ANSYS公路隧道二次衬砌受力分析.doc

公路隧道二次衬砌受力分析

课 程 设 计 任 务 书

题 目 公路隧道二次衬砌受力分析

一、设计的目的
学会利用ANSYS的功能分析隧道二次衬砌等一些相对复杂的结构，使对ANSYS的操作更加娴熟，更好的投入实际应用。

二、设计的内容及要求
设计内容：某高速公路隧道，采用矿山法施工，隧道V级围岩中。其围岩埋深为21.173m，隧道内断面轮廓如下图，采用C30混凝土，厚度为50cm。做出内力图，列出各单元内力值。《二衬荷载按照计算荷载的30%计算，并保留三位小数》

操作步骤：
1.1 指定工作文件名。
执行“开始→程序→ANSYS→ANSYS Product Launcher”菜单命令创建Job Name为Mechanical analysis on permanent lining of tunnel in Express-way
1.2 定义分析标题
执行“Utility Menu→File→Change Title”菜单命令，在对话框中输入“Mechanical analysis on permanent lining of tunnel in Express-way”
Main Menu→preferencers在弹出的菜单选择structural.
1.3定义单元类型
执行“Main Menu→Preprocess→Element Type→Add/Edit/Delete”然后执行：add→beam→2D elastic 3→OK；再Add→COMBIN→Spring-damper14→OK关闭窗口。
1.4定义单元实常数
执行Main Menu→Preprocessor→Real Constants→Add/Edit/Delete→add→ok→Type 1 BEAM3 →OK→Real Constant Set No.栏中输入1，在AREA栏输入0.5→在IZZ(惯性矩)栏输入0.5*0.5*0.5*/12→HEIGHT(高度)栏输入0.5→Apply;同理定义弹簧实常数k，100e6。
1.5定义材料属性
1、 执行：Main Menu→Preprocessor→Material props→Material Models→Structural→Linear→Elastic→Isotropic→在弹性模量EX栏输入30e9→在PRXY栏输入0.2→OK，再点击Density，DENS栏输入2500 →执行“Meterial→New Modle”，单击OK，双击Isotropic，在EX栏填写1E9，在PRXY栏填写0.35，单击OK，双击Density，在DENS栏填写1800，单击OK，关闭对话框；
1.6定义截面属性
Main Menu→Preprocessor→sections→Beam→Common sections→B中输入,1→在H中输入0.5→ok
1.7建立几何模型
⑴ 执行：Main Menu→preprocessor→Modeling→Create→Keypoints→in active CS→依次输入坐标点1（0,0）点击Apply,如此依次输入，2（-3.34，0），3（3.34,0），4（0,11.37），点击OK。
⑵ 执行命令circle,1,5.65
circle,2,2.52 circle,3,2.52 circle,4,14.25 circle,1,6.65 circle,2,3.52 circle,3,3.52 circle,4,15.25生成八个圆。
⑶ 执行Modeling →operate→booleans→overlay然后根据需要两根线搭接生成关键点。
⑷ 执行Modeling→delete→lines only选择不需要的线点击Apply→OK.
⑸ 执行PlotCtrls→Symbols→LDIR Line将off打√变为on→OK.
⑹ 执行Modeling→move/modify→reverse Normols→of lines→on打√变为yes→OK.
1.8划分单元
GUI执行：MainCMenu→preprocessor→Meshing→Mesh tool→Element Attributes选择lines→set→选择L1、L2、L6、L10、L9、L11、L12、L8的8段→Apply→OK; Size Controls→lines→set→选择L3、L4、L1、L2的4段→Apply在NDIV输入16→OK；同理分别选择L5、L6、L7、L8、L10、L14、L12、L16→输入2；L9、L11、L13、L15→输入10；点击OK，点击Mesh,点击Pick All.
1.9生成弹簧
执行：PlotCtrls→Numbering→勾选Node number为on
执行：Main Menu→Preprocessor→Modeling→Creat→Eelement→Elem Attributes→选择所有都为第二项→OK。
执行：Main Menu→Preprocessor→Modeling→Creat→Eelement→Auto Numbered→thru Nodes→然后相应节点相连接，即生成弹簧单元。
执行Meshing→clear→选中外面的线→点击OK。
执行Modeling→delete→lines only选择不需要的线点击Apply→OK.
2.0加约束，荷载
(1)执行：Main→Menu→solution→Define Loads→Apply→Structural→Displacement→on nodes→在弹簧末端施加UX、UY方向约束;
(2) 执行
F,
17
,
fx,
-1396.85

