第章ANSYS隧道工程应用实例

第3章ANSYS在隧道工程中的应用分析第3章ANSYS隧道工程中的应用实例分析内容提要 内容提要 本章首先介绍了隧道工程的相关概念；然后介绍了ANSYS的生死单元及DP材料模型；最后用2个实例分别详细描述了用ANYS实现隧道结构设计和隧道施工模拟的全过程。第3章ANSYS隧道道工程中的的应用实例例分析本章重点隧道工程概述隧隧隧道施工ANSYYS模拟的实实现现ANSYS隧道道道结构实实例分分析ANSSYYS隧道开挖挖模模拟实例例分析析本章典型效果图图图3.1隧道工工工程相关关概念念3.1.1隧道工程程设设计模型型为达到各种不同同同的使用用目的的，在山山体或或地面下下修建建的建筑筑物，统统称为“地下工程”。在地下下工工程中，用用以以保持地地下空空间作为为运输输孔道，称称之之为“隧道”。由于地地层层开挖后后容易易变形、塌塌落落或是有有水涌涌入，所所以在在除了在在极为为稳固地地层中中且没有有地下下水的地地方以以外，大大都要要在坑道道的周周围修建建支护护结构，称称之之为“衬砌”。隧道工工程程建筑物物是埋埋于地层层中的的结构物物，它它的受力力和变变形与围围岩密密切相关关，支支护结构构与围围岩作为为一个个统一的的受力力体系相相互约约束，共共同作作用。隧隧道工工程所处处的环环境条件件与地地面工程程是全全然不同同的，但但长期以以来都都沿用适适应地地面的工工程理理论和方方法来来解决地地下工工程中所所遇到到的各类类问题题，因而而常常常不能正正确地地阐明地地下工工程中出出现的的各种力力学现现象和过过程，是是地下工工程长长期处于“经验设计”和“经验施工”的局面。这这这种局面面与迅迅速发展展的地地下工程程现实实极不相相称，促促使人们们努力力寻找新新的理理论和方方法来来解决地地下工工程遇到到的各各种问题题。地下工程的设计计计理论和和方法法经历了了一个个相当长长的发发展过程程。在在20世纪20年代以前前，地地下工程程支护护理论主主要有有古典的的压力力理论和和散体体压力理理论，以以砖、石石头材材料作为为衬砌砌，采用用木支支撑或竹竹支撑撑的分部部开挖挖方法进进行施施工。此此时，只只是将衬衬砌作作为受力力结构构，围岩岩是看看作载荷荷作用用在衬砌砌结构构上，这这种设设计理论论过于于保守，设设计计出的衬衬砌厚厚度偏大大。20世纪50年代以来来，岩岩石力学学开始始成为一一门独独立的学学科，围围岩弹性性、弹弹塑性和和粘弹弹性解答答逐步步出现。土土力力学的发发展促促使松散散地层层围岩稳稳定和和围岩压压力理理论的发发展，而而岩石力力学的的发展则则促使使围岩压压力和和地下工工程支支护结构构理论论的进一一步的的飞跃。同同时时，锚杆杆和喷喷射混凝凝土的的作为初初期支支护得到到广泛泛应用。这这种种柔性支支护允允许开挖挖后的的围岩有有一定定的变形形，使使围岩能能够发发挥其稳稳定性性，从而而可以以大大地地减小小衬砌厚厚度。国际隧道学会认认认为，目目前采采用的隧隧道设设计模型型主要要有以下下几种种：以工程类比为主主主的经验验设计计方法。以现场测试和实实实验室试试验为为主的实实用设设计方法法（如如现场和和实验验室的岩岩土力力学试验验、以以洞周围围测量量值为基基础的的收敛—约束法以以及及实验室室模型型试验等等）。作用—反作用设设计模模型，即即目前隧隧道设设计常用用的载载荷—结构模型型，包包括弹性性地基基梁、弹弹性地地基圆环环等。连续介质模型，包包括解析法（封封闭解和近似似解）和数值值法（以FEM为主）。国际隧道学会于于于1978年成立了了隧隧道结构构设计计模型研研究小小组，收收集和和汇总了了各会会员国目目前采采用的隧隧道工工程设计计模型型，详见见表3-1。表3-1隧隧隧道工程设设计计模型国家盾构法NATM法矿山法明挖法中国弹性地基圆环、经验法初期支护：FEEEM、收敛—约束法二次支护：弹性性性地基圆圆环初期支护：经验验验法二次支护：作用用用与发作作用法法大型洞室：FEEEM结构力学弯距分分分配法澳大利亚弹性支撑全圆环环环法、MuirrWoood法或假定定隧隧道变形形法初期支护：Prrrocttorr-White法二次支护：弹性性性支撑全全圆环环法、MuirrWoood法或假定定隧隧道变形形法初期支护：Prrrocttorr-White法二次支护：弹性性性支撑全全圆环环法、MuirrWoood法或假定定隧隧道变形形法结构力学弯距分分分配法奥地利弹性地基圆环弹性地基圆环、FEM、收敛—约束法经验法弹性地基框架日本局部支撑弹性地地地基圆环环局部支撑弹性地地地基圆环环、经经验法加加测试试、FEM弹性地基框架、FEM、特征曲曲线线法弹性地基框架、FEM德国埋深<2D：顶顶部部无支撑的的的弹性地地基圆圆环埋深>3D：全全周周支撑的弹弹弹性地基基圆环环或FEM埋深<2D：顶顶部部无支撑的的的弹性地地基圆圆环埋深>3D：全全周周支撑的弹弹弹性地基基圆环环或FEM全周支撑的弹性性性地基圆圆环或或FEM弹性地基框架法国弹性地基圆环或或或FEMFEM、经验法法法、作用用与反反作用法法连续介质模型、收收敛-约束法、经经验法—英国弹性地基圆环法法法、MuirrWoood法收敛-约束法、经经验验法FEM、收敛---约束法、经经经验法矩形框架瑞士—作用与反作用法法法FEM、收敛---约束法、经经经验法—美国弹性地基圆环弹性地基圆环、FEM、Proctorrr-Whhitte法、经验法—弹性地基连续框框框架比利时Schulzeee-Duudddek法——钢架结构注：表表表中NATM指新奥法法，是是NEWAAUSTTRIIATTUNNNELLINNGMMETTHOD的简称。FEEM指有限元元法法，是FINIITTEEELEEMENNTMETTHOOD的简称。各种隧道设计模模模型各有有其适适合的场场合，也也各有自自身的的局限性性。由由于隧道道结构构设计受受到各各种复杂杂因素素的影响响，因因此在世世界各各国隧道道设计计中，主主要采采用以工工程类类比为主主的经经验设计计法，特特别是在在支护护结构预预设计计中应用用最多多。即使使内力力分析采采用比比较严格格的理理论，其其计算算结果往往往也也需要用用经验验类比加加以判判断和补补充。如如常见公公路或或铁路隧隧道，都都是选取取以工工程类比比为主主的经验验设计计法来进进行结结构参数数的拟拟定，可可见公公路或铁铁路隧隧道设计计规范范。