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1、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
2、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
3、，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6m，衬砌厚40cm，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100m100m（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
4、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
5、击Element TypeAdd/edit/delet，弹出Element Type对话框（图4-3）。图4-3 Element Type对话框图4-4 Element 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 Element 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Element 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
6、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Material PropsMaterial Models，弹出材料模型行为定义框Define Materi
7、al model 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Den
8、sity，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MaterialNew model（新建材料），则左侧框中出现Material Model Number 2，重复（1）（4），定义材料2的参数为Ex=2e10，Prxy=0.167，Dens=2500。图4-13。图4-13 材料2（衬砌混凝土）参数的定义在图4-12中点击材料MaterialExit退出材料定义，点击或进行保存。通过以上步骤，则定义了所需的
9、材料，若有更多材料，则重复以上步骤即可，需要注意的是，不同的分析（弹性分析，弹塑性分析，蠕变分析，动力分析）所需的参数是不同的。2.2.2 实体建模所谓实体建模，就是对通过创建点、线、面的方式，在ANSYS实际反映研究对象的体形特征，从而建立网格划分的基础。本实例的最终实体模型包括围岩区域、衬砌区域（开挖后要回填）、开挖区域（不回填，形成隧洞）三个区域，在实体上表现为面Area。建立面有两种方式，一是通过生成点生成线，再由线生成面，二是直接通过ANSYS工具生成面。1通过点、线生成面建模过程：（1）生成关键点点击ModellingCreateKeypointsIn Active Cs（通过输入
10、坐标直接生成关键点），弹出对话框（图4-14）。其中第一行为关键点编号，不输则按顺序系统自动进行编号，第二行为三个方向坐标值，平面问题时则Z值不输。按上述方法依次创建点（-50,-50），（50,-50），（50,50）和（-50,50），完成四个关键点的创建，则工作面出现4个关键点（图4-15）。图4-14 关键点的创建图4-15 已创建的关键点（2）由点生成线点击ModellingCreateLinesLinesStraight Line（通过关键点创建直线）。弹出选点建线对话框Creat Straight Line（图4-16）。先连接关键点1和关键2。鼠标依次点击1点和2点，则生成线1
11、（自动按顺序编号为1），按此方法，可以连接点2和3、3和4，4和1，依次生成线24（图4-17）。图4-16 创建直线对话框图4-17 创建直线（3）由线生成面点击ModelingCreateAreasArbitraryBy Lines（通过线创建面）。弹出Creat Area by Lines（图4-18）。依次点击线1、2、3、4，点击OK，则形成一个矩形面（图4-19）。 图4-18 创建直线对话框图4-19 创建面（4）创建隧洞及衬砌由于隧洞及衬砌为圆形/圆环形，可以通过ANSYS的工具直接创建，再通过布尔运算对圆进行操作，生成开挖区、衬砌及围岩区。具体操作如下：点击ModelingC
12、reateAreasCircle（圆形）Solid Circle（实体圆），弹出实体圆面创建框（图4-20），图中的三个输入框中，WP X和WP Y为圆心位置（不输值时，默认圆心位置在整体坐标系的原点；若圆心位置不在整体坐标系原点，则需通过移动工作平面来实现圆心位置的确定）。这里，隧洞内径为6m，外径为6.4m。在图4-20对话框中的Radius中输入6，点击Apply，创建内圆；再输入6.4，点击OK，创建外圆。（点击鼠标右键，点击Replot，可以看到三个有重复区域的面，图4-21） 图4-20 创建实体圆对话框图4-21 创建的三个实体圆通过上面的操作，在工作面上存在3个面Area，但三
13、个面存在重合，因此，必须对三个面进行布尔操作，形成相互独立但边界连接的三个区域，即围岩区、衬砌区和开挖区。点击ModelingOperateBooleansOverlapAreas（对面进行叠合操作），弹出对话框（图4-22）。选择对话框中的Pick All，对所有的面进行操作，从而形成三个区域。 图4-22 对面进行Overlap对话框图4-23 经过布尔操作的圆面（5）精细实体模型经过上面的操作，初步形成了实体模型，可以进行网格的自由划分，但这样获得的网格往往没有规律性，同时没有突出重点（比如在隧洞周边的网格需要密一些）等等。因此，可以对这些区域进行切割，划分为4个相同且对称的区域。具体做
14、法是：在矩形区域的4个线/边中点创建4个关键点，连接成直线，然后用直线去切割3个面。ANSYS操作：A 显示所有的线：Utility MenuPlotLines；B 在线1的中点创建关键点：ModelingCreateKeypointsOn Line w/Ration，对话框（图4-24），选择要创建点的线，点击Apply，弹出对话框（图4-25），在Line ratio(0-1)中输入0.5（表示中点），Keypoint Number默认，点击OK，即在创建了线1上的中点（图4-25），按此方法，创建其他3条边线上的中点关键点。图4-24在线的中点创建关键点C 连接关键点13和15，14和1
15、6，形成2条直线（按图4-16图 4-17的方法创建）；D 显示所有的元素：Utility Menu PlotMulti-Plots；E 对3个面进行切割：点击ModellingOperateBooleansDivideArea by Line，弹出对话框Divide Area by Line（图4-25），点击Pick All，弹出对话框，再点击Pick All，完成对面域的划分。为了便于查看面，将面以颜色进行区分，做法为：Utility Menu Plot CtrlsNumbering，弹出对话框，对图4-26中三个框选的部分按图中进行选择，点击OK，即可显示面（图4-27）。 图4-25 切割面图4-26 以颜色显示面设置图4-27 以颜色显示的面通过以上操作，即完成了所有实体模型的创建。由于在上述操作过程中，可能存在一些重合的元素，必须对此进行处理。在ANSYS中的做法是：点击PreprocessorNumbering CtrlsMerge Items，弹出对话框，选择框中的All（图4-28），点击OK；
