【正文】 INK1單元來模擬，二次襯砌支護用BEAM3來模擬，計算時首先計算溶洞存在時巖體的自重應力場，然后再根據上述方法模擬開挖過程。ANSYS模擬隧道施工步驟如下：1） 建立模型。2） 施加載荷與初始應力場模擬。3） 開挖隧道，用殺死單元來模擬。4） 對隧道進行支護，用激活單元并改變單元材料屬性來模擬。5） 做隧道仰拱。6） 施加列車荷載。9）計算結果分析。 GUI操作方法 創(chuàng)建物理環(huán)境1) 在【開始】菜單中依次選取【所有程序】/【】/【ANSYS Product Launcher】，得到“ Product Launcher”對話框。2）選中【File Management】，在“Working Directory”欄輸入工作目錄“D:\ansys\example302”，在“Job Name”欄輸入文件名“Tunnel”。3）單擊“RUN”按鈕。4）過濾圖形界面：Main Menu Preferences，彈出“Preferences for GUI Filtering”對話框，選中“Structural”來對后面的分析進行菜單及相應的圖形界面過濾。5）定義工作標題：Utility Menu File Change Title，在彈出的對話框中輸入“Tunnel Construct Modeling Analysis”，單擊“OK”，如圖355。圖355 定義工作標題 6）設定角度單位：Utility Menu Parameters Angular Units…，彈出“Angular Units for Parameters Functions”對話框，如圖356所示。在“Units for angular”欄后面的下拉菜單中選取“Degrees DEG”，單擊“OK”按鈕。圖356 定義角度單位對話框7）定義單元類型：：Main Menu Preprocessor Element Type Add/Edit/Delete，彈出“Element Types”單元類型對話框，如圖357所示，單擊“Add”按鈕。彈出“Library of Element Types”單元類型庫對話框，如圖358所示，在左面滾動欄中選取“Beam”，右邊的滾動欄中選擇“2D elastic 3”。然后單擊“OK”按鈕，這就定義了“BEAM3”單元。358 定義Beam3單元對話框：Main Menu Preprocessor Element Type Add/Edit/Delete，彈出一個單元類型對話框，單擊“Add”按鈕。彈出如圖359所示對話框。在該對話框左面滾動欄中選擇“Solid”，在右邊的滾動欄中選擇“Quad 4node 42”，單擊“Apply”，就定義了“PLANE42”單元。圖359 定義PLANE42單元對話框 圖357 單元類型對話框 圖360 定義完單元類型對話框：Main Menu Preprocessor Element Type Add/Edit/Delete，彈出一個單元類型對話框，單擊“Add”按鈕。又彈出一個對話框，如圖360所示，在該對話框左面滾動欄中選擇“Link”，在右邊的滾動欄中選擇“2D Spar 1”，單擊“Apply”。又彈出一個如圖361所示的對話框。圖360 定義LINK1單元對話框 ：在圖361對話框中選中“Type 2 PLANE42”，單擊“Options”按鈕，彈出一個“PLANE42 element Type options”對話框，如圖362所示。在“Element behavior K3”欄后面的下拉菜單中選取“Plane strain”，其它欄后面的下拉菜單采用ANSYS默認設置就可以，單擊“OK”按鈕。圖362 PLANE42單元庫類型選項對話框圖363 BEAM3單元庫類型選項對話框：圖361對話框中選中“Type 1 BEAM3”，單擊“Options”按鈕，彈出一個“BEAM3 element Type options”對話框，如圖363所示。在“Member force +moment output K6”欄后面的下拉菜單中選取“Include output”，其它欄后面的下拉菜單采用ANSYS默認設置就可以，單擊“OK”按鈕。u 通過設置PLANE42單元選項“K3”為“Plane strain”來設定本實例分析采取平面應變模型進行分析。u PLANE42單元用來模擬隧道周圍圍巖和隧道初次襯砌。u BEAM3單元用來模擬隧道二次襯砌。u 設置BEAM3單元選項“K6”為“Include output”來設定輸出梁內力。8）定義材料屬性：Main Menu Preprocessor Material Props Material Models，彈出“Define Material Model Behavior”對話框，如圖364所示。圖 364 定義材料本構模型對話框 在圖364中右邊欄中連續(xù)雙擊“Structural Linear ElasticIsotropic”后，又彈出如圖365所示“Linear Isotropic Properties for Material Number 1”對話框，在該對話框中“EX”后面的輸入欄輸入“”，在“PRXY” 后面的輸入欄輸入“”，單擊“OK”。再在選中“Density”并雙擊，彈出如圖366所示“Density for Material Number 1”對話框，在“DENS”后面的欄中輸入隧道襯砌混凝土材料的密度“2500”，單擊“OK”按鈕，返回圖364對話框中。再次在圖364中右邊的欄中連續(xù)雙擊“StructuralNonlinear InelasticNonmetal plasticitydruckerprager”后，又彈出一個如圖367所示對話框。在在“Cohesion”欄添入C25混凝土的內聚力“”，在“Fric Angle” 欄添入C25混凝土的內摩擦角“54”，單擊“OK”按鈕，彈出圖368所示對話框。 圖 365 線彈性材料模型對話框 圖 366材料密度輸入對話框圖367 定義DP材料對話框圖368 定義完襯砌材料屬性后對話框圖369 定義材料編號對話框 ：在圖368對話框中，單擊“Material New Model…”， 彈出一個“Define Material ID”對話框，如圖369所示，在“ID”欄后面輸入材料編號“2”，單擊“OK”按鈕。