但是是，采采用此法法设计计的隧道道结构构是不安安全的的和不经经济的的。因为为设计计的隧道道的地地质勘探探不可可能做到到对每每一段都都进行行钻探，因因而而会出现现地质质条件错错误判判断现象象，有有可能实实际围围岩类别别比设设计采用用的要要低，这这样按按高类别别围岩岩设计出出的隧隧道结构构是不不安全的的。相相反，若若实际际围岩类类别比比设计采采用高高，则采采用的的设计是是不经经济的。随着NATM的的出出现，以测测测试为主主的实实用设计计法为为现场人人员所所欢迎，因因为为它能提提供直直觉的材材料，以以更准确确地估估计地层层和地地下结构构的稳稳定性和和安全全程度。其其中中应用最最多的的是收敛—约束法，其其其主要思思想是是：一边边施工工，一边边进行行洞周围围量测测，随着着位移移变化情情况，来来选用合合适的的隧道支支护参参数，这这样就就可以按按实际际地质条条件来来设计隧隧道支支护，避避免了了工程类类比既既不安全全又不不经济的的缺点点。收敛—约束法将将支支护和围围岩视视为一体体，作作为共同同承载载的隧道道结构构体系，通通过过调整支支护来来控制变变形，从从而最大大限度度地发挥挥了围围岩自身身的承承载能力力。采采用此模模型，有有些问题题可以以使用解解析法法求解，但但大大部分问问题因因数学上上的困困难必须须依赖赖数值方方法。理论计算法可用用用于进行行无经经验可循循的新新型隧道道工程程设计，因因此此基于作作用与与反作用用模型型和连续续介质质模型的的计算算理论成成为一一种特定定的计计算手段段日益益为人们们重视视。由于于隧道道工程所所处环环境的复复杂性性，以及及各种种隧道设设计模模型各有有优缺缺点，因因此工工程技术术人员员在设计计隧道道结构时时，往往往需要要同时时进行多多种设设计模型型的比比较，以以作出出既经济济又安安全的合合理设设计。从各国国国地下结结构设设计实践践看，目目前隧道道设计计主要采采用两两种模型型。第一种模型即即即为传统的的结结构力学学模型型。它是是将支支护结构构和围围岩分开开来考考虑，支支护结结构是承承载主主体，围围岩作作为载荷荷的来来源和支支护结结构的弹弹性支支撑，故故又称称为荷载—结构模型型。采采用这种种模型型时，认认为隧隧道支护护结构构与围岩岩的相相互作用用是通通过弹性性支撑撑对结构构施加加约束来来体现现的，而而围岩岩饿承载载能力力则在确确定围围岩压力力与弹弹性支撑撑的约约束能力力时间间接地考考虑。围围岩承载载能力力越高，它它给给予支护护结构构的压力力越小小，弹性性支撑撑的约束束支护护结构变变形的的抗力越越大。这这种模型型主要要适用于于围岩岩因过分分变形形而发生生松弛弛和崩塌塌，支支护结构构主动动承担围围岩“松动”压力情形形。利利用这种种模型型进行隧隧道设设计关键键问题题是如何何确定定作用在在支护护结构上上的主主动荷载载，其其中最重重要的的是围岩岩松动动压力和和弹性性支撑作作用于于支护结结构的的弹性抗抗力。一一旦解决决了这这两个问问题，就就可以运运用结结构力学学方法法求出朝朝静定定体系的的内力力和位移移。因因为这种种模型型概念清清晰，计计算简便便，便便于被工工程师师接受，所所以以至今很很通用用，特别别是在在模筑衬衬砌。属于这种模型的的的计算方方法有有弹性连连续框框架（含含拱形形）法、假假定定抗力法法和弹弹性地基基梁（含含曲梁和和圆环环）法等等。当当软弱地地层对对结构变变形的的约束能能力较较差时（或或衬衬砌与地地层间间的空隙隙回填填、灌浆浆不密密实时），隧隧道结构内力力计算常用弹弹性连续框架架法，反之，采采用假定抗力力法或弹性地地基法。第二种模型叫现现现代岩体体力学学模型。它它将将支护结结构和和围岩视视为一一体，作作为共共同承载载的隧隧道结构构体系系，故又又称为为围岩—结构共同同作作用模型型。这这种模型型中，围围岩是直直接的的承载单单元，支支护结构构只是是用来约约束和和限制围围岩的的变形，这这一一点刚好好与第第一种模模型相相反。这这种模模型主要要用于于由于围围岩变变形而引引起的的压力，压压力力值必须须通过过支护结结构与与围岩共共同作作用而求求得，这这是反映映当前前现代支支护结结构原理理的一一种设计计方法法，需采采用岩岩石力学学方法法进行计计算。应应当指出出，支支护体系系不仅仅是指衬衬砌与与喷层等等结构构物，而而且还还包括锚锚杆、钢钢筋及钢钢拱架架等支护护在内内。围岩———结构共同同作作用模型型是目目前隧道道结构构体系设设计中中力求采采用的的或正在在发展展的模型型，因因为它符符合当当前施工工技术术水平，采采用用快速和和超强强的支护护技术术可以限限制围围岩的变变形，从从而阻止止围岩岩松动压压力的的产生。这这种种模型还还可以以考虑各各种几几何形状状、围围岩特性性和支支护材料料的非非线性特特性、开开挖面空空间效效应所形形成的的三维状状态以以及地质质中不不连续面面等。利利用此模模型进进行隧道道设计计的关键键问题题是，如如何确确定围岩岩初始始应力场场和表表示材料料非线线性特性性的各各种参数数及其其变化情情况。一一旦这些些问题题解决了了，原原则上任任何场场合都可可用有有限单元元法求求出围岩岩与支支护结构构的应应力及位位移状状态。这种模型中只有有有一些特特殊隧隧道可以以用解解析法或或收敛敛—约束法图图解解，绝大大部分分隧道求求解时时因数学学上的的困难必必须依依赖数值值方法法，借助助计算算机来进进行分分析求解解。3.1.2隧道结构构的的数值计计算方方法通常，隧道支护护护结构计计算需需要考虑虑地层层和支护护结构构的共同同作用用，一般般都是是非线性性的二二维或三三维问问题，并并且计计算还与与开挖挖方法、支支护护过程有有关。对对于这类类复杂杂问题，必必须须采用数数值方方法。目目前用用于隧道道开挖挖、支护护过程程的数值值方法法有：有有限元元法、边边界元元法、有有限元元—边界元耦耦合合法。其中有有有限元法法是一一种发展展最快快的数值值方法法，已经经成为为分析隧隧道及及地下工工程围围岩稳定定和支支护结构构强度度计算的的有力力工具。有有限限元法可可以考考虑岩土土介质质的非均均匀性性、各向向异性性、非连连续性性以及几几何非非线性等等，适适用于各各种实实际的边边界条条件。但但该法法需要将将整个个结构系系统离离散化，进进行行相应的的插值值计算，导导致致数据量量大，精精度相对对底。大型型通用有限限元软件ANSYYS就可用于于隧道结构构的数值计计算，还可可以实现隧隧道开挖与与支护以及及连续开挖挖的模拟。