fy,
-123119
F,
16
,
fx,
-2809.83

fy,
-121337
F,
15
,
fx,
-4253.78

fy,
-118387
F,
14
,
fx,
-5741.03

fy,
-114297
F,
13
,
fx,
-7280.22

fy,
-109106
F,
12
,
fx,
-8875.4

fy,
-102865
F,
11
,
fx,
-10525.2

fy,
-95632.5
F,
10
,
fx,
-12222.4

fy,
-87479.3
F,
9
,
fx,
-13953.5

fy,
-78483.6
F,
8
,
fx,
-15699

fy,
-68732
F,
7
,
fx,
-17433.5

fy,
-58318.6
F,
6
,
fx,
-19126.1

fy,
-47343.4
F,
5
,
fx,
-20741.8

fy,
-35912.4
F,
4
,
fx,
-22241.9

fy,
-24135.5
F,
3
,
fx,
-23585.9

fy,
-12126.1
F,
1
,
fx,
-27049.8

fy,
0
F,
72
,
fx,
-30500.5

fy,
0
F,
71
,
fx,
-25909.2

fy,
0
F,
109
,
fx,
-18697.7

fy,
0
F,
99
,
fx,
-12293.4

fy,
0
F,
108
,
fx,
-7808.54

fy,
0
F,
107
,
fx,
-7028.54

fy,
0
F,
106
,
fx,
-6218.13

fy,
0
F,
105
,
fx,
-5380.78

fy,
0
F,
104
,
fx,
-4520.12

fy,
0
F,
103
,
fx,
-3639.86

fy,
0
F,
102
,
fx,
-2743.81

fy,
0
F,
101
,
fx,
-1835.85

fy,
0
F,
100
,
fx,
-992.454

fy,
0
F,
2
,
fx,
0

fy,
-123714
F,
19
,
fx,
1396.846

fy,
-123119
F,
20
,
fx,
2809.825

fy,
-121337
F,
21
,
fx,
4253.781

fy,
-118387
F,
22
,
fx,
5741.026

fy,
-114297
F,
23
,
fx,
7280.218

fy,
-109106
F,
24
,
fx,
8875.395

fy,
-102865
F,
25
,
fx,
10525.21

fy,
-95632.5
F,
26
,
fx,
12222.4

fy,
-87479.3
F,
27
,
fx,
13953.54

fy,
-78483.6
F,
28
,
fx,
15699.04

fy,
-68732
F,
29
,
fx,
17433.46

fy,
-58318.6
F,
30
,
fx,
19126.09

fy,
-47343.4
F,
31
,
fx,
20741.76

fy,
-35912.4
F,
32
,
fx,
22241.93

fy,
-24135.5
F,
33
,
fx,
23585.93

fy,
-12126.1
F,
18
,
fx,
27049.78

fy,
0
F,
74
,
fx,
30500.54

fy,
0
F,
73
,
fx,
25909.15

fy,
0
F,
86
,
fx,
18697.68

fy,
0
F,
75
,
fx,
12293.39

fy,
0
F,
77
,
fx,
7808.54

fy,
0
F,
78
,
fx,
7028.54

fy,
0
F,
79
,
fx,
6218.125

fy,
0
F,
80
,
fx,
5380.782

fy,
0
F,
81
,
fx,
4520.12

fy,
0
F,
82
,
fx,
3639.859

fy,
0
F,
83
,
fx,
2743.807

fy,
0
F,
84
,
fx,
1835.849

fy,
0
F,
85
,
fx,
992.4544

fy,
0

(3) 自重荷载Main→Menu→solution→Define Loads→Apply→Structural→Inertia→Gravity→Global→ACELY栏中输入10→OK
2.1求解
GUI执行：Main→Menu→solution→solve→current LS→ok，得到一个计算结果。
2.2计算变形图。
执行：select entities 选择Elements和 Reselect，选择衬砌。单击OK。
执行；Plotctrls →style→size and shape→Display of element→勾选为On
执行：Main→Menu→Geaneral postproc→Plot result→Deformed shape→得出变形图。
执行：File →Report Generator-Append,生成一个抓图工具，抓取变形图。
2.3定义轴力、剪力、弯矩
GUI执行：Main→Menu→Geaneral postproc→ Element table→Dfine table→add→By sequence num→定义轴力在lab栏中输入→IN→SMISC,1→Apply；在lab栏中输入→IN→SMISC,7→Apply；同理定义剪力IQ、JQ,分别对应SMISC,2、SMISC,8；同理定义弯矩IM、JM，分别对应SMISC,6、SMISC,12。
2.4分别绘制出轴力、剪力、弯矩图
(1) 执行：Main→Menu→Geaneral postproc→Plot Results→contor plot→line elem res→LabI选择1,LabJ选择7→OK得出了轴力图。
(2) 执行：Main→Menu→Geaneral postproc→Plot Results→contor plot→line elem res→LabI选择2,LabJ选择8→OK得出了剪力图。
(3) 执行：Main→Menu→Geaneral postproc→Plot Results→contor plot→line elem res→LabI选择6,LabJ选择12，Fact栏中输入-1→OK得出了弯矩图。若受力图不对，则可能是因为上部弹簧受拉造成。则执行命令nropt,full,,
