水工隧洞施工及運行的ANSYS模擬4.1數(shù)值模擬對象4.2有限元建模4.2.1單元定義和材料定義4.2.2實體建模4.2.3網(wǎng)格劃分4.2.4邊界條件和初始條件4.3水工隧洞施工過程模擬4.3.1初始狀態(tài)模擬4.3.2毛洞開挖工況模擬4.3.3毛洞支護(hù)工況模擬4.3.4計算結(jié)果查看及處理4.4水工隧洞運行期模擬4.4.1運行期內(nèi)水壓力的模擬4.4.2運行期外水壓力的模擬水工隧洞施工及運行的ANSYS模擬由于ANSYS在水利工程中應(yīng)用面廣，可以廣泛用于水利工程的各個專業(yè)領(lǐng)域中，包括水工隧洞、地下廠房、高邊坡、重力壩、拱壩、截流堰等水工結(jié)構(gòu)；水輪機(jī)組的動力分析；水文預(yù)測以及高速水力學(xué)等。基于對ANSYS基本操作的進(jìn)一步熟悉，并建立對水工結(jié)構(gòu)ANSYS分析的概念，本章以一個典型水工隧洞的開挖過程為例，簡單介紹ANSYS在水利工程中的應(yīng)用，并以此作為初學(xué)者的入門實例。數(shù)值模擬對象對于實際工程而言，對所要數(shù)值模擬對象的熟悉程度是進(jìn)行有效的ANSYS建模和正確進(jìn)行有限元分析的基礎(chǔ)，熟悉的內(nèi)容主要包括：研究對象地形地質(zhì)條件（不同的地質(zhì)分層、斷層、節(jié)理、裂隙等）、地層及結(jié)構(gòu)的物理力學(xué)參數(shù)（如果涉及到滲流分析或溫度分析，則還需要水力學(xué)參數(shù)和熱力學(xué)參數(shù)等）、縱橫剖面、水文條件以及荷載條件等，以及工程的施工工法，工序安排等，從而為有限元的建模提供前提條件。需要注意的是，作為有限元數(shù)值模擬，只是對實際工程的高度近似，換句話說，不可能達(dá)到百分之百的相同。因此，對實際工程需要進(jìn)行一定的簡化，否則是無法、也不可能進(jìn)行數(shù)值模擬的。圖4-1水工隧道的簡單實例問題描述：以一個簡單隧洞為例，隧洞內(nèi)徑6m，襯砌厚40cm，地層均質(zhì)，隧洞進(jìn)行全斷面開挖，開挖后進(jìn)行一次性襯砌支護(hù)。問題抽象：從描述中可以分析，分析為平面應(yīng)變問題，問題中涉及兩種材料（巖石和混凝土襯砌），研究區(qū)域根據(jù)一定的規(guī)則選取為100m×100m（在后面的章節(jié)中進(jìn)行介紹）矩形區(qū)域，工程分析過程分為3步，即初始狀態(tài)>毛洞開挖>支護(hù)。有限元建模啟動ANSYSProductLaucher，定義好工作目錄和文件名稱。建議不同的工程建立不同的工作目錄，文件名稱盡量取與工程名稱相關(guān)且最好包含日期信息，以便日后對計算過程的回顧和再利用。如目錄取為Shuigong，文件名取為Tunnel060824，如圖4-2。然后運行Run（如目錄不存在，則會彈出對話框提示，直接點擊確定，則在相應(yīng)位置新建，若已存在，則點擊Browse去選取，文件名同樣如此），進(jìn)入ANSYS主操作界面。圖4-2工作目錄和文件名的定義單元定義和材料定義1．單元定義從前面分析中可以看出，本次分析為平面應(yīng)變問題，單元形式為平面應(yīng)變單元。則單元的定義過程如下：進(jìn)入前處理狀態(tài)Preprocessor（在完成網(wǎng)格劃分前都不用退出前處理器）；點擊ElementType>Add/edit/delet，彈出ElementType對話框（圖4-3）。圖4-3ElementType對話框圖4-4ElementType對話框點擊增加單元按鈕Add，彈出單元類型庫對話框LibraryofElementType（圖4-4）。在左側(cè)A框中選擇Solid，對應(yīng)在左側(cè)B框中選擇Quad4node42類型，即為平面四邊形單元，單元編號默認(rèn)為1，點擊Ok退出，則在ElementType對話框中顯示已定義的單元Plane42（圖4-5）。圖4-5平面單元的選取圖4-6已定義的平面單元Plane42平面應(yīng)變的定義。一般來說，Plane42默認(rèn)為平面應(yīng)力單元，因此需要對其進(jìn)行修改。點擊圖4-6中選項按鈕Options…，彈出對話框（圖4-7），在A框K3的下拉菜單中選擇Planestain項，在B框K5項選擇Integrationpts，點擊Ok確定，退出到圖4-6狀態(tài)。圖4-7平面應(yīng)變的定義點擊Close，完成單元定義。2．材料定義從4.1中分析可知，整個分析中涉及到2種材料，即圍巖體和襯砌混凝土（均假定為各向同性材料）。因此需在ANSYS中定義2種材料，定義過程如下：點擊MaterialProps>MaterialModels，彈出材料模型行為定義框DefineMaterialmodelbehavior（圖4-8），左側(cè)列表中默認(rèn)一種未定義參數(shù)的材料，這里定義為巖石材料，編號1。