边界元法在一定定定程度上上改进进了有限限元法法精度，它它的的基本未未知量量只在所所关心心问题的的边界界上，如如在隧隧道计算算时，只只要对分分析对对象的边边界作作离散处处理，而而外围的的无限限域则视视为无无边界。但但该该法要求求分析析区域的的几何何、物理理必须须是连续续的。有限元—边界元元元耦合法法则使使采用两两种方方法的长长处，从从而可取取得良良好的效效果。如如计算隧隧道结结构，对对主要要区域（隧隧道道周围区区域）采采用有限元法法，对对于隧道道外部部区域可可按均均质、线线弹性性模拟，这这样样计算出出来的的结果精精度一一般较高高。3.1.3隧道荷载载参照相相相关隧道道设计计规范，隧隧道道设计主主要考考虑荷载载包括括永久荷荷载、可可变荷载载和偶偶然荷载载，详详见表3-2。其中最最重重要的是是围岩岩的松动动压力力，支护护结构构的自重重可按按预先拟拟定的的结构尺尺寸和和材料重重度计计算确定定。在在含水地地层中中，静水水压力力可按最最底水水位考虑虑。在在没有仰仰拱结结构中，车车辆辆荷载直直接传传给地层层。表3-2隧隧隧道荷载荷载分类荷载名称说明永久荷载结构自重恒载主要载荷结构附加恒载围岩压力土压力混凝土收缩和徐徐徐变的影影响可变荷载车辆荷载活载车辆荷载引起的的的土压力力冲击力公路活载附加荷载冻胀力灌浆力温差应力施工荷载偶然荷载落石冲击力附加荷载地震力特殊荷载3.2隧道施工工工过程ANSYYS模拟的实实现现3.2.1单元元元生死3.2.1.111单元生死死的的定义如果模模模型中加加入或或删除材材料，对对应模型型中的的单元就就存在在或消失失，把把这种单单元的的存在与与消失失的情形形定义义为单元元生死死。单元元的生生死选项项就用用于在这这种情情况下杀杀死或或重新激激活所所选择单单元。单单元生死死功能能主要用用于开开挖分析析（如如煤矿开开挖和和隧道开开挖等等）、建建筑物物施工过过程（如如近海架架桥过过程）、顺顺序序组装（如如分分层计算算机的的组装）以以及及许多其其他方方面应用用（如如用户可可以根根据已知知单元元位置来来方便便地激活活或杀杀死它们们）。需要注意的是，ANSYYS单元的生生死死功能只只适用用于ANSYYSS/Muulttiphhyssics，ANSYYSS/Meechhaniicaal和ANSYYSS/Sttruuctuuree产品。此此外外，并非非所有有ANSYYS单元具有有生生死功能能，具具有此生生死功功能的单单元见见表3-1。表3-1AAANSYSS中具有生生死死功能的的单元元HYPERLINK"mk:@MSITStore:C:\\Program%20Files\\Ansys%20Inc\\v100\\commonfiles\\help\\en-us\\ansyshelp.chm::/Hlp_E_LINK1.html"LINK1HYPERLINK"mk:@MSITStore:C:\\Program%20Files\\Ansys%20Inc\\v100\\commonfiles\\help\\en-us\\ansyshelp.chm::/Hlp_E_BEAM24.html"BEAM24HYPERLINK"mk:@MSITStore:C:\\Program%20Files\\Ansys%20Inc\\v100\\commonfiles\\help\\en-us\\ansyshelp.chm::/Hlp_E_SHELL57.html"SHELL5777HYPERLINK"mk:@MSITStore:C:\\Program%20Files\\Ansys%20Inc\\v100\\commonfiles\\help\\en-us\\ansyshelp.chm::/Hlp_E_PLANE83.html"PLANE8333HYPERLINK"mk:@MSITStore:C:\\Program%20Files\\Ansys%20Inc\\v100\\commonfiles\\help\\en-us\\ansyshelp.chm::/Hlp_E_SURF152.html"SURF15222HYPERLINK"mk:@MSITStore:C:\\Program%20Files\\Ansys%20Inc\\v100\\commonfiles\\help\\en-us\\ansyshelp.chm::/Hlp_E_SOLID185.html"SOLID18885HYPERLINK"mk:@MSITStore:C:\\Program%20Files\\Ansys%20Inc\\v100\\commonfiles\\help\\en-us\\ansyshelp.chm::/Hlp_E_PLANE2.html"PLANE2HYPERLINK"mk:@MSITStore:C:\\Program%20Files\\Ansys%20Inc\\v100\\commonfiles\\help\\en-us\\ansyshelp.chm::/Hlp_E_PLANE25.html"PLANE2555HYPERLINK"mk:@MSITStore:C:\\Program%20Files\\Ansys%20Inc\\v100\\commonfiles\\help\\en-us\\ansyshelp.chm::/Hlp_E_PIPE59.html"PIPE59HYPERLINK"mk:@MSITStore:C:\\Program%20Files\\Ansys%20Inc\\v100\\commonfiles\\help\\en-us\\ansyshelp.chm::/Hlp_E_SOLID87.html"SOLID8777HYPERLINK"mk:@MSITStore:C:\\Program%20Files\\Ansys%20Inc\\v100\\commonfiles\\help\\en-us\\ansyshelp.chm::/Hlp_E_SURF153.html"SURF15333HYPERLINK"mk:@MSITStore:C:\\Program%20Files\\Ansys%20Inc\\v100\\commonfiles\\help\\en-us\\ansyshelp.chm::/Hlp_E_SOLID186.html"SOLID18886HYPERLINK"mk:@MSITStore:C:\\Program%20Files\\Ansys%20Inc\\v100\\commonfiles\\help\\en-us\\ansyshelp.chm::/Hlp_E_BEAM3.html"BEAM3HYPERLINK"mk:@MSITStore:C:\\Program%20Files\\Ansys%20Inc\\v100\\commonfiles\\help\\en-us\\ansyshelp.chm::/Hlp_E_MATRIX27.html"MATRIX2227HYPERLINK"mk:@MSITStore:C:\\Program%20Files\\Ansys%20Inc\\v100\\commonfiles\\help\\en-us\\ansyshelp.chm::/Hlp_E_PIPE60.html"PIPE60HYPERLINK"mk:@MSITStore:C:\\Program%20Files\\Ansys%20Inc\\v100\\commonfiles\\help\\en-us\\ansyshelp.chm::/Hlp_E_SOLID90.html"SOLID9000HYPERLINK"mk:@MSITStore:C:\\Program%20Files\\Ansys%20Inc\\v100\\commonfiles\\help\\en-us\\ansyshelp.chm::/Hlp_E_SURF154.html"SURF15444HYPERLINK"mk:@MSITStore:C:\\Program%20Files\\Ansys%20Inc\\v100\\commonfiles\\help\\en-us\\ansyshelp.chm::/Hlp_E_SOLID187.html"SOLID18887HYPERLINK"mk:@MSITStore:C:\\Program%20Files\\Ansys%20Inc\\v100\\commonfiles\\help\\en-us\\ansyshelp.chm::/Hlp_E_BEAM4.html"BEAM4HYPERLINK"mk:@MSITStore:C:\\Program%20Files\\Ansys%20Inc\\v100\\commonfiles\\help\\en-us\\ansyshelp.chm::/Hlp_E_LINK31.html"LINK31HYPERLINK"mk:@MSITStore:C:\\Program%20Files\\Ansys%20Inc\\v100\\commonfiles\\help\\en-us\\ansyshelp.chm::/Hlp_E_SOLID62.html"SOLID6222HYPERLINK"mk:@MSITStore:C:\\Program%20Files\\Ansys%20Inc\\v100\\commonfiles\\help\\en-us\\ansyshelp.chm::/Hlp_E_SOLID92.html"SOLID9222HYPERLINK"mk:@MSITStore:C:\\Program%20Files\\Ansys%20Inc\\v100\\commonfiles\\help\\en-us\\ansyshelp.chm::/Hlp_E_SHELL157.html"SHELL15557HYPERLINK"mk:@MSITStore:C:\\Program%20Files\\Ansys%20Inc\\v100\\commonfiles\\help\\en-us\\ansyshelp.chm::/Hlp_E_BEAM188.html"BEAM18888HYPERLINK"mk:@MSITStore:C:\\Program%20Files\\Ansys%20Inc\\v100\\commonfiles\\help\\en-us\\ansyshelp.chm::/Hlp_E_SOLID5.html"SOLID5HYPERLINK"mk:@MSITStore:C:\\Program%20Files\\Ansys%20Inc\\v100\\commonfiles\\help\\en-us\\ansyshelp.chm::/Hlp_E_LINK32.html"LINK32HYPERLINK"mk:@MSITStore:C:\\Program%20Files\\Ansys%20Inc\\v100\\commonfiles\\help\\en-us\\ansyshelp.chm::/Hlp_E_SHELL63.html"SHELL6333HYPERLINK"mk:@MSITStore:C:\\Program%20Files\\Ansys%20Inc\\v100\\commonfiles\\help\\en-us\\ansyshelp.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K"mk:@MSITStore:C:\\Program%20Files\\Ansys%20Inc\\v100\\commonfiles\\help\\en-us\\ansyshelp.chm::/Hlp_E_SOLID231.html"SOLID23331HYPERLINK"mk:@MSITStore:C:\\Program%20Files\\Ansys%20Inc\\v100\\commonfiles\\help\\en-us\\ansyshelp.chm::/Hlp_E_PIPE17.html"PIPE17HYPERLINK"mk:@MSITStore:C:\\Program%20Files\\Ansys%20Inc\\v100\\commonfiles\\help\\en-us\\ansyshelp.chm::/Hlp_E_BEAM44.html"BEAM44HYPERLINK"mk:@MSITStore:C:\\Program%20Files\\Ansys%20Inc\\v100\\commonfiles\\help\\en-us\\ansyshelp.chm::/Hlp_E_MASS71