allsel
outres,all,all
再执行：solution→load step opts→other→Dirth&death→kirl element选择上面相对称的弹簧→OK。再执行上面操作查看内力图，直到满足要求为止。得到图形如下：

受力图：

变形图：

轴力图：

剪力图：

弯矩图：

再执行列表显示单元的轴力、剪力、弯矩：执行“Main Menu→General Postproc→List Results→Elem Table Data”，在对话框中选择IN、JN、IQ、JQ、IM、JM，单击OK，即得各个单元轴力、剪力、弯矩，见后附表
PRINT ELEMENT TABLE ITEMS PER ELEMENT

***** POST1 ELEMENT TABLE LISTING *****

STAT PREVIOUS PREVIOUS PREVIOUS PREVIOUS PREVIOUS PREVIOUS
ELEM IN JN IQ JQ IM JM
1 -0.34069E+06-0.33376E+06 9648.6 9308.6 7533.6 2278.1
2 -0.32359E+06-0.31673E+06 -943.05 -1960.0 2278.1 3082.9
3 -0.29772E+06-0.29100E+06 -5066.2 -6750.3 3082.9 6358.8
4 -0.26319E+06-0.25666E+06 -4940.1 -7275.0 6358.8 9745.3
5 -0.22068E+06-0.21441E+06 -2457.5 -5420.8 9745.3 11929.
6 -0.17137E+06-0.16542E+06 962.90 -2600.2 11929. 12383.
7 -0.11685E+06-0.11128E+06 4375.3 246.62 12383. 11102.
8 -59036. -53900. 7229.6 2575.2 11102. 8383.8
9 -39.589 4614.9 9269.3 4133.9 8383.8 4668.0
10 57926. 62055. 10433. 4866.0 4668.0 426.65
11 0.11265E+06 0.11622E+06 10774. 4829.4 426.65 -3899.2
12 0.16203E+06 0.16499E+06 10405. 4139.6 -3899.2 -7931.4
13 0.20414E+06 0.20648E+06 9458.4 2932.7 -7931.4 -11367.
14 0.23735E+06 0.23903E+06 8068.7 1345.6 -11367. -13977.
15 0.26035E+06 0.26137E+06 6362.5 -493.28 -13977. -15604.
16 0.27226E+06 0.27260E+06 4457.6 -2464.9 -15604. -16156.
17 0.27260E+06 0.27226E+06 2464.9 -4457.6 -16156. -15604.
18 0.26137E+06 0.26035E+06 493.28 -6362.5 -15604. -13977.
19 0.23903E+06 0.23735E+06 -1345.6 -8068.7 -13977. -11367.
20 0.20648E+06 0.20414E+06 -2932.7 -9458.4 -11367. -7931.4
21 0.16499E+06 0.16203E+06 -4139.6 -10405. -7931.4 -3899.2
22 0.11622E+06 0.11265E+06 -4829.4 -10774. -3899.2 426.65
23 62055. 57926. -4866.0 -10433. 426.65 4668.0
24 4614.9 -39.590 -4133.9 -9269.3 4668.0 8383.8
25 -53900. -59036. -2575.2 -7229.6 8383.8 11102.
26 -0.11128E+06-0.11685E+06 -246.62 -4375.3 11102. 12383.
27 -0.16542E+06-0.17137E+06 2600.2 -962.90 12383. 11929.
28 -0.21441E+06-0.22068E+06 5420.8 2457.5 11929. 9745.3
29 -0.25666E+06-0.26319E+06 7275.0 4940.1 9745.3 6358.8
30 -0.29100E+06-0.29772E+06 6750.3 5066.2 6358.8 3082.9
31 -0.31673E+06-0.32359E+06 1960.0 943.05 3082.9 2278.1
32 -0.33376E+06-0.34069E+06 -9308.6 -9648.6 2278.1 7533.6
69 -0.36463E+06-0.35656E+06 62454. 63876. 67470. 26030.
70 -0.35117E+06-0.34298E+06 27955. 28432. 26030. 7533.6
71 -0.34298E+06-0.35117E+06 -28432. -27955. 7533.6 26030.
72 -0.35656E+06-0.36463E+06 -63876. -62454. 26030. 67470.
73 -0.38257E+06-0.38455E+06 96649. 0.10247E+06 38327. -10609.
74 -0.39728E+06-0.39905E+06 47427. 53309. -10609. -35367.
75 -0.41015E+06-0.41172E+06 13575. 19515. -35367. -43499.
76 -0.42121E+06-0.42258E+06 -7160.6 -1170.1 -43499. -41452.
77 -0.43057E+06-0.43173E+06 -17811. -11777. -41452. -34180.