圖4-8材料模型行為定義框雙擊右側(cè)框內(nèi)的Structural（結(jié)構(gòu)）>Linear（線性）>Elastic（彈性）>Isotropic（各向同性），彈出對于材料1的線性各向同性材料性質(zhì)的定義框（圖4-9）。圖4-9材料性質(zhì)定義在EX框（彈性模量）框中輸入4e9（單位為Pa），Prxy（泊松比）框中輸入0.25，點擊OK確定，退回圖4-8狀態(tài)，則左側(cè)框中出現(xiàn)線性各向同性性質(zhì)項（圖4-10）；圖4-10已定義的線性各向同性性質(zhì)項點擊圖4-10右側(cè)框中的密度項Density，彈出對話框密度定義對話框，輸入2400。圖4-11密度的定義（通過以上1-4步則定義了材料1線彈性分析所需的參數(shù)，圖4-12）圖4-12已定義的材料1參數(shù)定義材料2（混凝土襯砌）的參數(shù)。在圖4-12中點擊材料Material>Newmodel（新建材料），則左側(cè)框中出現(xiàn)MaterialModelNumber2，重復(fù)（1）～（4），定義材料2的參數(shù)為Ex=2e10，Prxy=0.167，Dens=2500。圖4-13。圖4-13材料2（襯砌混凝土）參數(shù)的定義在圖4-12中點擊材料Material>Exit退出材料定義，點擊或進(jìn)行保存。通過以上步驟，則定義了所需的材料，若有更多材料，則重復(fù)以上步驟即可，需要注意的是，不同的分析（彈性分析，彈塑性分析，蠕變分析，動力分析）所需的參數(shù)是不同的。實體建模所謂實體建模，就是對通過創(chuàng)建點、線、面的方式，在ANSYS實際反映研究對象的體形特征，從而建立網(wǎng)格劃分的基礎(chǔ)。本實例的最終實體模型包括圍巖區(qū)域、襯砌區(qū)域（開挖后要回填）、開挖區(qū)域（不回填，形成隧洞）三個區(qū)域，在實體上表現(xiàn)為面Area。建立面有兩種方式，一是通過生成點生成線，再由線生成面，二是直接通過ANSYS工具生成面。1．通過點、線生成面建模過程：（1）生成關(guān)鍵點點擊Modelling>Create>Keypoints>InActiveCs（通過輸入坐標(biāo)直接生成關(guān)鍵點），彈出對話框（圖4-14）。其中第一行為關(guān)鍵點編號，不輸則按順序系統(tǒng)自動進(jìn)行編號，第二行為三個方向坐標(biāo)值，平面問題時則Z值不輸。按上述方法依次創(chuàng)建點（-50,-50），（50,-50），（50,50）和（-50,50），完成四個關(guān)鍵點的創(chuàng)建，則工作面出現(xiàn)4個關(guān)鍵點（圖4-15）。圖4-14關(guān)鍵點的創(chuàng)建圖4-15已創(chuàng)建的關(guān)鍵點（2）由點生成線點擊Modelling>Create>Lines>Lines>StraightLine（通過關(guān)鍵點創(chuàng)建直線）。彈出選點建線對話框CreatStraightLine（圖4-16）。先連接關(guān)鍵點1和關(guān)鍵2。鼠標(biāo)依次點擊1點和2點，則生成線1（自動按順序編號為1），按此方法，可以連接點2和3、3和4，4和1，依次生成線2～4（圖4-17）。圖4-16創(chuàng)建直線對話框圖4-17創(chuàng)建直線（3）由線生成面點擊Modeling>Create>Areas>Arbitrary>ByLines（通過線創(chuàng)建面）。彈出CreatAreabyLines（圖4-18）。依次點擊線1、2、3、4，點擊OK，則形成一個矩形面（圖4-19）。圖4-18創(chuàng)建直線對話框圖4-19創(chuàng)建面（4）創(chuàng)建隧洞及襯砌由于隧洞及襯砌為圓形/圓環(huán)形，可以通過ANSYS的工具直接創(chuàng)建，再通過布爾運算對圓進(jìn)行操作，生成開挖區(qū)、襯砌及圍巖區(qū)。具體操作如下：點擊Modeling>Create>Areas>Circle（圓形）>SolidCircle（實體圓），彈出實體圓面創(chuàng)建框（圖4-20），圖中的三個輸入框中，WPX和WPY為圓心位置（不輸值時，默認(rèn)圓心位置在整體坐標(biāo)系的原點；若圓心位置不在整體坐標(biāo)系原點，則需通過移動工作平面來實現(xiàn)圓心位置的確定）。這里，隧洞內(nèi)徑為6m，外徑為6.4m。在圖4-20對話框中的Radius中輸入6，點擊Apply，創(chuàng)建內(nèi)圓；再輸入6.4，點擊OK，創(chuàng)建外圓。