ANSYS公路隧道二次衬砌受力分析

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→

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公路隧道二次衬砌受力分析

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;

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(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

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公路隧道二次衬砌受力分析

F, F, F, F, F, F, F, F, F, F, F, F, F, F, F, F, F, 31 32 33 18 74 73 86 75 77 78 79 80 81 82 83 84 85 , , , , , , , , , , , , , , , , , fx, fx, fx, fx, fx, fx, fx, fx, fx, fx, fx, fx, fx, fx, fx, fx, fx, 20741.76 22241.93 23585.93 27049.78 30500.54 25909.15 18697.68 12293.39 7808.54 7028.54 6218.125 5380.782 4520.12 3639.859 2743.807 1835.849 992.4544 fy, fy, fy, fy, fy, fy, fy, fy, fy, fy, fy, fy, fy, fy, fy, fy, fy, -35912.4 -24135.5 -12126.1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 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。

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公路隧道二次衬砌受力分析

(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：

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轴力图：

剪力图：

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弯矩图：

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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 2278.1

2 -0.32359E+06-0.31673E+06 -943.05 3082.9

3 -0.29772E+06-0.29100E+06 -5066.2 6358.8

4 -0.26319E+06-0.25666E+06 -4940.1 9745.3

5 -0.22068E+06-0.21441E+06 -2457.5 11929.

6 -0.17137E+06-0.16542E+06 962.90 12383.

7 -0.11685E+06-0.11128E+06 4375.3 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. -3899.2

12 0.16203E+06 0.16499E+06 10405. -7931.4

13 0.20414E+06 0.20648E+06 9458.4 -11367.

14 0.23735E+06 0.23903E+06 8068.7 -13977.

15 0.26035E+06 0.26137E+06 6362.5 -15604.

16 0.27226E+06 0.27260E+06 4457.6 -16156.

9308.6 -1960.0 -6750.3 -7275.0 -5420.8 -2600.2 246.62 4139.6 2932.7 1345.6 -493.28 -2464.9 7533.6 2278.1 3082.9 6358.8 9745.3 11929. 12383. -3899.2 -7931.4 -11367. -13977. -15604. 8

4829.4 426.65 公路隧道二次衬砌受力分析

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 -4829.4 426.65

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 12383.

27 -0.16542E+06-0.17137E+06 2600.2 11929.

28 -0.21441E+06-0.22068E+06 5420.8 9745.3

29 -0.25666E+06-0.26319E+06 7275.0 6358.8

30 -0.29100E+06-0.29772E+06 6750.3 3082.9

31 -0.31673E+06-0.32359E+06 1960.0 2278.1

32 -0.33376E+06-0.34069E+06 -9308.6 7533.6

69 -0.36463E+06-0.35656E+06 62454. 26030.

70 -0.35117E+06-0.34298E+06 27955. 7533.6

71 -0.34298E+06-0.35117E+06 -28432. 26030.

72 -0.35656E+06-0.36463E+06 -63876. 67470.

73 -0.38257E+06-0.38455E+06 96649. -10609.

74 -0.39728E+06-0.39905E+06 47427. -35367.

-10774. -4375.3 -962.90 2457.5 4940.1 5066.2 943.05 -9648.6 63876. 28432. -27955. -62454. 0.10247E+06 53309. -3899.2 11102. 12383. 11929. 9745.3 6358.8 3082.9 2278.1 67470. 26030. 7533.6 26030. 38327. -10609. 9

公路隧道二次衬砌受力分析

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. -25166.

79 -0.44455E+06-0.44529E+06 -20381. -16647.

80 -0.44926E+06-0.44979E+06 -16724. -9931.0

81 -0.45244E+06-0.45276E+06 -11672. -5701.6

82 -0.45416E+06-0.45427E+06 -5997.9 -4263.3

83 -0.38438E+06-0.38943E+06 31135. 50804.

84 -0.39682E+06-0.40102E+06 22368. 38327.

97 -0.45427E+06-0.45416E+06 -145.41 -5701.6

98 -0.45276E+06-0.45244E+06 5536.4 -9931.0

99 -0.44979E+06-0.44926E+06 10602. -16647.

100 -0.44529E+06-0.44455E+06 14281. -25166.

101 -0.43928E+06-0.43833E+06 15304. -34180.

102 -0.43173E+06-0.43057E+06 11777. -41452.

103 -0.42258E+06-0.42121E+06 1170.1 -43499.

104 -0.41172E+06-0.41015E+06 -19515. -35367.

105 -0.39905E+06-0.39728E+06 -53309.

-15304. -14281. -10602. -5536.4 145.41 34916. 27079. 5997.9 11672. 16724. 20381. 21374. 17811. 7160.6 -13575. -47427. -34180. -25166. -16647. -9931.0 -5701.6 67470. 50804. -4263.3 -5701.6 -9931.0 -16647. -25166. -34180. -41452. -43499. -35367.

10

公路隧道二次衬砌受力分析

-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 -43499.

MAXIMUM VALUES

ELEM 17 16 73 73 83 72

VALUE 0.27260E+06 0.27260E+06 96649. 67470.

-96649. 0.10247E+06 -43499. 67470. 11

公路隧道二次衬砌受力分析

-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 -43499.

MAXIMUM VALUES

ELEM 17 16 73 73 83 72

VALUE 0.27260E+06 0.27260E+06 96649. 67470.

-96649. 0.10247E+06 -43499. 67470. 11

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/joa3.html