.html"MASS71HYPERLINK"mk:@MSITStore:C:\\Program%20Files\\Ansys%20Inc\\v100\\commonfiles\\help\\en-us\\ansyshelp.chm::/Hlp_E_SOLID123.html"SOLID12223HYPERLINK"mk:@MSITStore:C:\\Program%20Files\\Ansys%20Inc\\v100\\commonfiles\\help\\en-us\\ansyshelp.chm::/Hlp_E_CONTA176.html"CONTA17776HYPERLINK"mk:@MSITStore:C:\\Program%20Files\\Ansys%20Inc\\v100\\commonfiles\\help\\en-us\\ansyshelp.chm::/Hlp_E_SOLID232.html"SOLID23332HYPERLINK"mk:@MSITStore:C:\\Program%20Files\\Ansys%20Inc\\v100\\commonfiles\\help\\en-us\\ansyshelp.chm::/Hlp_E_PIPE18.html"PIPE18HYPERLINK"mk:@MSITStore:C:\\Program%20Files\\Ansys%20Inc\\v100\\commonfiles\\help\\en-us\\ansyshelp.chm::/Hlp_E_SOLID45.html"SOLID4555HYPERLINK"mk:@MSITStore:C:\\Program%20Files\\Ansys%20Inc\\v100\\commonfiles\\help\\en-us\\ansyshelp.chm::/Hlp_E_PLANE75.html"PLANE7555HYPERLINK"mk:@MSITStore:C:\\Program%20Files\\Ansys%20Inc\\v100\\commonfiles\\help\\en-us\\ansyshelp.chm::/Hlp_E_SHELL131.html"SHELL13331HYPERLINK"mk:@MSITStore:C:\\Program%20Files\\Ansys%20Inc\\v100\\commonfiles\\help\\en-us\\ansyshelp.chm::/Hlp_E_LINK180.html"LINK18000HYPERLINK"mk:@MSITStore:C:\\Program%20Files\\Ansys%20Inc\\v100\\commonfiles\\help\\en-us\\ansyshelp.chm::/Hlp_E_MASS21.html"MASS21HYPERLINK"mk:@MSITStore:C:\\Program%20Files\\Ansys%20Inc\\v100\\commonfiles\\help\\en-us\\ansyshelp.chm::/Hlp_E_BEAM54.html"BEAM54HYPERLINK"mk:@MSITStore:C:\\Program%20Files\\Ansys%20Inc\\v100\\commonfiles\\help\\en-us\\ansyshelp.chm::/Hlp_E_PLANE78.html"PLANE7888HYPERLINK"mk:@MSITStore:C:\\Program%20Files\\Ansys%20Inc\\v100\\commonfiles\\help\\en-us\\ansyshelp.chm::/Hlp_E_SHELL143.html"SHELL14443HYPERLINK"mk:@MSITStore:C:\\Program%20Files\\Ansys%20Inc\\v100\\commonfiles\\help\\en-us\\ansyshelp.chm::/Hlp_E_PLANE182.html"PLANE18882HYPERLINK"mk:@MSITStore:C:\\Program%20Files\\Ansys%20Inc\\v100\\commonfiles\\help\\en-us\\ansyshelp.chm::/Hlp_E_BEAM23.html"BEAM23HYPERLINK"mk:@MSITStore:C:\\Program%20Files\\Ansys%20Inc\\v100\\commonfiles\\help\\en-us\\ansyshelp.chm::/Hlp_E_PLANE55.html"PLANE5555HYPERLINK"mk:@MSITStore:C:\\Program%20Files\\Ansys%20Inc\\v100\\commonfiles\\help\\en-us\\ansyshelp.chm::/Hlp_E_PLANE82.html"PLANE8222HYPERLINK"mk:@MSITStore:C:\\Program%20Files\\Ansys%20Inc\\v100\\commonfiles\\help\\en-us\\ansyshelp.chm::/Hlp_E_SURF151.html"SURF15111HYPERLINK"mk:@MSITStore:C:\\Program%20Files\\Ansys%20Inc\\v100\\commonfiles\\help\\en-us\\ansyshelp.chm::/Hlp_E_PLANE183.html"PLANE18883HYPERLINK"mk:@MSITStore:C:\\Program%20Files\\Ansys%20Inc\\v100\\commonfiles\\help\\en-us\\ansyshelp.chm::/Hlp_E_PIPE20.html"PIPE20HYPERLINK"mk:@MSITStore:C:\\Program%20Files\\Ansys%20Inc\\v100\\commonfiles\\help\\en-us\\ansyshelp.chm::