（點擊鼠標(biāo)右鍵，點擊Replot，可以看到三個有重復(fù)區(qū)域的面，圖4-21）圖4-20創(chuàng)建實體圓對話框圖4-21創(chuàng)建的三個實體圓通過上面的操作，在工作面上存在3個面Area，但三個面存在重合，因此，必須對三個面進(jìn)行布爾操作，形成相互獨立但邊界連接的三個區(qū)域，即圍巖區(qū)、襯砌區(qū)和開挖區(qū)。點擊Modeling>Operate>Booleans>Overlap>Areas（對面進(jìn)行疊合操作），彈出對話框（圖4-22）。選擇對話框中的PickAll，對所有的面進(jìn)行操作，從而形成三個區(qū)域。圖4-22對面進(jìn)行Overlap對話框圖4-23經(jīng)過布爾操作的圓面（5）精細(xì)實體模型經(jīng)過上面的操作，初步形成了實體模型，可以進(jìn)行網(wǎng)格的自由劃分，但這樣獲得的網(wǎng)格往往沒有規(guī)律性，同時沒有突出重點（比如在隧洞周邊的網(wǎng)格需要密一些）等等。因此，可以對這些區(qū)域進(jìn)行切割，劃分為4個相同且對稱的區(qū)域。具體做法是：在矩形區(qū)域的4個線/邊中點創(chuàng)建4個關(guān)鍵點，連接成直線，然后用直線去切割3個面。ANSYS操作：顯示所有的線：UtilityMenu>Plot>Lines；在線1的中點創(chuàng)建關(guān)鍵點：Modeling>Create>Keypoints>OnLinew/Ration，對話框（圖4-24），選擇要創(chuàng)建點的線，點擊Apply，彈出對話框（圖4-25），在Lineratio(0-1)中輸入0.5（表示中點），KeypointNumber默認(rèn)，點擊OK，即在創(chuàng)建了線1上的中點（圖4-25），按此方法，創(chuàng)建其他3條邊線上的中點關(guān)鍵點。圖4-24在線的中點創(chuàng)建關(guān)鍵點連接關(guān)鍵點13和15，14和16，形成2條直線（按圖4-16～圖4-17的方法創(chuàng)建）；顯示所有的元素：UtilityMenu>Plot>Multi-Plots；對3個面進(jìn)行切割：點擊Modelling>Operate>Booleans>Divide>AreabyLine，彈出對話框DivideAreabyLine（圖4-25），點擊PickAll，彈出對話框，再點擊PickAll，完成對面域的劃分。為了便于查看面，將面以顏色進(jìn)行區(qū)分，做法為：UtilityMenu>PlotCtrls>Numbering…，彈出對話框，對圖4-26中三個框選的部分按圖中進(jìn)行選擇，點擊OK，即可顯示面（圖4-27）。圖4-25切割面圖4-26以顏色顯示面設(shè)置圖4-27以顏色顯示的面通過以上操作，即完成了所有實體模型的創(chuàng)建。由于在上述操作過程中，可能存在一些重合的元素，必須對此進(jìn)行處理。在ANSYS中的做法是：點擊Preprocessor>NumberingCtrls>MergeItems，彈出對話框，選擇框中的All（圖4-28），點擊OK；點擊Preprocessor>NumberingCtrls>CompressNumbers…，彈出對話框（圖4-29），選擇All，點擊OK結(jié)束。圖4-28消除重合的點、線、面/體圖4-29壓縮點、線、面的編號（從1開始且編號連續(xù)）同時，為了以后便于選擇，可以通過ANSYS的工具創(chuàng)建面的組合，形成圍巖組、襯砌組和開挖區(qū)組。ANSYS的做法為：圖4-30選擇面設(shè)置圖4-31選擇面圖4-32選擇的圍巖區(qū)域先只選擇圍巖區(qū)域：UtilityMenu>Select>Entities…，彈出對話框（圖4-30），按圖中框選部分進(jìn)行選擇，點擊OK；彈出對話框（圖4-31），然后在工作區(qū)選擇圍巖區(qū)（圖4-32）中的R1、R2、R3和R4，點擊OK；顯示面，UtilityMenu>Plot>Area，即可看到所選擇的區(qū)域。創(chuàng)建組件：UtilityMenu>Select>Comp/Assembly>CreateComponent…，彈出對話框（圖4-33），按框選部分設(shè)定，點擊OK，即創(chuàng)建一個以ROCK命名的組件；圖4-33創(chuàng)建組件的設(shè)置選擇所有面：UtilityMenu>Select>Everything；然后顯示所有面：UtilityMenu>Plot>Areas；按A中的方法選擇襯砌區(qū)的面Area（圖4-33）；并按B中的方法定義襯砌組Lining；圖4-33選擇的襯砌區(qū)的面并創(chuàng)建Lining組件按C、D中的方法確定開挖組件Kaiwa，圖4-34。