Wu内涵不段子
范文一：隧道结构受力分析
实例1 隧道结构受力分析
1．问题描述
选取某新建铁路线上的隧道断面，该断面采用的支护结构如图1所示。为保证结构的安全性，采用了载荷-结构模型。
主要参数如下：
⑴ 隧道腰部和顶部衬砌厚度是65mm ，隧道仰拱衬砌厚度为85cm ； ⑵ 采用C30钢筋混凝土为衬砌材料；
⑶ 隧道围岩是IV 级，洞跨是5.36m ，深埋隧道； ⑷ 隧道仰拱下承受水压，水压0.2MPa 。
图3-3 隧道支护结构断面图
隧道围岩级别是IV 级，其物理力学指标及衬砌材料C30钢筋混凝土的物理力学指标见表3-4。
根据《铁路隧道设计规范》，可计算出深埋隧道围岩的垂直均布力和水平均布力，见表3-5。对于竖向和水平的分布载荷，其等效节点力分别近似取节点两相邻单元水平或垂直投影长度的一般衬砌计算宽度这一面积范围内的分布载荷的总和。自重载荷通过ANSYS 程序直接添加密度施加。隧道仰拱部受到的水压0.2MPa 按照径向方向再置换为等效节点力，分解
为水平竖直方向加载。 2. 求解步骤
第一步：定义工作文件名和工作标题
⑴ 进入ANSYS/Multiphysics的程序界面后，选择菜单Utility Menu：File→Change Jobname ，出现Change Jobname对话框。在【/FILNAM】Enter new Jobname输入框中输入工作名称Support ，单击OK 按钮关闭该对话框。
⑵ 选择菜单Utility Menu：File→Change Title命令，出现Change Title对话框，在输入栏中输入Tunnel Support Structural Analysis，单击OK 按钮关闭该对话框。
第二步：定义单元类型
选择菜单Main Menu：Preprocessor→Element Type→Add/Edit/Delete命令，出现Element Types对话框，单击Add 按钮，出现Library of Element Types对话框。在左侧滚动栏中选择Structural Beam ，在右侧滚动栏中选择2D elestic 3，单击Apply 按钮，定义Beam3单元，如图2所示。再在左侧滚动栏中选取Combination 选项，在右侧滚动栏中选择Spring-damper 14，单击OK 按钮，定义Combin14单元，最后单击Close 按钮关闭对话框。
图2 单元类型库对话框
第三步：定义单元实常数
⑴ 选择菜单Main Menu ：Preprocessor →Real Constants →Add/Edit/Delete命令，出现Real Contants对话框，单击Add 按钮，出现Element Type for Real Contants对话框，单击OK 按钮，选择TYPE 1 BEAM3，单击OK 按钮，最后在弹出的Real Constant for BEAM3对话框中分别输入隧道腰部和顶部衬砌支护结构BEAM3梁单元的横截面积AREA ：0.65、惯性矩IZZ ：0.022885417、高度HEIGHT ：0.65，如图3所示。
图3 定义隧道腰部和顶部BEAM3实常数1对话框
⑵ 单击OK 按钮，在打开的对话框中单击Add 按钮，在弹出的对话框中选择TYPE 1 BEAM3，单击OK 按钮，在打开的对话框中分别输入隧道腰部和顶部衬砌支护结构BEAM3梁单元的横截面积AREA ：0.85、惯性矩IZZ ：0.05117833、高度HEIGHT ：0.85，如图4所示。这是因为隧道衬砌支护仰拱和腰部以及顶部的厚度不同，所以要建立两个BEAM3实常数。
图4 定义隧道腰部和顶部BEAM3实常数2对话框
⑶ 单击OK 按钮，在打开的对话框中单击Add 按钮，在弹出的对话框中选择TYPE 2 Combin14，单击OK 按钮，打开如图5所示的Real Constants Set Numbere 3 for COMBIN14对话框，然后在Spring constant 栏后输入30000000，单击OK 按钮，单击Close 按钮关闭对话框。
图5 COMBIN14实常数对话框
第四步：定义材料属性
⑴ 选择菜单Main Menu ：Preprocessor→Material Props→Material Models 命令，出现Define Material Behavior对话框。
⑵ 在Material Models Available一栏中依次单击Structural 、Linear 、Elastic 、Isotropic 选项，出现Linear Isotropic Properties for Material Number1对话框，在EX 对话框中输入3e10，在PRXY 输入栏中输入0.2，如图6所示，单击OK 按钮关闭该对话框。
⑶ 单击Structural 、Density 选项，在弹出的Density for Material Numbere 1对话框中输入隧道衬砌混凝土材料的密度2500，如图7所示。单击OK 按钮，选择Material →Exit ，退出材料定义对话框。
图6 线弹性材料模型对话框
图7 材料密度输入对话框
第五步：建立模型和划分网格 ⑴ 创建隧道衬砌支护关键点
选择菜单Main Menu：Preprocessor →Modeling →Create →Keypoints →In Active CS命令，出现Create Keypoints in Active Coordinate System对话框，输入表1中的关键点坐标。最后单击OK 按钮，生成7个关键点。