/Hlp_E_PLANE53.html"PLANE5333HYPERLINK"mk:@MSITStore:C:\\Program%20Files\\Ansys%20Inc\\v100\\commonfiles\\help\\en-us\\ansyshelp.chm::/Hlp_E_PLANE77.html"PLANE7777HYPERLINK"mk:@MSITStore:C:\\Program%20Files\\Ansys%20Inc\\v100\\commonfiles\\help\\en-us\\ansyshelp.chm::/Hlp_E_SHELL132.html"SHELL13332HYPERLINK"mk:@MSITStore:C:\\Program%20Files\\Ansys%20Inc\\v100\\commonfiles\\help\\en-us\\ansyshelp.chm::/Hlp_E_SHELL181.html"SHELL18881在一些些些情况下下，单单元生死死状态态可以根根据ANSYYS计算所得得数数值来决决定，如如温度值值、应应力值等等。可可以利用ETABBLLE命令和ESEL命令来确确定定选择单单元的的相关数数据，也也可以改改变单单元的状状态（如如溶解、固固结结、破裂裂等）。这这这个特性性对因因相变引引起的的模型效效应（如如焊接过过程中中，结构构上的的可熔材材料的的固结状状态因因焊接从从不生生效变成成生效效，从而而使模模型增加加了原原不生效效部分分）、失失效面面扩展以以及其其他相关关分析析的单元元变化化是很有有效的的。3.2.1.222单元生死死的的原理要实现现现单元生生死效效果，ANSYYS程序并不不是是将“杀死”的单元从从模模型中删删除，而而是将其其刚度度（或传传导或或其他分分析特特性）矩矩阵乘乘以一个个很小小的因子ESTIIF。因子的的默默认值为10E--6，也可以以赋赋予其他他数值值。死单单元的的单元荷荷载将将为0，从而不不对对荷载向向量生生效（但但任然然在单元元荷载载列表中中出现现）。同同样，死死单元的的质量量、阻尼尼、比比热和其其他类类似参数数也设设置为0。死单元元的的质量和和能量量将不包包括在在模型求求解结结果中。一一旦旦单元被被杀死死，单元元应变变也就设设为0。同理，当当单元“出生”，并不是是将将其添加加到模模型中去去，而而是重新新激活活它们。用用户户必须在在前处处理器PREPP7中创建所所有有单元，包包括括后面将将要被被激活的的单元元。在求求解阶阶中不能能生成成新的单单元，要要添加“一个单元元，必必须先杀杀死它它，然后后在合合适的荷荷载步步中重新新激活活它。当一个单单单元被重重新激激活时，其其刚刚度、质质量、单单元荷载载等将将恢复其其原始始的数值值。重重新激活活的单单元没有有应变变记录，也也无无热量存存储。然然而，初初始应应变以实实参数数形式输输入（如LINKK1单元）却却不受单元元生死操作作的影响。此此外，除非非打开大变变形选项（NLGEEOM，ON），一些些单元类型型将恢复它它们以前的的几何特性性（大变形形效果有时时了用来得得到合理的的结果）。如如果其承受受热量体荷荷载，单元元在被激活活后第一个个求解过程程中同样可可以有热应应变。根据据其当前荷荷载步温度度和参考温温度计算刚刚被激活单单元的热应应变。因此此，承受热热荷载的刚刚被激活单单元是有应应力的。3.2.1.333单元生死死的的使用用户可可可以在大大多数数静态和和非线线性瞬态态分析析中使用用单元元生死功功能，其其在各种种分析析操作中中的基基本过程程是相相同的。这这个个过程可可包括括以下3个步骤：：1.建立模型型在前处处处理器PREPP7中生成所所有有的单元元，包包括那些些只有有在以后后荷载载步中激激活的的单元。因因为为在求解解器中中不能生生成新新单元。2.施加荷载载并并求解在求解解解器SOLUUTTION中执行下下列列操作：：（1）定定定义第一一个荷荷载步在第一一一个荷载载步中中，用户户必须须选择分分析类类型和所所有的的分析选选项。可可以利用用命令令或GUI方法来指指定定分析类类型：：命令方方方式：ANTYYPPEGUIII方式：MainnMennu>>Solluttionn>AAnallyssisTyype>>NeewAAnaalyssiss对于所所所有单元元生死死应用，在在第第一个荷荷载步步中应设设置，因因为ANSYYS程序不能能预预知EKILLL命令出现现在在后面的的荷载载步中。可可以以利用命命令或或GUI方法来完完成成此项设设置：：命令方方方式：NLGEEOOM，ONGUIII方式：MainnMennu>>Solluttionn>AAnallyssisOpptioonss杀死所所所有要加加入到到后续荷荷载步步中的单单元，可可以利用用命令令或GUI方法来杀杀死死单元：：命令方方方式：EKILLLLGUIII方式：MainnMennu>>Solluttionn>LLoaddSSteppOOptss>OOtheer>>Birrthh&Deeatth>KKilllEEleemenntss单元在在在第一个个子步步被杀死死或激激活，然然后在在整个荷荷载步步中保持持这种种状态。作作为为默认刚刚度矩矩阵的缩缩减因因子在一一些情情况下不不能满满足要求求，此此时可以以采用用更严格格的缩缩减因子子。可可以利用用命令令或GUI方法来完完成成此操作作：命令方方方式：ESTIIFFGUIII方式：MainnMennu>>Solluttionn>LLoaddSSteppOOptss>OOtheer>>Birrthh&Deeatth>SStiiffnnesssMuultt不与任任任何激活活单元元相连的的节点点将“漂移”，或具有有浮浮动的自自由度度数值。在在以以下情况况下，用用户可能能要约约束不被被激活活的自由由度（D，CP等）以减减少少要求解解的方方程数目目，并并防止出出现错错误条件件。当当激活具具有特特定形状状（或或温度）的的单单元时，约约束束没有激激活的的自由度度显得得更为重重要。因因为在重重新激激活单元元时要要删除这这些人人工约束束，同同时要删删除没没有激活活自由由度的节节点荷荷载（也也就是是不与任任何激激活单元元相连连的节点0。同样，重重重新激活活的自自由度上上必须须施加节节点荷荷载。定义第第第一个荷荷载步步命令输输入示示例如下下：！