圖4-34選擇的開挖區(qū)的面并創(chuàng)建Kaiwa組件查看已創(chuàng)建的組件可以通過以下方式進(jìn)行：UtilityMenu>Select>ComponentManager…，彈出對話框（圖4-35），即可看到已定義的3個組件。圖4-35已創(chuàng)建的組件2．直接生成面以上是通過面的下級元素（點和線）來逐步生成面，ANSYS中提供了直接創(chuàng)建面的方法。具體做法為：Preprocessor>Modelling>Create>Area>Rectangle（四邊形面）>ByDimension，彈出對話框（圖4-36），輸入相應(yīng)的尺寸，創(chuàng)建的面與通過上述方法創(chuàng)建的面完全一樣。圖4-36直接生成面下面的步驟同上面方法一致。點擊或進(jìn)行保存。網(wǎng)格劃分建立了經(jīng)過優(yōu)化的實體模型后，即可進(jìn)行平面網(wǎng)格的劃分。1．指定面的屬性在開始劃分網(wǎng)格前，必須對面的屬性（單元形式和材料號）進(jìn)行指定，換句話說，在進(jìn)行網(wǎng)格劃分前，材料和單元類型必須已經(jīng)定義/存在。在本問題中，隧洞開挖前，所有的面均屬于巖石材料（即材料1），因此，指定所有面的屬性均為Plane42單元，材料號為1。具體做法為：點擊Meshing>MeshAttributes>Allareas…，彈出對話框（圖4-37），按框選部分的選擇進(jìn)行設(shè)定（材料號1，單元類型Plane42），點擊OK，即完成了面的屬性指定。圖4-37面屬性的指定2．網(wǎng)格劃分密度的指定盡管可以進(jìn)行自由劃分，但獲得的網(wǎng)格很難滿足用戶的要求，因此對于面域，可以通過指定線的劃分密度（長度或數(shù)目）來對面域進(jìn)行映射劃分Mapped（對于3邊形映射劃分，三條邊的數(shù)目要相同，且最好為偶數(shù)；4邊形時，對邊的劃分?jǐn)?shù)目必須相等）。具體做法為：A．顯示所有的線：UtilityMenu>Plot>LinesB．指定襯砌及開挖區(qū)內(nèi)線的劃分密度點擊Meshing>MeshingTool，彈出對話框（圖4-38），選擇Lines>Set，彈出線選擇對話框（圖4-39），選擇襯砌的內(nèi)外圈（共8條線）以及開挖區(qū)4根線，點擊OK，彈出線劃分密度設(shè)定對話框（圖4-40）。線密度的設(shè)定可以通過設(shè)定長度或數(shù)目來進(jìn)行，這里選擇數(shù)目，本模型中設(shè)定為10，點擊OK。圖4-38線密度劃分對話框圖4-39選擇要設(shè)定的線圖4-40線密度的指定圖4-41襯砌厚度線（圓圈部分）襯砌厚度的確定也按上述方法，選擇4條厚度方向的線，設(shè)定數(shù)目為2。圖4-42過渡線C．過渡線的設(shè)定對圖4-42中A、B、C、D四條線而言，由于我們關(guān)注隧洞周邊，因此，網(wǎng)格密度要大一些，即網(wǎng)格以隧洞為圓心，朝外側(cè)網(wǎng)格逐漸過渡，增大。具體做法為：按B中的方法，選擇這4條線，按圖4-43進(jìn)行設(shè)定，點擊OK，完成設(shè)定。需要注意的是，由于線的方向的原因，過渡系數(shù)可能為小數(shù)，也可能為整數(shù)，操作時可先試設(shè)定，若剛好相反，則取原過渡系數(shù)的倒數(shù)，如試取5，不合適的話，則取1/5。圖4-43過渡線數(shù)目的設(shè)定需要說明的是，映射劃分一般針對3邊形或4邊形（平面情況），若為5邊形，則需要另外的映射方法，可按下面的規(guī)則進(jìn)行設(shè)定，即把5邊形的其中兩邊假象為一條邊，則“變?yōu)椤彼倪呅危瑒t按四邊形劃分規(guī)則進(jìn)行設(shè)定（也就是說，假象為“一條邊”的兩條線的劃分?jǐn)?shù)目和要等于這兩條線對應(yīng)的一條邊的劃分?jǐn)?shù)目，另外兩邊數(shù)目也要相等）。圖4-44所有線的劃分?jǐn)?shù)目匯總3．網(wǎng)格劃分在設(shè)定所有線的劃分密度后，即可進(jìn)行網(wǎng)格劃分，劃分分兩種情況（先顯示為面）：A．對于3邊形或四邊形點擊Meshing>MeshingTool，彈出對話框（圖4-45），按圖中框選進(jìn)行設(shè)定，點擊Mesh后，彈出面選擇框（圖4-46），選擇開挖區(qū)和襯砌區(qū)（3邊形或四邊形）的面后，點擊OK，工作面顯示為圖4-47。圖4-45劃分工具圖4-46面選擇框圖4-47已劃分的網(wǎng)格A．對于5邊形選擇顯示面UtilityMenu>Plot>Area。點擊Meshing>MeshingTool，彈出對話框（圖4-48），按圖中框選進(jìn)行設(shè)定，點擊Mesh后，彈出面選擇框（圖4-49），選擇且只能選擇其中一個面（5邊形），點擊OK，再選擇5邊形的其中4個角點（圖4-50，由于假象兩條線為“一條線”，因此，選擇時不再選擇這兩條線之間的交點），即可完成5邊形面的劃分，圖4-51。