表1 关键点坐标
⑵ 创建隧道衬砌支护线模型
选择菜单Main Menu ：Preprocessor →Modeling →Create →Lines →Arcs →By End KPs & Rad 命令，在打开的对话框中输入1，2，单击Apply 按钮，继续输入6，单击OK 按钮，弹出Arc By End KPs & Radius对话框，如图9所示。在RAD Radius of the arc栏后面输入弧线半径8.13，单击Apply 按钮，创建弧线1。
图9 画弧线对话框
重复以上步骤，分别在图9栏中依次输入3.21，2，3，6；2.22，3，4，6；2.22，4，5，2；3.21，5，6，2；8.13，6，7，2；6，7，1，4。最后单击OK 按钮生成隧道衬砌支护
线模型，如图10所示。
图10 隧道衬砌支护线模型
⑶ 保存几何模型文件
选择菜单Utility Menu：File→Save as命令，打开Save Database对话框，在Save Database to下面的输入栏中输入文件名Support-geom.db ，单击OK 按钮。
⑷ 为线赋予特性
选择菜单Main Menu ：Preprocessor →Meshing →Mesh Tool 命令，打开Mesh Tool 对话框，在Element Attribute 后面的下拉菜单选择Lines ，单击Set 按钮，打开Line Attribute 线拾取框，在输入栏中输入1，2，3，4，5，6，单击OK 按钮，打开Line Attributes 对话框，在Material number后面的下拉菜单中选择1，在Real Constant set number后面的下拉菜单中选择1，在Element type number 后面的下拉菜单中选择1 BEAM3，如图11所示。单击Apply 按钮再次打开线拾取框。
用同样的方法为线7赋予特性，其它选项与1到6的线一样，只是在Real Constant set number 后面的下拉菜单中选择2，单击OK 按钮退出。
图11 赋予线特性对话框
⑸ 控制线尺寸
在Mesh Tool 对话框中Size Controls 下面选择栏中的Lines 右边单击Set 按钮，在打开的对话框中拾取线1和6，单击拾取框上的OK 按钮，打开Element Sizes on picked Lines 对话框，如图12所示。在No.of element divisions栏后面输入4，再单击Apply 按钮。
用同样的方法控制线2、3、4、5、6、7的尺寸，只实线2、3、4、5在No.of element divisions 栏后面输入2，线7在No.of element divisions栏后面输入8。
图12 线单元尺寸划分对话框
⑹ 划分网格
在网格划分工具栏中单击Mesh 按钮，打开一个对话框，单击Pick All按钮，生成24个梁单元，如图13所示。
图13 隧道支护单元图
⑺ 创建弹簧单元
选择菜单Main Menu：Preprocessor →Modeling →Create →Piping Models→Spring
Support 命令，打开选择节点对话框，选择节点1后，单击OK 按钮，打开一个Define Spring Support 对话框，如图14所示。
图14 定义弹簧单元对话框
在图14所示对话框中的Node at spring location栏后面输入弹簧节点位置编号1，在Type of Spring后面的下拉菜单中选择Translational ，在Spring Constant栏后面输入弹簧系数300000000，在DX ，DY ，DZ Distance to ground pt栏后面分别输入弹簧另一端点的坐标值：-0.97029572,-0.241921895,0。
单击Apply 按钮，用同样的方法生成其他的弹簧单元，其节点号及坐标值见表2。最后单击OK 按钮，就完成了弹簧单元的创建，得到添加弹簧单元的单元网格图，如图15所示。
表2 弹簧单元参数表
图15 添加弹簧单元后的单元网格图
第六步：施加约束和载荷 ⑴ 给弹簧单元施加约束
选择菜单Main Menu：Solution →Define Loads→Apply →Structur al→Displacement →On Nodes命令，打开在节点上施加位移约束对话框，点选单元最外层节点共21个节点，单击OK 按钮，打开Apply U，ROT on Nodes对话框，如图16所示。
图16 为节点施加位移约束对话框
在DOFs tu be constrained栏后面选取UX ，UY ，接着在Apply as栏后面的下拉菜单中选取Constant value选项，并在Displacement value栏后面输入0值，然后单击OK 按钮，完成对弹簧节点位移的约束。
⑵ 施加重力加速度
选择菜单Main Menu：Solution →Define Loads→Apply →Structural →Inertia →Gravity 命令，打开Apply （Gravitational ）Acceleration 对话框，如图17所示。在Global
Cartesian Y-comp栏后面输入重力加速度值9.8，单击OK 按钮，完成重力加速度的施加。
图17 施加重力加速度对话框
⑶ 对隧道衬砌支护施加围岩压力