彈出一個定義材料模型對話框對話框，選中“Material Model Number 2”，和定義混凝土材料一樣，在右邊的欄中連續(xù)雙擊“Structural Linear ElasticIsotropic”后，又彈出一個“Linear Isotropic Properties for Material Number 2”對話框，在該對話框中“EX”后面的輸入欄輸入“”，在“PRXY” 后面的輸入欄輸入“”，單擊“OK”。再選中“Density”并雙擊，彈出一個“Density for Material Number 2”對話框，在“DENS”后面的欄中輸入隧道圍巖材料的密度“2200”，再單擊“OK”按鈕，彈出一個定義材料模型對話框。在彈出對話框中右邊欄中連續(xù)雙擊“StructuralNonlinear InelasticNonmetal plasticitydruckerprager”，又彈出一個如圖370所示對話框。在在“Cohesion”欄添入C25混凝土的內聚力“”，在“Fric Angle” 欄添入C25混凝土的內摩擦角“37”，單擊“OK”按鈕，彈出一個定義材料模型對話框。圖370 定義DP材料對話框 ：方法和定義圍巖材料性質一樣，輸入的數據一樣，只是材料號為3，這是為后面求解便于操作。 ：在圖368對話框中，單擊“Material New Model…”， 彈出一個“Define Material ID”對話框，在“ID”欄后面輸入材料編號“4”，單擊“OK”按鈕。彈出一個定義材料模型對話框對話框，選中“Material Model Number 4”，和定義混凝土材料一樣，在右邊的欄中連續(xù)雙擊“Structural Linear ElasticIsotropic”后，又彈出一個“Linear Isotropic Properties for Material Number 2”對話框，在該對話框中“EX”后面的輸入欄輸入“17E10”，在“PRXY” 后面的輸入欄輸入“”，單擊“OK”。再選中“Density”并雙擊，彈出一個“Density for Material Number 2”對話框，在“DENS”后面的欄中輸入隧道圍巖材料的密度“7960”，再單擊“OK”按鈕，彈出定義完材料模型對話框，如圖371所示。圖371 定義完材料模型對話框在圖371對話框中，單擊“Material EXIT退出。u 隧道圍巖是Ⅳ級，其彈性模量、泊松比和密度以及隧道襯砌支護材料C25的這些物理力學參數是根據《鐵路隧道設計規(guī)范》和現場情況得出的。u 把要挖去土體單獨定義一個材料號，目的是為了后面求解操作方便。 9）定義實常數：Main Menu Preprocessor Real Constants Add/Edit/Delete，彈出“Real Constants” 實常數對話框，如圖372所示。單擊“Add”按鈕，彈出如圖373所示的選擇單元類型對話框，選中“Type 1 BEAM3”，單擊“OK”按鈕，彈出如圖374所示“Real Constant for BEAM3”對話框，在對話框中分別輸入隧道襯砌支護結構BEAM3梁單元的橫截面積AREA“”、慣性矩IZZ“**”、高度HEIGHT“”。：Main Menu Preprocessor Real Constants Add/Edit/Delete，彈出“Real Constants” 實常數對話框，單擊“Add”按鈕。彈出一個選擇單元類型對話框，選中“Type 3 LINK1”，單擊“OK”按鈕，彈出如圖375所示“Real Constant Set Number 2 for LINK1”對話框，在對話框中分別輸入錨桿單元LINK1的橫截面積AREA“**”。 圖372 實常數對話框圖 374 定義 BEAM3實常數對話框 圖373 選擇單元類型對話框 374 定義 LINK1實常數對話框 在圖374中單擊“OK”按鈕，彈出一個對話框，最后單擊“Close”按鈕。 建立模型和劃分網格1）定義分析參數：Utility Menu Parameters Scalar Parameters，彈出“Scalar Parameters”對話框，如圖375所示。在“Selection”輸入行輸入：“num = 30”，單擊“Accept”。然后依次在“Selection”輸入行分別輸入：jd_s = 0 jd_e= 180jd_s jd = (jd_ejd_s)/num distance = 10depth =80 fricangle = 37 dens=2200 d= cohesion=posionratio= elasticmoduli= t1= r_karst= r1=每輸入一個參數就按一次“Accept”按鈕確認，最后輸入完后，單擊“Close”，關閉“Scalar Parameters”對話框，其輸入參數的結果如圖375所示。圖375 輸入參數對話框2）創(chuàng)建隧道襯砌支護線：Main Menu Preprocessor Modeling CreateKeypointsIn Active CS，彈出“Creae Keypoints in Active Cooedinate System”對話框，如圖376所示。在“NPT keypoint number”欄后面輸入“1”，在“X，Y，Z Location in active CS”欄后面輸入“（0，0，0）”，單擊“Apply”按鈕，這樣就創(chuàng)建了關鍵點1。再依次重復在“NPT keypoint number”欄后面輸入“202020204”，在對應“X，Y，Z Location in active CS”欄后面輸入“（0，0）、（，0，0）、（，0，0）、（0，0，10）、（0，10）、（，0，10）、（，0，10），最后單擊“OK”按鈕。u 關鍵點點KPKPKPKP4是創(chuàng)建隧道支護線的4個圓心。u KP20KP20KP20KP204是后面生成圓法線外一點。圖376在當前坐標系創(chuàng)建關鍵點對話框：這4個圓的圓心分別是關鍵點KPKPKPKP3和KP4，、。在命令行輸入“circle,1,201”,然后按回車鍵，就繪制出一個以關鍵點1為圓心。同法依次輸入命令：“circle,2,202”、 “circle,3,203”、 “circle,4,204”，繪制其他3個圓，如圖377所示。圖377 四心圓：Utility Menu PlotCtrls Numbering，彈出“Plot Numbering Controls”對話框，如圖378所示。選中“Line Numbers” 選項，后面的文字由“off”變?yōu)椤皁n”,單擊“OK”關閉