圖4-48劃分工具圖4-49面選擇框圖4-50選擇點的順序圖4-51已劃分的網(wǎng)格按照上面方法劃分其余3個5邊形面的劃分，點擊UtilityMenu>Plot>Elements，顯示劃分后的網(wǎng)格如圖4-52。圖4-52劃分后的網(wǎng)格點擊或進(jìn)行保存。點擊File>Saveas，在彈出的對話框中，將文件另存為Tunnel-mesh.db（用于后面的計算）。在完成有限元網(wǎng)格的劃分后，即完成了有限元的建模，可以進(jìn)行求解。通過下面進(jìn)入求解模塊。Mainmenu>Solution。邊界條件和初始條件1．邊界條件對于水工隧洞的計計算區(qū)域而言言，所選的區(qū)區(qū)域一般進(jìn)行行位移邊界約約束，即左右右為水平X法向約束，底底部為鉛直YY法向約束。AANSYS的的做法為：DefineLLoads>>Applyy>Struucturaal>Dissplaceement>>OnNoodes（施施加在節(jié)點上上），彈出節(jié)節(jié)點選擇對話話框，選擇BBox窗選方方式，選擇左左右邊界的節(jié)節(jié)點（圖4--54），點點擊OK，彈出對對話框（圖44-55），選選擇X方向約束，點點擊OK，圖4-53節(jié)點選選擇框圖4-54被選擇的節(jié)節(jié)點圖4-55指定約約束方向UXX圖4-56被約束的左左右邊界同樣，窗選底部節(jié)節(jié)點，指定UUY約束，完完成底部邊界界條件設(shè)定。圖4-57指定約約束方向UYY圖4-58被約束的底底部邊界2．初始條件初始條件包括初始始應(yīng)力狀態(tài)，本本問題中主要要是自重應(yīng)力力情況，即要要設(shè)定重力加加速度。DefineLLoads>>Applyy>Struucturaal>Ineertia>>Graviity>Gllobal，彈彈出對話框，在在鉛直Y方向輸入9..8，點擊OK，完成重重力加速度的的設(shè)定。圖4-59重力加加速度的設(shè)定定點擊或進(jìn)行保存。水工隧洞施工過程程模擬在本問題，隧洞的的施工模擬包包括三個過程程，即初始應(yīng)應(yīng)力狀態(tài)（荷荷載步1）→毛洞開開挖（荷載步步2）→毛洞支支護(hù)（荷載步步3）。本節(jié)中中按這三個步步驟進(jìn)行計算算模擬。（保保證你處于SSolutiion求解模模式狀態(tài)）由于在下面的分析析中涉及到單單元的生（開開挖）或死（激激活，如開挖挖回填、施作作襯砌等），因因此必須打開開N－R模式，具體體做法為：AAnalyssisTyype>AnnalysiisOpttions（分分析選項）（有有時在點擊AAnalyssisTyype后，不不能發(fā)現(xiàn)AnnalysiisOpttions，此此時可點擊SSolutiion>UnnabriddgedMMenu，即即可顯示出來來），彈出對對話框（圖44-60），選選擇FulllN-R選選項，點擊OOK即完成設(shè)設(shè)置。圖4-60FulllN-RR的設(shè)置初始狀態(tài)模擬初始狀態(tài)是指研究究對象所在的的地質(zhì)區(qū)域未未受人工擾動動（開挖、支支護(hù)等人類活活動）之前就就已客觀存在在的狀態(tài)，包包括自重應(yīng)力力場和構(gòu)造應(yīng)應(yīng)力場，其中中以自重應(yīng)力力場為主。初初始狀態(tài)的求求解過程為：：A．設(shè)定初始狀態(tài)分分析的荷載步步Loadsstep=11，具體做法法為：點擊AnalyssisTyype>Sool’Contrrols，彈彈出對話框（圖圖4-61），按圖中框框選設(shè)定，點點擊OK，完成荷荷載步設(shè)置；；圖4-61荷載步步的設(shè)置B．求解，Solvve>CurrrentLs，點擊擊OK，開始求求解，當(dāng)出現(xiàn)現(xiàn)下列界面時時，證明求解解成功，點擊擊Closee，完成求解解。圖4-62經(jīng)過上面過程，即即完成了初始始狀態(tài)的計算算。點擊或進(jìn)行保存。毛洞開挖工況模擬擬毛洞成洞過程實際際包括兩個部部分，即襯砌砌部分和開挖挖后不回填部部分，在本步步中，襯砌和和開挖區(qū)都會會被挖去，在在ANSYSS程序中成為為“殺死Kiill”。具具體過程為（顯顯示界面為單單元）：A．設(shè)定初始狀態(tài)分分析的荷載步步Loadsstep=22，具體做法法為：點擊AnalyssisTyype>Sool’Contrrols，彈彈出對話框（圖圖4-63），按圖中框框選設(shè)定，點點擊OK，完成荷荷載步設(shè)置；；圖4-63第2荷荷載步的設(shè)置置B．