选择菜单Main Menu：Solution →Define Loads→Apply →Structural →Force/Moment→On Nodes 命令，打开节点位置施加载荷对话框，点选隧道支护线腰部和顶部的所有节点，打开Apply F/M on Nodes对话框，如图18所示。在Direction of force/mom栏后面的下拉菜单中选取FY ，在Force/moment value栏中输入围岩垂直均布力-80225。
图18 施加节点力对话框
单击Apply 按钮，在打开对话框后选择隧道支护线剩下的节点，在Direction of force/mom栏后面的下拉菜单中选取FY ，在Force/moment value栏中输入围岩垂直均布力-80225。
再单击Apply 按钮，又打开一个节点位置施加载荷对话框，使用鼠标选择隧道衬砌支护线上的1、2、3、4、5、6、7、8、9、22、23、24共12个节点，打开如图18所示的对话框，在Direction of force/mom栏后面的下拉菜单中选取FX ，在Force/moment value栏中输入围岩水平均布力16045。
再次单击Apply 按钮，又打开一个节点位置施加载荷对话框，使用鼠标选择隧道衬砌支护线上剩下的12个节点，打开如图18所示的对话框，在Direction of force/mom栏后面的下拉菜单中选取FX ，在Force/moment value栏中输入围岩水平均布力-16045。单击OK 按钮，完成对隧道衬砌支护施加围岩压力。
⑷ 对隧道仰拱施加水压
选择菜单Main Menu：Solution →Define Loads→Apply →Structural →Force/Moment→On Nodes 命令，打开节点位置施加载荷对话框，点选隧道仰拱节点18，打开如图18所示的对话框，在Direction of force/mom栏后面的下拉菜单中选取FX ，在Force/moment value 栏中输入水平水压力-161803. 再次单击Apply 按钮，又打开一个对话框，选择节点18，又打开如图18所示的对话框，在Direction of force/mom栏后面的下拉菜单中选取FY ，在Force/moment value 栏中输入围岩水平均布力70381，单击OK 按钮，完成节点18的水压力的施加。
使用同样的方法对仰拱的其他节点施加水压，只是数值不同：节点19：FX=-182309，FY=50101；节点20：FX=-198904，FY=13093；节点21：FX=0；FY=125960；节点22：FX=13093，FY=182309；节点23：FX=182309，FY=50101；节点24：FX=161803，FY=70381。
最后得到施加约束和载荷后隧道衬砌支护结构模型图，如图19所示。
图19 施加约束和载荷后隧道结构模型
第七步：求解计算
选择菜单Main Menu：Solution→Solve→Current LS命令，打开一个求解选项信息和当前求解载荷步对话框，如图20和图21所示，检查信息无误后，单击OK 按钮，开始求解计算，求解结束后，弹出Solution is done提示栏，单击Close 按钮关闭提示栏。
图20 求解选项信息
图21 当前求解载荷步对话框
第八步：后处理（对计算结果进行分析） ⑴ 计算分析修改模型
1）查看隧道衬砌支护结构变形图
选择菜单Main Menu：General Postproc→Plot Results→Deformed Shape命令，弹出Plot Deformed Shape对话框，如图22所示，选中Def+underformed，单击OK 按钮，将出现隧道衬砌支护结构变形图，如图23所示。
图22 查看变形图对话框
图23 初次分析计算隧道衬砌支护结构变形图
从图23的初次分析隧道衬砌支护结构变形图中可以看出弹簧26、30、31、32、33、34是受拉的，因为用来模拟隧道结构与围岩间相互作用的地层弹簧只能承受压力，所以这6根弹簧必须去掉，再重新计算，直到结构变形图中没有受拉弹簧为止。
2）删除受拉弹簧单元
选择菜单Main Menu ：Preprocessor →Modeling →Delete →Elements 命令，打开一个删除单元选取对话框，在输入栏中输入26，30，31，32，33，34，单击OK 按钮。
选择菜单Main Menu：Preprocessor →Modeling →Delete →Nodes 命令，打开一个删除节点选取对话框，在输入栏中输入26，30，31，32，33，34，单击OK 按钮。
3）第二次求解
选择菜单Main Menu：Solution→Solve→Current LS命令，打开一个求解选项信息和当前求解载荷步对话框，接受默认设置，单击OK 按钮，开始求解计算，直到出现一个Solution is done提示栏，单击Close 按钮关闭提示栏。
4）查看第二次分析计算结构变形图
选择菜单Main Menu：General Postproc→Plot Results→Deformed Shape命令，弹出Plot Deformed Shape 对话框，选中Def+underformed，单击OK 按钮，将出现第二次分析计算的隧道衬砌支护结构变形图。
经过2次计算，得到没有受拉弹簧时的隧道结构模型，如图24所示。其对应的分析计算隧道衬砌支护结构变形如图25所示。
图24 没有受拉弹簧时的隧道结构模型图
图25 最终隧道结构变形图
