内容发布更新时间 : 2024/12/25 3:47:23星期一 下面是文章的全部内容请认真阅读。

第4章 ANSYS在隧道工程中的应用分析 被激活后第一个求解过程中同样可以有热应变。根据其当前荷载步温度和参考温度计算刚被激活单元的热应变。因此，承受热荷载的刚被激活单元是有应力的。

4.2.1.3 单元生死的使用 用户可以在大多数静态和非线性瞬态分析中使用单元生死功能，其在各种分析操作中的基本过程是相同的。这个过程可包括以下3个步骤： 1. 建立模型

在前处理器PREP7中生成所有的单元，包括那些只有在以后荷载步中激活的单元。因为在求解器中不能生成新单元。 2. 施加荷载并求解

4.2.1.4 单元生死的控制

1. 利用ANSYS结果控制单元生死

在许多时候，用户不能清楚知道要杀死和激活单元的确切位置。如，在热分析中要杀死熔融的单元（即在模型中移去的熔化材料），事先不知道这些单元的位置，这时，用户就可以根据ANSYS计算出的温度来确定这些单元。当用户根据ANSYS计算结果（如温度、应力、应变）来决定杀死或激活单元时，用户可以使用命令来识别并选择关键单元。 用下列方法识别单元： 命令方式：ETABLE

GUI方式：Main Menu>General Postproc>Element Table>Define Table 用下列方法来选择关键单元： 命令方式：ESEL

GUI方式：Utility Menu>Select>Entities

接着用户可以用EKILL/EALIVE命令杀死/激活所选择的单元。用户也可以用ANSYS的APDL语言编写宏来执行这些操作。

下面的例子是杀死总应变超过允许应变的单元：

/SOLU ！进入求解器

... ！标准求解过程 SOLVE FINISH

/POST1 ！进入后处理器 SET，...

ETABLE,STRAIN,EPTO,EQV ！将总应变存入ETABLE

ESEL,S,ETAB,STRAIN,0.20 ！选择所有总应变大于或等于0.20的单元 FINISH

/SOLU ！重新进去求解器 ANTYPE,,REST ！重复以前的静态分析

第4章 ANSYS隧道工程中的应用实例分析 EKILL,ALL ！杀死所选择（超过允许值）的单元 ESEL,ALL ！选择所有单元 ... ！继续求解 4.2.1.5 单元生死使用提示

下列提示有助于用户更好地利用ANSYS的单元生死功能进行分析： （1）不活动自由度上不能施加约束方程（CE，CEINTF）。当节点不与活动单元相连时，不活动自由度就会出现。

（2）可以通过先杀死单元，然后再激活单元来模拟应力松弛（如退火）。

（3）在进行非线性分析时，注意不要因杀死或激活单元引起奇异性（如结构分析中的尖角）或刚度突变，这样会使收敛困难。

（4）如果模型是完全线性的，也就是说除了生死单元，模型不存在接触单元或其它非线性单元且材料是线性的，则ANSYS就采用线性分析，因此不会采用ANSYS默认（SOLCONTROL，ON）非线性求解器。

（5）在进行包含单元生死的分析中，打开全牛顿-拉夫森选项的自适应下降选项将产生很好的效果。用下列方法来完成此操作： 命令方式：NROPT，FULL，ON

GUI方式：Main Menu>Solution>Analysis Options

（6）可以通过一个参数值来指示单元的生死状态。下面命令能得到活单元的相关参数值：

*GET，PAR，ELEM，n，ATTR，LIVE

该参数值可以用于APDL逻辑分支（*IF）或其它用户需要控制单元生死状态的场合。 （7）用荷载步文件求解法（LSWRITE）进行多荷载步求解时不能使用生死功能，因为生死单元状态不会写进到荷载步文件。多荷载步生死单元分析必须采用一系列SOLVE命令来实现。

此外，用户可以通过MPCHG命令来改变材料特性来杀死或激活单元。但这个过程要特别小心。软件保护和限制使得杀死的单元在求解器中改变材料特性时将不生效（单元的集中力、应变、质量和比热等都不会自动变为0）。不当的使用MPCHG命令可能会导致许多问题。例如，如果把一个单元的刚度减小到接近0，但仍保留质量，则在有加速度或惯性效应时就会产生奇异性。

MPCHG命令的应用之一：模拟系列施工中使“出生”单元的应变历程保持不变。这时用MPCHG命令可以得到单元在变形的节点构造初始应变。

4.2.2 DP材料模型

岩石、混凝土和土壤等材料都属于颗粒状材料，这类材料受压屈服强度远大于受拉屈服强度，且材料受剪时，颗粒会膨胀，常用的VonMise屈服准则不适合此类材料。在土力学中，常用的屈服准则有Mohr-Coulomb，另外一个更准确描述此类材料的强度准则是Druck-Prager屈服