根據(jù)前面4.22.2中創(chuàng)建建的三個組件件，選擇要開開挖的襯砌區(qū)區(qū)和開挖區(qū)單單元。點擊UltiliityMeenu>Seelect>>CompoonentManagger，彈出出下面對話框框，先在下面面的列表中選選擇Kaiwwa和Lininng兩個組件件，再點擊上上面的按鈕后后，關(guān)閉該對對話框。圖4-64顯示選擇的面UlltilittyMennu>Ploot>Areeas。然后后選擇附著于于所選面的單單元。UltilityyMenuu>Seleect>Enntitiees…，在彈出的的對話框中，按按下圖設(shè)定后后，點擊OKK，選擇顯示示單元UlttilityyMenuu>Plott>Elemment，如下圖(圖4-64))，即為本步步中要開挖的的單元。圖4-64選擇要要開挖的單元元C．在命令行中輸入入Ekilll,all，殺殺死/開挖所選的的單元。D．選擇全部元素：：UtiliitiesMenu>>Selecct>eveerthinng；并顯示示右鍵>Reploot；E．進(jìn)行毛洞開挖求求解Solvve>CurrrentLs，點擊擊OK，開始求求解，當(dāng)出現(xiàn)現(xiàn)下列界面時時，證明求解解成功，點擊擊Closee，完成求解解。圖4-65求解成成功顯示為單元UtiilitieesMennu>Ploot>Eleementss，點擊或進(jìn)行保存。毛洞支護(hù)工況模擬擬毛洞穩(wěn)定到一定狀態(tài)態(tài)后，即可進(jìn)進(jìn)行襯砌施作作，形成隧洞洞主體結(jié)構(gòu)，有有限元對此過過程的模擬過過程為（顯示示為單元UttilitiiesMeenu>Pllot>Ellementts）：A．指定荷載步Loaadstepp＝3；點擊AnalyssisTyype>Sool’Contrrols，彈彈出對話框（圖圖4-66），按圖中框框選設(shè)定，點點擊OK，完成荷荷載步設(shè)置；；圖4-66第3荷荷載步的設(shè)置置B．選擇先前設(shè)定的襯襯砌區(qū)域/面Lininng及相應(yīng)附附著在面上的的單元；點擊UltiliityMeenu>Seelect>>CompoonentManagger，彈出出下面對話框框，先在下面面的列表中選選擇Liniing兩個組組件，再點擊擊上面的按鈕鈕后，關(guān)閉該該對話框。圖4-64選擇襯襯砌區(qū)域顯示選擇的面UlltilittyMennu>Ploot>Areea。然后選選擇附著于所所選面的單元元。UltilityyMenuu>Seleect>Enntitiees…，在彈出的的對話框中，按按下圖設(shè)定后后，點擊OKK，選擇顯示示單元UlttilityyMenuu>Plott>Elemment，如下圖(圖4-64))，即為本步步中要開挖的的單元。圖4-64選擇要要開挖的單元元C．激活所選的襯砌單單元，在命令令行輸入Eaalive,,all，激激活/施作襯砌區(qū)單元；4、由于原來的襯砌砌部分設(shè)定為為巖石材料，因因此需要改變變襯砌單元材材料屬性為混混凝土屬性，具具體為：選定定襯砌單元，Solution>Loadstepopts>Other>Changematprops>Changematnum/彈出菜單，材料編號改為2：圖4-67襯砌材材料性質(zhì)的改改變D．選擇全部元素：：UtiliitiesMenu>>Selecct>eveerthinng；并顯示示右鍵>Reploot；E．進(jìn)行襯砌支護(hù)后的的求解Solvve>CurrrentLs，點擊擊OK，開始求求解，當(dāng)出現(xiàn)現(xiàn)下列界面時時，證明求解解成功，點擊擊Closee，完成求解解。圖4-68求解成成功顯示為單元UtiilitieesMennu>Ploot>Eleementss，點擊或進(jìn)行保存。計算結(jié)果查看及處處理通過以上分析，對對水工隧洞施施工期圍巖及及襯砌結(jié)構(gòu)的的應(yīng)力、變形形規(guī)律進(jìn)行了了簡單的數(shù)值值模擬，下面面就數(shù)值模擬擬的結(jié)果進(jìn)行行簡單的查看看與處理。首首先通過以下下過程進(jìn)入通通用后處理模模塊：MaiinMennu>GenneralPostpproc。所所有的后處理理操作都必須須在后處理狀狀態(tài)中。1．計算結(jié)果的讀取取首先查看計算荷載載步的情況：：GenerralPoostProo>ResuultsSSummarry，彈出對對話框。圖4-69計算結(jié)結(jié)果匯總圖4-69結(jié)果讀取方方式計算結(jié)果的讀取可可以通過多種種方式，以BByPicck為例：點擊ReadRResultts>ByPick，彈彈出菜單后，選選擇某荷載步步，點擊Reead（讀取取）→Cloose即可。