5）保存计算结果
选择菜单Utility Menu：File→Save as命令，打开Save Database对话框，在Save Database to下面的输入栏中输入文件名Support-result.db ，单击OK 按钮。
⑵ 画出主要图形 1）绘制结构变形图
选择菜单Main Menu：General Postproc→Plot Results→Deformed Shape命令，弹出Plot Deformed Shape 对话框，选中Def+underformed，单击OK 按钮，得到隧道结构变形图，如图25所示。
2）将节点弯矩、剪力、轴力制表
选择菜单Main Menu：General Postproc→Element Table→Define Table命令，打开一个Element Table Data 对话框，如图26所示。单击Add 按钮，打开一个Define Additional
Element Table Items对话框，如图27所示。
图26 单元数据制表对话框
图27 定义单元数据表对话框
在User label for item栏后面输入IMOMEMT ，在Item ，Comp Results data item栏后面的左边下拉菜单中选取By sequence num，并在右栏输入6，然后单击Apply 按钮；再次在User label for item栏后面输入JMOMENT ，在Item ，Comp Results data item栏后面的左边下拉菜单中选取By sequence num ，并在右栏输入12，然后单击Apply 按钮；使用同样的方法依次输入ISHEAR ，2；JSHEAR ，8；ZHOULI-I ，1；ZHOULI-J ，7。最后得到定义好后的单元数据表对话框，如图28所示。
图28 定义好后的单元数据表对话框
3）设置弯矩分布标题
选择菜单Utility Menu ：File→Change Title 命令，出现Change Title 对话框，在输入栏中输入BENDING MOMENT distribution，单击OK 按钮关闭该对话框。
4）画结构弯矩图
选择菜单Main Menu ：General Postproc→Plot Results→Contour Plot→Line Element Results 命令，打开一个Plot Line-Element Results 对话框，如图29所示。在Elem table item at node I栏后面的下拉菜单中选取IMOMEMT ，在Elem table item at node J栏后面的下拉菜单中选取JMOMENT ，在Optional scale factor 后面栏中输入-0.8，在Items to be plotted on栏后面选择Deformed shape单选按钮，最后单击OK 按钮，得到隧道衬砌支护结构的弯矩图，如图30所示。
图29 画结构弯矩图对话框
图30 结构弯矩图（单位：N.m ）
5）设置剪力分布标题
选择菜单Utility Menu ：File→Change Title 命令，出现Change Title 对话框，在输入栏中输入SHEAR force distribution，单击OK 按钮关闭该对话框。
6）画结构剪力图
选择菜单Main Menu ：General Postproc→Plot Results→Contour Plot→Line Element Results 命令，打开一个Plot Line-Element Results 对话框。在Elem table item at node I 栏后面的下拉菜单中选取ISHEAR ，在Elem table item at node J栏后面的下拉菜单中选取JSHEAR ，在Optional scale factor后面栏中输入-1，在Items to be plotted on栏后面选择Deformed shape 单选按钮，最后单击OK 按钮，得到隧道衬砌支护结构的剪力图，如图31所示。
图31 结构剪力图（单位：N ）
7）设置轴力分布标题
选择菜单Utility Menu ：File →Change Title 命令，出现Change Title 对话框，在输入栏中输入ZHOULI force distribution，单击OK 按钮关闭该对话框。
8）画结构轴力图
选择菜单Main Menu ：General Postproc →Plot Results →Contour Plot →Line Element Results 命令，打开一个Plot Line-Element Results 对话框。在Elem table item at node I 栏后面的下拉菜单中选取ZHOULI-I ，在Elem table item at node J栏后面的下拉菜单中选取ZHOULI-J ，在Optional scale factor 后面栏中输入-0.6，在Items to be plotted on 栏后面选择Deformed shape 单选按钮，最后单击OK 按钮，得到隧道衬砌支护结构的轴力图，如图32所示。
图32 结构轴力图（单位：N ）
⑶ 列出主要数据 1）列表显示各节点的位移