***** POST1 ELEMENT TABLE LISTING *****

STAT PREVIOUS PREVIOUS PREVIOUS PREVIOUS PREVIOUS PREVIOUS
ELEM IN JN IQ JQ IM JM
78 -0.43833E+06-0.43928E+06 -21374. -15304. -34180. -25166.
79 -0.44455E+06-0.44529E+06 -20381. -14281. -25166. -16647.
80 -0.44926E+06-0.44979E+06 -16724. -10602. -16647. -9931.0
81 -0.45244E+06-0.45276E+06 -11672. -5536.4 -9931.0 -5701.6
82 -0.45416E+06-0.45427E+06 -5997.9 145.41 -5701.6 -4263.3
83 -0.38438E+06-0.38943E+06 31135. 34916. 67470. 50804.
84 -0.39682E+06-0.40102E+06 22368. 27079. 50804. 38327.
97 -0.45427E+06-0.45416E+06 -145.41 5997.9 -4263.3 -5701.6
98 -0.45276E+06-0.45244E+06 5536.4 11672. -5701.6 -9931.0
99 -0.44979E+06-0.44926E+06 10602. 16724. -9931.0 -16647.
100 -0.44529E+06-0.44455E+06 14281. 20381. -16647. -25166.
101 -0.43928E+06-0.43833E+06 15304. 21374. -25166. -34180.
102 -0.43173E+06-0.43057E+06 11777. 17811. -34180. -41452.
103 -0.42258E+06-0.42121E+06 1170.1 7160.6 -41452. -43499.
104 -0.41172E+06-0.41015E+06 -19515. -13575. -43499. -35367.
105 -0.39905E+06-0.39728E+06 -53309. -47427. -35367. -10609.
106 -0.38455E+06-0.38257E+06-0.10247E+06 -96649. -10609. 38327.
107 -0.40102E+06-0.39682E+06 -27079. -22368. 38327. 50804.
108 -0.38943E+06-0.38438E+06 -34916. -31135. 50804. 67470.

MINIMUM VALUES
ELEM 97 82 106 106 76 75
VALUE -0.45427E+06-0.45427E+06-0.10247E+06 -96649. -43499. -43499.

MAXIMUM VALUES
ELEM 17 16 73 73 83 72
VALUE 0.27260E+06 0.27260E+06 96649. 0.10247E+06 67470. 67470.
11