLANE2 PLANE25 PIPE59 SOLID87 SURF153 SOLID186 BEAM3 MATRIX27 PIPE60 SOLID90 SURF154 SOLID187 BEAM4 LINK31 SOLID62 SOLID92 SHELL157 BEAM188 SOLID5 LINK32 SHELL63 SHELL93 TARGE169 BEAM189 LINK8 LINK33 SOLID64 SOLID95 TARGE170 SOLSH190 LINK10 LINK34 SOLID65 SOLID96 CONTA171 FOLLW201 LINK11 PLANE35 PLANE67 SOLID97 CONTA172 SHELL208 PLANE13 SHELL41 LINK68 SOLID98 CONTA173 SHELL209 COMBIN14 PLANE42 SOLID69 PLANE121 CONTA174 PLANE230 PIPE16 SHELL43 SOLID70 SOLID122 CONTA175 SOLID231 PIPE17 BEAM44 MASS71 SOLID123 CONTA176 SOLID232 PIPE18 SOLID45 PLANE75 SHELL131 LINK180 MASS21 BEAM54 PLANE78 SHELL143 PLANE182 BEAM
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