选择菜单Main Menu：General Postproc→List Results→Nodal Solution命令，打开一个List Nodal Solution 对话框，如图33所示。依次单击Nodal Solution 和DOF Solution ，选择Displacement Vector sum ，然后单击OK 按钮，打开节点位移数据文件，如图34所示。
图33 List Nodal Solution对话框
图34 节点位移列表
2）列表显示单元的弯矩，剪力和轴力
选择菜单Main Menu：General Postproc→List Results→Element Table Data命令，打开一个List Element Table Data对话框，如图35所示。在Items to be listed栏后面的下拉菜单中选择IMOMEMT 、JMOMENT 、ISHEAR 、JSHEAR 、ZHOULI-I 、ZHOULI-J 选项，然后单击OK 按钮，打开单元数据表文件，如图36所示。
图35 List Element Table Data对话框
图36 单元表数据
⑷ 选择菜单Utility Menu：File →Exit 命令，出现Exit from ANSYS对话框，选择Quite-No Save！选项，单击OK 按钮，关闭ANSYS 。 附：命令流
/FILNAME,Support
/TITLE,Tunnel Support Structural Analysis /COM,Structural /PREP7 ET,1,BEAM3 ET,2,COMBIN14 MP,EX,1,3E10 MP,PRXY,1,0.2 MP,DENS,1,2500
R,1,0.65,0.022885417,0.65,0,0,0, R,2,0.85,0.05117833,0.85,0,0,0, R,3,30000000,,, K,1,0,0,0, K,2,0,3.85,0 K,3,0.88,5.5,0 K,4,2.45,6.15,0 K,5,4.02,5.5,0 K,6,4.9,3.85,0 K,7,4.9,0,0 LARC,1,2,6,8.13, LARC,2,3,6,3.21, LARC,3,4,6,2.22, LARC,4,5,2,2.22, LARC,5,6,2,3.21, LARC,6,7,2,8.13,
！定义工作文件名 ！定义工作标题 ！指定结构分析 ！进入前处理器 ！定义单元类型
！定义材料弹性模量 ！定义材料泊松比 ！定义材料密度 ！定义单元实常数
！创建关键点
！生成弧线
LARC,7,1,4,6,
SAVE,'Support-geom','db','E:\ANSYS\' LSEL,S,LINE,,1,6,1 LATT,1,1,1,,,, LSEL,S,,,7 LATT,1,2,1,,,, LSEL,S,LINE,,1,6,5 LESIZE,ALL,,,4, LSEL,S,LINE,,2,5,1 LESIZE,ALL,,,2, LSEL,S,LINE,,7 LESIZE,ALL,,,8, LSEL,ALL LMESH,ALL
PSPRNG,1,TRAN,300000000,-0.97029572,-0.241921895, PSPRNG,2,TRAN,300000000,-0.97437006,0.22495105, PSPRNG,3,TRAN,300000000,-0.98628560,-0.1604768, PSPRNG,4,TRAN,300000000,-0.99996192,-0.00872654, PSPRNG,5,TRAN,300000000,-0.98901586,0.14780941, PSPRNG,6,TRAN,300000000,-0.70710678,0.70710678, PSPRNG,7,TRAN,300000000,-0.88294757,0.469471561, PSPRNG,10,TRAN,300000000,0.70710678,0.70710678, PSPRNG,12,TRAN,300000000,0.97437006,0.22495105, PSPRNG,13,TRAN,300000000,0.88294757,0.469471561, PSPRNG,14,TRAN,300000000,0.97029572,-0.241921895, PSPRNG,15,TRAN,300000000,0.98901586,0.14780941, PSPRNG,16,TRAN,300000000,0.99996192,-0.00872654, PSPRNG,17,TRAN,300000000,0.98628560,-0.1604768, PSPRNG,18,TRAN,300000000,0.30901699,-0.95105651, PSPRNG,19,TRAN,300000000,0.20791169,-0.9781476, PSPRNG,20,TRAN,300000000,0.10452846,-0.99452189, PSPRNG,21,TRAN,300000000,0,-1,
PSPRNG,22,TRAN,300000000,-0.10452846,-0.99452189, PSPRNG,23,TRAN,300000000,-0.20791169,-0.9781476, PSPRNG,24,TRAN,300000000,-0.30901699,-0.95105651, FINISH /SOL
NSEL,S,NODE,,25,45,1 D,ALL,UY,0 D,ALL,UX,0 ALLSEL,ALL ACEL,0,9.8,0,