第一一一个荷载载步TIMMME，…！设定荷荷载载步时间间（静静态分析析选项项）NLGGGEOM，ON！打开大大变变形效果果NROOOPT，FULLL！设定牛牛顿-拉夫森选选项项ESTTTIF，…！设定非非默默认缩减减因子子ESEEEL，…！选择在在本本荷载步步将被被杀死的的单元元EKIIILL，…！杀死所所选选择的单单元ESEEEL，S，LIVEE！选择所所有有活动单单元NSEEEL，S！选择所所有有活动节节点NSEEEL，INVEE！选择所所有有不活动动节点点（不与与活动动单元相相连的的节点）D，AAALL，ALL，0！约束所所有有不活动动节的的自由度度NSEEEL，ALL！选择所所有有节点ESEEEL，ALL！选择所所有有单元D，………！施加合合适适约束F，………！施加合合适适的活动动节点点自由度度荷载载SF，…！施加合合适适的单元元荷载载BF，…！施加合合适的体荷载载SAVVVESOLLLVE（2）定定定义后续续荷载载步在后续续续荷载步步中，用用户可以以根据据需要随随意杀杀死或激激活单单元。但但必须须要正确确地施施加和删删除约约束和节节点荷荷载。用下列列列命令来来杀死死单元：：命令方方方式：EKILLLLGUIII方式：MainnMennu>>Solluttionn>LLoaddSSteppOOptss>OOtheer>>Birrthh&Deeatth>KKilllEEleemenntss用下列列列命令来来激活活单元：：命令方方方式：ELIVVEELGUIII方式：MainnMennu>>Solluttionn>LLoaddSSteppOOptss>OOtheer>>Birrthh&Deeatth>AActtiveeEElemmennts!第二二二步或后后续荷荷载步TIMMME，…ESEEEL，…EKIIILL，….！杀死所所选选择的单单元ESEEEL，….EALLLIVE，…！重新激激活活所选择择单元元….FDEEELE，…！删除不不活活动自由由度的的节点荷荷载D，………!约束不活活动动自由度度…F，………！给活动动自自由度施施加合合适的节节点荷荷载DDEEELE，…！删除重重新新激活自自由度度上的约约束SAVVVESOLLLVE3.查看结果果在大多多多数情况况下，用用户对包包含生生死单元元进行行后处理理分析析时因该该按照照标准步步骤来来进行操操作。必必须清楚楚的是是，尽管管对刚刚度（传传导等等）矩阵阵的贡贡献可以以忽略略，但杀杀死的的单元仍仍然在在模型中中。因因此，它它们将将包括在在单元元显示、输输出出列表等等操作作中。例例如，由由于节点点结果果平均时时包含含死单元元，因因此会“污染”结果。可可以以忽略整整个死死单元的的输出出，因为为很多多项带来来的效效果很小小。建建议在单单元显显示和其其它后后处理操操作前前用选择择功能能将死单单元选选出来。3.2.1.444单元生死死的的控制1.利用ANSYYS结果控制制单单元生死死在许多多多时候，用用户户不能清清楚知知道要杀杀死和和激活单单元的的确切位位置。如如，在热热分析析中要杀杀死熔熔融的单单元（即即在模型型中移移去的熔熔化材材料），事事先先不知道道这些些单元的的位置置，这时时，用用户就可可以根根据ANSYYS计算出的的温温度来确确定这这些单元元。当当用户根根据ANSYYS计算结果果（如如温度、应应力力、应变变）来来决定杀杀死或或激活单单元时时，用户户可以以使用命命令来来识别并并选择择关键单单元。用下列方法识别别别单元：：命令方方方式：ETABBLLEGUIII方式：MainnMennu>>GennerralPoostpprooc>EEleemenntTabblee>DeefiineTaablee用下列列列方法来来选择择关键单单元：：命令方方方式：ESELLGUIII方式：UtilliityMeenu>>Seelecct>>Enttittiess接着用户可以用用用EKILLLL/EAALIIVE命令杀死/激活所选选择择的单元元。用用户也可可以用用ANSYYS的APDL语言编写写宏宏来执行行这些些操作。下面的的的例子是是杀死死总应变变超过过允许应应变的的单元：：/SOLU！进入求求解解器...！标准求求解解过程SOLVEFINISH/POST1！进入后后处处理器SET，.....ETABLE,,,STRRAIIN,EEPTTO,EEQVV！将总应应变变存入ETABBLLEESEL,S,,,ETAAB,,STRAAIIN,0.200！选择所所有有总应变变大于于或等于0.20的单元FINISH/SOLU！重新进进去去求解器器ANTYPE,,,,RESSTT！重复以以前前的静态态分析析EKILL,AAALL！杀死所所选选择（超超过允允许值）的的单单元ESEL,ALLLL！选择所所有有单元...！继续求求解解3.2.1.555单元生死死使使用提示示下列提示有助于于于用户更更好地地利用ANSYYS的单元生生死死功能进进行分分析：（1）不不不活动自自由度度上不能能施加加约束方方程（CE，CEINNTTF）。当节节点点不与活活动单单元相连连时，不不活动自自由度度就会出出现。（2）可可可以通过过先杀杀死单元元，然然后再激激活单单元来模模拟应应力松弛弛（如如退火）。（3）在在在进行非非线性性分析时时，注注意不要要因杀杀死或激激活单单元引起起奇异异性（如如结构构分析中中的尖尖角）或或刚度度突变，这这样样会使收收敛困困难。（4）如如如果模型型是完完全线性性的，也也就是说说除了了生死单单元，模模型不存存在接接触单元元或其其它非线线性单单元且材材料是是线性的的，则则ANSYYS就采用线线性性分析，因因此此不会采采用ANSYYS默认（SOLCCOONTRROLL，ON）非线性性求求解器。（5）在在在进行包包含单单元生死死的分分析中，打打开开全牛顿-拉夫森选选项项的自适适应下下降选项项将产产生很好好的效效果。用用下列列方法来来完成成此操作作：命令方方方式：NROPPT，FULL，ONGUIII方式：MainnMennu>>Solluttionn>AAnallyssisOpptioonss（6）可可可以通过过一个个参数值值来指指示单元元的生生死状态态。下下面命令令能得得到活单单元的的相关参参数值值：*GET，PAAAR，ELEM，n，ATTR，LIVEE该参数值可以用用用于APDL逻辑分支支（*IF）或其它它用用户需要要控制制单元生生死状状态的场场合。