第4章 ANSYS在隧道工程中的应用分析 准则，使用Druck-Prager屈服准则的材料简称为DP材料。在岩石、土壤的有限元分析中，采用DP材料可以得到较精确的结果。

在ANSYS程序中，就采用Druck-Prager屈服准则，此屈服准则是对Mohr-Coulomb准则给予近似，以此来修正VonMise屈服准则，即在VonMises表达式中包含一个附加项，该附加项是考虑到静水压力可以引起岩土屈服而加入的。其流动准则既可以使用相关流动准则，也可以使用不相关流动准则，其屈服面并不随着材料的逐渐屈服而改变，因此没有强化准则，然而其屈服强度随着侧限压力（静水压力）的增加而相应增加，其塑性行为被假定为理想塑性。并且，它考虑了由于屈服引起的体积膨胀，但不考虑温度变化的影响。

DP材料模型含有3个力学参数： ? 粘聚力C

? 内摩擦角? ? 膨胀角?f

这3个参数可通过ANSYS中材料数据表输入： Main Menu>Preprocessor>Material Props>Material Models 执行完上面操作，弹出一个材料模型对话框，再执行：

Material Models Available>Strunturer>Nonlinear>Inelastic>Non-metal Plasticity>Drucker-Prager 接着在出现的对话框输入这3个参数便可。

3.2.3 初始地应力的模拟

在模拟隧道施工过程中，初始地应力模拟是很重要的。在ANSYS中，可以有两种方法实现初始地应力的模拟。

方法一是只考虑岩体的自重应力，忽略其构造应力，在分析的第一步，首先计算岩体的自重应力场。这种方法简单方便，只需给出岩体的各项参数即可计算。缺点是计算出来的应力场与实际应力场有偏差，并且岩体在自重作用下还产生了初始位移，在继续分析的后续施工时，得到的位移结果是累加了初始位移的结果，而现实中初始位移早就结束，对隧道的开挖没有影响，因此在后面的每个施工阶段分析位移场时，必须减去初始位移场。 方法二是采用读起初始应力文件的方法。在进行结构分析时，ANSYS中可以使用读入初始应力文件来把初始应力定义为一种荷载。因此，当具有实测初始地应力资料时，可将初始地应力写成初始营利荷载文件，然后作为荷载条件读入ANSYS，随后就可以直接进行第一步的开挖计算。计算得到的应力场和位移场就是开挖后的实际应力场和位移场，不需要进行加减。

第4章 ANSYS隧道工程中的应用实例分析 3.2.4 开挖与支护及连续施工的实现

根据4.2.1所介绍单元生死可以实现材料的消除与添加，而隧道的开挖与支护正好比材料的消除与支护，因此可以在ANSYS中用单元生死来实现隧道开挖与支护的模拟。隧道开挖时，先直接选择被开挖掉的单元，然后将这些单元杀死，从而实现隧道的开挖模拟。进行隧道支护时，先将相应支护部分在开挖时被杀死的单元激活，单元被激活后，具有零应变状态，并且把这些单元的材料属性改为支护材料的属性，这样就实现了隧道支护的模拟。

此外，单元的生死状态还可以根据ANSYS的计算结果（如应力或应变）来决定。例如，在模拟过程中，用户可以将超过允许应力或允许应变的单元杀死，模拟围岩或结构的破坏。 利用ANSYS程序中的荷载步功能可以实现不同工况间的连续计算，从而实现对隧道连续施工的模拟。具体可参照4.2.1.3单元生死使用。首先建立开挖隧道的有限元模型，包括将来要被杀死（挖掉）和激活（支护）的部分，在ANSYS模拟工程不需要重新划分网格。在前一个施工完成后，便可以直接进行下一道工序的施工，即再杀死单元（开挖）和激活单元（支护），再求解，重复步骤直至施工结束。

4.3 ANSYS隧道结构受力实例分析

4.4.1 ANSTS隧道结构受力分析步骤

为了保证隧道施工和运行时间的安全性，必须对隧道结构进行受力分析。由于隧道结构是在地层中修建的，其工程特性、设计原则及方法与地面结构是不同的，隧道结构的变形受到周围岩土体本身的约束，从某种意义上讲，围岩也是地下结构的荷载，同时也是结构本身的一部分，因此不能完全采用地面结构受力分析方法来对隧道结构进行分析。当前，对隧道支护结构体系一般按照荷载—结构模型进行演算，按照此模型设计的隧道支护结构偏于保守。再借助有限元软件（如ANSYS）实现对隧道结构的受力分析。

ANSYS隧道结构受力分析步骤： 1．荷载—结构模型的建立 2．创建物理环境

3．建立模型和划分网格 4．施加约束和荷载 5．求解

6．后处理（对结果进行分析）