！保存几何模型 ！选择线1～线6 ！给所选线段赋予材料特性
！设置网格划分数为4
！线网格划分 ！添加弹簧单元
！进入求解器 ！选择隧道支护线上所有节点 ！对所选节点施加X 方向约束
！施加重力加速度
ALLSEL,ALL
NSEL,S,NODE,,1,17,1 F,ALL,FY,-80225 NSEL,S,NODE,,18,24,1 F,ALL,FY,80225 NSEL,S,NODE,,1,9,1 NSEL,A,NODE,,22,24,1 F,ALL,FX,16045
NSEL,S,NODE,,10,21,1 F,ALL,FX,-16045 NSEL,S,NODE,,18 F,ALL,FX,-161803 NSEL,S,NODE,,18 F,ALL,FY,70381 NSEL,S,NODE,,19 F,ALL,FX,-182309 NSEL,S,NODE,,19 F,ALL,FY,50101 NSEL,S,NODE,,20 F,ALL,FX,-198904 NSEL,S,NODE,,20 F,ALL,FY,13093 NSEL,S,NODE,,21 F,ALL,FX,0
NSEL,S,NODE,,21 F,ALL,FY,125960 NSEL,S,NODE,,22 F,ALL,FX,198904 NSEL,S,NODE,,22 F,ALL,FY,13093 NSEL,S,NODE,,23 F,ALL,FX,182309 NSEL,S,NODE,,23 F,ALL,FY,50101 NSEL,S,NODE,,24 F,ALL,FX,161803 NSEL,S,NODE,,24 F,ALL,FY,70381 ALLSEL,ALL SOLVE
！施加节点1到17上的垂直均布力 ！施加节点18到24上的水平均布力
！施加节点18的水平方向的水压分力
！施加节点18的垂直方向的水压分力
！求解计算
/POST1 PLDISP,1 FINISH /PREP7 EDELE,26 NDEL,26 EDELE,30 NDEL,30 EDELE,31 NDEL,31 EDELE,32 NDEL,32 EDELE,33 NDEL,33 EDELE,34 NDEL,34 ALLSEL /SOL SOLVE
SAVE,'Support-result','db','E:\ANSYS\' /POST1 PLDISP,1
ETABLE,IMOMEMT,SMISC,6 ETABLE,JMOMEMT,SMISC,12 ETABLE,ISHEAR,SMISC,2 ETABLE,JSHEAR,SMISC,8 ETABLE,ZHOULI-I,SMISC,1 ETABLE,ZHOULI-J,SMISC,7
/TITLE,BENDING MOMENT distribution PLLS,IMOMEMT,JMOMEMT,-0.8,1 /TITLE,SHEAR force distribution PLLS,ISHEAR,JSHEAR,-1,1
/TITLE,ZHOULI force distribution PLLS,ZHOULI-I,ZHOULI-J,-0.6,1 PRNSOL,U,COMP
PRETAB,IMOMEMT,JMOMEMT,ISHEAR,JSHEAR,ZHOULI-I,ZHOULI-J /EXIT,NOSAV ！进入后处理器 ！绘制结构变形图
！重新进入前处理器 ！删除单元26 ！删除节点26
！再次进入求解器 ！求解计算 ！保存求解结果 ！再次进入后处理器 ！绘制最终结果变形图 ！绘制结构弯矩表
！绘制结构剪力表
！绘制结构轴力表
！定义弯矩分布标题 ！绘制结构弯矩分布图 ！定义剪力分布标题 ！绘制剪力分布图 ！定义轴力分布标题 ！绘制轴力分布图 ！显示所有节点总位移 ！列表显示结构的弯矩、剪力和轴力 ！退出ANSYS
赖永标，胡仁喜，黄书珍. ANSYS11.0土木工程有限元分析典型范例. 北京：电子工业出版社，2007. （P82）
范文二：隧道结构受力分析(提交)
《工程结构破坏过程数值试验》
题目名称：隧道开挖支护结构受力分析
姓 名：XXX
班 级：XXX
学 号： XXX
指导教师：XXX
日 期：XXX
《工程结构破坏过程数值试验》
课程编号：
课程名称：工程结构破坏过程数值试验 学生班级： 学 号： 目录：
1.题目 .................................................................................................. 1 2.问题描述 .......................................................................................... 1 3.数值分析对象，计算目的和拟解决的关键问题 ......................... 3 4.软件扼要介绍；确定运用的模型及其参数。 ............................. 3 5.计算模型边界条件与初始条件 ..................................................... 4 6.模拟荷载及荷载的动态变化 ......................................................... 8 7.确定计算的收敛评判依据 ............................................................. 