（7）用荷载步步文文件求解法法法（LSWRRIITE）进行多多荷荷载步求求解时时不能使使用生生死功能能，因因为生死死单元元状态不不会写写进到荷荷载步步文件。多多荷荷载步生生死单单元分析析必须须采用一一系列列SOLVVE命令来实实现现。此外，用户可以以以通过MPCHHG命令来改改变变材料特特性来来杀死或或激活活单元。但但这这个过程程要特特别小心心。软软件保护护和限限制使得得杀死死的单元元在求求解器中中改变变材料特特性时时将不生生效（单单元的集集中力力、应变变、质质量和比比热等等都不会会自动动变为0）。不当当的的使用MPCHHG命令可能能会会导致许许多问问题。例例如，如如果把一一个单单元的刚刚度减减小到接接近0，但仍保保留留质量，则则在在有加速速度或或惯性效效应时时就会产产生奇奇异性。MPCHG命令令令的应用用之一一：模拟拟系列列施工中中使“出生”单元的应应变变历程保保持不不变。这这时用用MPCHHG命令可以以得得到单元元在变变形的节节点构构造初始始应变变。3.2.2DP材料模型型岩石、混混凝土和和土壤壤等材料料都属属于颗粒粒状材材料，这这类材材料受压压屈服服强度远远大于于受拉屈屈服强强度，且且材料料受剪时时，颗颗粒会膨膨胀，常常用的VonMMiise屈服准则则不不适合此此类材材料。在在土力力学中，常常用用的屈服服准则则有Mohrr--Couuloomb，另外一一个个更准确确描述述此类材材料的的强度准准则是是Drucckk-Prragger屈服准则则，使使用Drucckk-Prragger屈服准则则的的材料简简称为为DP材料。在在岩岩石、土土壤的的有限元元分析析中，采采用DP材料可以以得得到较精精确的的结果。在ANSYS程程程序中，就就采采用Drucckk-Prragger屈服准则则，此此屈服准准则是是对Mohrr--Couuloomb准则给予予近近似，以以此来来修正VonMMiise屈服准则则，即即在VonMMiises表达式中中包包含一个个附加加项，该该附加加项是考考虑到到静水压压力可可以引起起岩土土屈服而而加入入的。其其流动动准则既既可以以使用相相关流流动准则则，也也可以使使用不不相关流流动准准则，其其屈服服面并不不随着着材料的的逐渐渐屈服而而改变变，因此此没有有强化准准则，然然而其屈屈服强强度随着着侧限限压力（静静水水压力）的的增增加而相相应增增加，其其塑性性行为被被假定定为理想想塑性性。并且且，它它考虑了了由于于屈服引引起的的体积膨膨胀，但但不考虑虑温度度变化的的影响响。```图3-1DDDruckk--Praageer屈服面Druck-PPPraggerr屈服面在在主主应力空空间内内为一圆圆锥形形空间曲曲面，在在π平面上为为圆圆形，如如图3-1所示。Druck-PPPraggerr屈服准则则表表达式为为：(3-1)其中：(33-22)((3-3))在平面面面应变状状态下下：(3-4)((3-5))当时，Drucck--Praager屈服准则则在在主应力力空间间内切于Mohrr--Couuloomb屈服面的的一一个圆锥锥形空空间曲面面；当当时，Drucckk-Prragger屈服准则则退退化为VonMMiise屈服准则则。并并且Drucckk-Prragger屈服准则则避避免了Mohrr--Couuloomb屈服面在在角角棱处引引起的的奇异点点。对于受拉破坏时时时：(3-6)(3-7)对于受压破坏时时时：(3-8)((3-9))DP材料模型含含有有3个力学参参数数：粘聚力C内摩擦角膨胀角这3个参数可通通过过ANSYYS中材料数数据据表输入入：MainMeeenu>>Prreprroccesssorr>MaateeriaalProopss>MaateeriaalModdells执行完上面操作作作，弹出出一个个材料模模型对对话框，再再执执行：MateriaaalMModdelssAAvaiilaablee>SStruunttureer>>Nonnliineaar>>Ineelaastiic>>Nonn-mmetaalPlaastticiityy>Drrucckerr-PPraggerr接着在出现的对对对话框输输入这这3个参数便便可可。膨胀角用来控制制制体积膨膨胀的的大小：：当膨膨胀角=0时，则不不会会发生膨膨胀；；当膨胀胀角==时，则发发生生严重的的体积积膨胀。DP材料受压屈屈服服强度大于于于受拉屈屈服强强度，如如果已已知单轴轴受拉拉屈服应应力和和单轴受受压屈屈服应力力，则则可以得得到内内摩擦角角和粘粘聚力：：(3-1000)(3-1111)其中，和由受压压压屈服应应力和和受拉屈屈服应应力计算算得到到：(3-12)(3-13)初始地应力的模模模拟在模拟隧道施施施工过程中中，初初始地应应力模模拟是很很重要要的。在ANSYYS中，可以以有有两种方方法实实现初始始地应应力的模模拟。方法一一一是只考考虑岩岩体的自自重应应力，忽忽略其其构造应应力，在在分析的的第一一步，首首先计计算岩体体的自自重应力力场。这这种方法法简单单方便，只只需需给出岩岩体的的各项参参数即即可计算算。缺缺点是计计算出出来的应应力场场与实际际应力力场有偏偏差，并并且岩体体在自自重作用用下还还产生了了初始始位移，在在继继续分析析的后后续施工工时，得得到的位位移结结果是累累加了了初始位位移的的结果，而而现现实中初初始位位移早就就结束束，对隧隧道的的开挖没没有影影响，因因此在在后面的的每个个施工阶阶段分分析位移移场时时，必须须减去去初始位位移场场。方法二二二是采用用读起起初始应应力文文件的方方法。在在进行结结构分分析时，ANSYYS中可以使使用用读入初初始应应力文件件来把把初始应应力定定义为一一种荷荷载。因因此，当当具有实实测初初始地应应力资资料时，可可将将初始地地应力力写成初初始营营利荷载载文件件，然后后作为为荷载条条件读读入ANSYYS，随后就就可可以直接接进行行第一步步的开开挖计算算。计计算得到到的应应力场和和位移移场就是是开挖挖后的实实际应应力场和和位移移场，不不需要要进行加加减。开挖与支护及连连连续施工工的实实现根据3.2.11所所介绍单元元元生死可可以实实现材料料的消消除与添添加，而而隧道的的开挖挖与支护护正好好比材料料的消消除与支支护，因因此可以以在ANSYYS中用单元元