圖4-70通過BByPicck讀取結(jié)果果2．計算結(jié)果的查看看在讀取某荷載步的的結(jié)果后，就就可以對某荷荷載步下的結(jié)結(jié)果進(jìn)行繪圖圖或文本列表表。計算結(jié)果果分兩種：節(jié)節(jié)點解和單元元解。節(jié)點解： PlootRessults>>CoutoourPllot（繪制制等值線）>>NodallSoluu（節(jié)點解） ListRessults>>NodallSoluution（列列表結(jié)果）單元解： PlootRessults>>CoutoourPllot（繪制制等值線）>>ElemeentSoolu（單元元解） ListRessults>>ElemeentSoolutioon（列表結(jié)結(jié)果）以荷載步2（毛洞洞開挖工況）的的結(jié)果為例：：（首先對開挖掉的的單元不選擇擇顯示，先選選擇組件，然然后選擇附著著在上面的單單元，開挖掉掉的單元就不不顯示了）A．繪制節(jié)點位移UUY點擊PlotRResultts>CouutourPlot>>NodallSoluu，彈出的對對話框中，選選擇DofSoolutioon→Y-CommponenntofDispllacemeent，并作作相應(yīng)設(shè)置后后，繪出UYY等值線圖（如如圖4-711）。圖4-71繪制UUY位移分量量等值線圖同理可以繪制UXX和合位移。B．繪制節(jié)點應(yīng)力向向量點擊PlotRResultts>CouutourPlot>>NodallSoluu，彈出的對對話框中，選選擇Streess→Y-CommponenntofStresss，并作相相應(yīng)設(shè)置后，繪繪出SY等值線圖圖（如圖4--72），可可看到兩側(cè)洞洞壁出現(xiàn)最大大的豎直方向向壓應(yīng)力。圖4-72繪制SSY位移分量量等值線圖同理可以繪制其它它應(yīng)力分量，包包括第1主應(yīng)力（1sstPriicinpaalStrress）和和第3主應(yīng)力（3sstPriicinpaalStrress）注意：ANSYSS的應(yīng)力大小小與方向規(guī)定定和材料力學(xué)學(xué)規(guī)定相同，與與我們工程上上的規(guī)定剛好好相反，也就就是說ANSSYS中第1主應(yīng)力實際際為工程上應(yīng)應(yīng)用的最小主主應(yīng)力，第33主應(yīng)力實際際為工程上應(yīng)應(yīng)用的最大主主應(yīng)力。若要繪制某些特定定部位的計算算結(jié)果，則只只需選定關(guān)注注區(qū)域的單元元進(jìn)行繪制即即可。若要對比開挖前后后的變形圖，則則在對話框中中選擇變形后后圖形同時顯顯示變形前邊邊界。圖4-73繪制變變形前后對比比圖3．荷載工況組合在前面的分析中，隧隧洞的開挖經(jīng)經(jīng)歷了3個步驟，在在每一步的分分析中均包含含了自重應(yīng)力力和自重位移移，對于應(yīng)力力而言，我們們不僅關(guān)注自自重應(yīng)力，同同時關(guān)注開挖挖后的附加應(yīng)應(yīng)力和二次應(yīng)應(yīng)力；而對于于位移，自重重位移實際是是不存在的（經(jīng)經(jīng)過幾百萬年年的穩(wěn)定后，位位移基本消失失），因此對對于開挖而言言，我們更關(guān)關(guān)注于附加位位移，這就涉涉及到荷載工工況之間的邏邏輯運算（加加或減）的問問題，也就是是荷載工況組組合。在本問問題中，評價價開挖引起的的位移或應(yīng)力力時，就必須須“減掉”自自重位移或位位移，即荷載載步2要減去荷載載步1；而在評價價襯砌施作引引起的附加應(yīng)應(yīng)力或位移時時，則必須減減去開挖和自自重引起的位位移或應(yīng)力，即即荷載步3要減去荷載載步2。荷載工況況的定義和運運算做法為：：A．定義荷載工況：：GenerralPoostprooc>LoaadCasse>CreeatLooadCaase…，彈出對話話框中，選擇擇從結(jié)果文件件ResulltsFiiles創(chuàng)建建荷載工況，圖4-74定義荷荷載步1為荷載工況況1同理分別定義荷載載步2為荷載工況況2（圖4-755），荷載步步3為荷載工況況3（圖4-766）。圖4-75定義荷荷載步2為荷載工況況2圖4-76定義荷荷載步3為荷載工況況3當(dāng)要分析開挖引起起的附加位移移和應(yīng)力或其其它參量時，則則要減去初始始狀況的位移移和應(yīng)力，即即用荷載工況況2“減去”荷荷載工況1，做法為：：A．讀取荷載工況22（圖4-777）LoadCasse>ReaadLoaadCasse…，在彈出的的對話框中，輸輸入2，點擊OK；圖4-77讀取荷荷載工況B．