9 8. 考察各环节简化的合理性 ......................................................... 10 9.模型中与水的相互作用 ............................................................... 10 10. 求解运算.................................................................................... 11 11.确定后处理方法或反分析.......................................................... 11 12.数值分析结果 ............................................................................. 15
1.题目
隧道开挖支护结构受力分析
2.问题描述
选取某新建铁路线上的隧道断面，该断面采用的支护结构如图1所示。为保证结构的安全性，采用了载荷-结构模型。
主要参数如下：
⑴ 隧道腰部和顶部衬砌厚度是65mm，隧道仰拱衬砌厚度为85cm； ⑵ 采用C30钢筋混凝土为衬砌材料；
⑶ 隧道围岩是IV级，洞跨是5.36m，深埋隧道； ⑷ 隧道仰拱下承受水压，水压0.2MPa。
图1 隧道支护结构断面图
隧道围岩级别是IV级，其物理力学指标及衬砌材料C30钢筋混凝土的物理力学指标见表1。
表1 C30钢筋混凝土的物理力学指标
表2 载荷计算表 根据《铁路隧道设计规范》，可计算出深埋隧道围岩的垂直均布力和水平均布力，见表2。对于竖向和水平的分布载荷，其等效节点力分别近似取节点两相邻单元水平或垂直投影长度的一般衬砌计算宽度这一面积范围内的分布载荷的总和。自重载荷通过ANSYS程序直接添加密度施加。隧道仰拱部受到的水压0.2MPa按照径向方向再置换为等效节点力，分解为水平竖直方向加载。
3.数值分析对象，计算目的和拟解决的关键问题
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载荷，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载荷—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。再借助于有限元软件实现对隧道结构的受力分析。
4.软件扼要介绍；确定运用的模型及其参数。
ANSYS软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。在核工业、铁道、石油化工、航空航天、机械制造、能源、汽车交通、国防军工、电子、土木工程、造船、生物医学、轻工、地矿、水利、日用家电等领域有着广泛的应用。ANSYS功能强大，操作简单方便，现在已成为国际最流行的有限元分析软件，在历年的FEA评比中都名列第一。
本次模拟运用模型为载荷—结构模型。载荷—结构模型虽然都是以承受岩体松动、崩塌而产生的竖向和侧向主动压力为主要特征，但在对围岩和支护结构相互作用的处理上，大致有三种做法：（1）主动荷载模型（2）主动荷载加被动荷载（弹性抗力）模型（3）实际荷载模型。隧道结构设计一般采用主动荷载加被动荷载模型，作用在隧道衬砌上的荷载分为主动荷载和被动荷载。
主要参数如下：
⑴ 隧道腰部和顶部衬砌厚度是65mm，隧道仰拱衬砌厚度为85cm；
⑵ 采用C30钢筋混凝土为衬砌材料；
⑶ 隧道围岩是IV级，洞跨是5.36m，深埋隧道； ⑷ 隧道仰拱下承受水压，水压0.2MPa。
5.计算模型边界条件与初始条件
图2 单元类型库对话框
定义单元类型为“beam3单元”。
图3 定义隧道腰部和顶部BEAM3实常数1对话框
隧道腰部和顶部衬砌支护结构BEAM3梁单元的横截面积AREA：0.65、惯性矩IZZ：0.022885417、高度HEIGHT：0.65；
图4 定义隧道腰部和顶部BEAM3实常数2对话框
隧道腰部和顶部衬砌支护结构BEAM3梁单元的横截面积AREA：0.85、惯性矩IZZ：0.05117833、高度HEIGHT：0.85
图5 COMBIN14实常数对话框
（1）创建隧道衬砌支护关键点：
表3 关键点坐标
⑵ 创建隧道衬砌支护线模型
图6 画弧线对话框
分别在图6栏中依次输入3.21，2，3，6；2.22，3，4，6；2.22，4，5，2；3.21，5，6，2；8.13，6，7，2；6，7，1，4。最后单击OK按钮生成隧道衬砌支护线模型。
图7 隧道衬砌支护线模型
图8 隧道支护单元图
图9 定义弹簧单元对话框
图10 添加弹簧单元后的单元网格图
6.模拟荷载及荷载的动态变化
⑴ 给弹簧单元施加约束
图11 为节点施加位移约束对话框
⑵ 施加重力加速度
图12 施加重力加速度对话框
⑶ 对隧道衬砌支护施加围岩压力
图13 施加节点力对话框
⑷ 对隧道仰拱施加水压
节点18：FX=-161803，FY=70381，节点19：FX=-182309，FY=50101；节点20：FX=-198904，FY=13093；节点21：FX=0；FY=125960；节点22：FX=13093，FY=182309；节点23：FX=182309，FY=50101；节点24：FX=161803，FY=70381。
最后得到施加约束和载荷后隧道衬砌支护结构模型图：