減去荷載工況11（圖4-788）LoadCasse>Subbtractt…，圖4-78減去荷荷載工況重新繪制UY方向向的附加位移移，則圖形變變?yōu)閳D4-779，隧洞頂頂部發(fā)生向下下位移，而隧隧洞底部發(fā)生生向上的回彈彈位移。附加加的最大壓應(yīng)應(yīng)力變?yōu)閳D44-80，隧隧洞底部和頂頂部發(fā)生拉應(yīng)應(yīng)力，兩側(cè)發(fā)發(fā)生最大壓應(yīng)應(yīng)力。圖4-79附加豎豎直UY位移圖4-80附加最大主主應(yīng)力4．路徑操作對于實際工程而言言，我們可能能關(guān)注于應(yīng)力力或位移在某某些區(qū)域或范范圍內(nèi)的變化化趨勢，這就就需要用到AANSYS的的路徑操作。以以本問題為例例，如果我們們需要知道應(yīng)應(yīng)力或圍巖沿沿徑向的變化化趨勢，則可可按下面步驟驟進(jìn)行操作：：A．定義路徑GeneralPostpproc>PPathOOperattions>>DefinnePatth>Bynodess（通過節(jié)點點定義）…，彈出節(jié)點點選擇對話框框，依次選擇擇路徑上的節(jié)節(jié)點（圖4--81），點點擊OK，彈出對對話框（圖44-81），定定義路徑的名名稱為XX，圖4-81路徑的的定義B．映射數(shù)據(jù)到指定定路徑PathOpeeratioons>MaapOnttoPatth…，彈出對話話框，指定需需要映射的參參量，如UXX，UY，SX，SY，S1，S3等，如圖圖4-82。圖4-82映射數(shù)數(shù)據(jù)C．繪制指定參量沿沿路徑的變化化曲線PathOpeeratioons>PllotPaathIttem>OnnGrapph…，在彈出的的對話框中，選選擇要繪制的的變化曲線（可可以多選，但但最好位移和和應(yīng)力要分開開），圖4--82。圖4-82繪制位位移沿路徑XX的編號曲曲線圖4-83繪制主主應(yīng)力沿路徑徑XX的編號曲曲線水工隧洞運行期模模擬前面對水工隧洞施施工期的開挖挖過程進(jìn)行了了簡單的模擬擬，分析了開開挖過程圍巖巖及襯砌結(jié)構(gòu)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變變規(guī)律。本節(jié)節(jié)對水工隧洞洞在運行期，受受內(nèi)、外水壓壓力作用下的的襯砌變形及及應(yīng)力規(guī)律。運行期內(nèi)水壓力的的模擬對于隧洞的內(nèi)水壓壓力，需要區(qū)區(qū)別無壓隧洞洞和有壓隧道道（圖4-884）。因此，施施加內(nèi)水壓力力分為有壓和和無壓兩種情情況，有限元元模型采用與與前面開挖支支護(hù)后的隧洞洞，并進(jìn)入求求解狀態(tài)Soolutioon。A．有壓隧洞B．無壓隧隧洞圖4-84無壓和和有壓隧洞1．有壓隧洞有壓隧洞情況下，作作用與隧洞襯襯砌內(nèi)表面的的水壓力可認(rèn)認(rèn)為是常量，可可以通過ANNSYS施加加Presssure命令令，直接進(jìn)行行施加。A．選定襯砌單元且且選擇附著于于單元的節(jié)點點由于襯砌材料號為為2，因此通過過如下方式進(jìn)進(jìn)行選擇。UtilitieesMennu>Sellect>EEnitiees…，在彈出的的對話框中，選選擇Elemment→ByAtttribuutes→MaterrialNNum，在Min,Maax,Incc空白框中輸輸入2，點擊Appply→Plot→OK。選擇附著于襯砌單單元上的節(jié)點點。UtilitieesMennu>Sellect>EEnitiees…，在彈出的的對話框中，選選擇Nodees→Attacchedtto→Elemeent，點擊擊Applyy→Plot→OK。圖4-85選擇襯襯砌單元圖4-86選擇擇附著于襯砌砌單元的節(jié)點點B．選擇所有襯砌內(nèi)內(nèi)表面節(jié)點并并施加水壓力力Solutionn>DefiineLooads>AApply>>Struccturall>Presssure>>Onnoodes，在在彈出的對話話框中，采用用圓形Cirrcle選擇擇方式（圖44-87），選選擇所有的襯襯砌內(nèi)表面節(jié)節(jié)點，點擊OOK，在彈出出的對話框中中，輸入內(nèi)水水壓力1e66，點擊OK完成水壓壓力設(shè)定（圖圖4-88）。圖4-87圓形選擇擇方式圖4-88設(shè)定內(nèi)水壓壓力此時，施加的水壓壓力表現(xiàn)為一一條線，這里里可以通過設(shè)設(shè)置，將Prressurre以箭頭Arrrow表示。UtilitieesMennu>PlootCtlss>Symbbol…，在彈出的的對話框中，按按圖4-899進(jìn)行設(shè)置后后，即可將PPressuure以箭頭頭表示。模型型上顯示的水水壓力如圖44-90。圖4-89水壓力表表示方式圖4-90模型上顯顯示的水壓力力2．無壓隧洞假定水位在半圓高高