图14 施加约束和载荷后隧道结构模型
7.确定计算的收敛评判依据
（1）模型——主要是结构刚度的大小； （2）线性算法（求解器）；
（3）非线性逼近技术； （4）加快计算速度；
（5）荷载步的设置直接影响到收敛。
8.考察各环节简化的合理性
将隧道结构简化为载荷—结构模型中的主动荷载和被动荷载模型，此模型认为围岩不仅对支护结构施加主动荷载，而且由于围岩与支护结构的相互作用，还会对支护结构施加约束反力。该模型广泛应用于我国铁路隧道，并且在实使用中，它基本能反映出支护结构的实际受力情况。计算荷载阶段只考虑围岩压力、支护结构自重、地下水压力、围岩的弹性抗力，其他荷载不予考虑。
9.模型中与水的相互作用
隧道模型与水环境之间的作用链，包括水环境对于隧道工程作用以及隧道工程对于水环境作用两方面。其中水环境对其作用主要是隧洞涌，漏水与承受水压力。在含水层开挖隧道，因其洞顶有着一定程度的地下水，导致隧道洞中产生突水以及涌水现象，而后进行的隧道衬砌承受水的静水压力。而隧道工程对于水环境的反作用则导致隧道洞顶环境灾害。隧道的涌排水则使得地下水逐步排干，水文地质条件不断恶化，地下水位持续下降，地下漏斗不断扩展，导致洞顶的地表水资源枯竭，水环境平衡被破坏，最终引发生态环境恶化甚至地面塌陷等自然灾害。
10.求解运算
图15 求解选项信息
图16 当前求解载荷步对话框
11.确定后处理方法或反分析
后处理的目的是以图和表的形式描述计算结果，对于隧道结构的受力分析，很重要的一点就是进入处理器后，观察结构受力变形图，根据弹簧单元只能受压的性质，去掉受拉弹簧，在进行求解，随后再观察结构受力变形图，看有没有受拉弹簧；如此反复，知道受力图形中再无受拉弹簧为止。这时，就得到隧道结构受力分析的正确结果，进去后处理器，绘出隧道支护结构的变形图、弯矩图、轴力图和剪力图，列出各单元的内力和位移值，以及输出结构的变形图和内力图。
图17 没有受拉弹簧时的隧道结构模型图
图18 初次分析计算隧道衬砌支护结构变形图
图19 第二次分析计算隧道衬砌支护结构变形图
图20 最后隧道衬砌支护结构变形图
图21 结构弯矩图（单位：N.m）
图22 结构剪力图（单位：N）
图23 结构轴力图（单位：N）
12.数值分析结果
（1）列表显示各节点的位移
图24 节点位移列表
图25 节点数据文件
（2）列表显示单元的弯矩，剪力和轴力
图26 单元表数据
范文三：ANSYS隧道结构受力实例分析
矿业软件与应用—— Ansys 考试试题
学 院:资源与安全工程学院 指导老师: xxx 姓 名: xxx 学 号: xxxxxxxx 时 间: 2014年 6月 21日
ANSYS 隧道结构受力实例分析
某隧道工程为三心拱隧道, 隧道位于地表以下 10米处, 洞直径 10米,其具 体尺寸见下图。 根据工程地质勘探报告, 岩土各参数为:密度为 2700kg/m3, E=1.4×1010Pa , u=0.27,黏聚力 c=2.72×106Pa ,内摩擦角 Φ=35°。地面上主要为交 通荷载,根据估计每米有 2.5吨的荷载直接作用于地基上。
计算要求如下:
(1)交通载荷已经存在。
(2)计算结果报告中包括约束条件、荷载;位移、 Y 方向应力等值线图, 塑性区等结果。进行力学特性分析。
(3)提供建模、计算过程地 GUI 命令。
操作过程
一、创建物理环境
⒈ 在“开始”菜单中选取“所有程序 >ANSYS Product launcher”并点击; ⒉ 选 中 File Management , 在 Working Directory 栏 输 入 工 作 目 录 “ C:\Users\dell \李懿鑫” ,在“ Job Name”栏输入文件名“ 0204110112” 。 ⒊ 单击“ RUN ”按钮,进入 ANSYS 的 GUI 操作界面。
⒋ 过滤图形界面:Main Menu>Preferences,弹出 Preferences for GUI Filtering 对话框,选中 Structural 来对后面的分析进行菜单及相应的图形界 面过滤,如图 1-1。
图 1-1
⒌ 定义工作标题:Utility Menu>File>Change Title,在弹出的对话框中 输入 0204110112,单 OK 按钮,如图 1-2。
图 1-2
⒍ 定义单元类型
1) 定 义 PLANE82单 元 :Main Menu>Preprocessor>Element
Type>Add/Edit/Delete,弹出一个单元类型对话框,单击 Add 按钮。弹出如图 1-3所示对话框。在该对话框左边滚动栏中选择“ Solid ” ,在右边的滚动栏中选 择 Quad 8node82单元。然后单击 OK 。
图 1-3
2)设定 PLANE82单元选项 :Main Menu > Preprocessor > Element Type > Add/Edit/Delete, 弹出一个单元类型对话框, 选中 Type2 PLANE82, 单击 Option 按钮, 弹出一个 PLANE82element Type options 对话框, 如图 1-4所示。 在 Element behavior K3栏后面的下拉菜单中选取 Plane strain ,其他栏后面的下拉菜单采 用 ANSYS 默认设置就可以,单击 OK 按钮。
图 1-4
①通过设置 PLANE82单元选项 K3为 Plain strain 来设定本实例分析采取平 面应变模型进行分析。 因为巷道是纵向很长的实体, 故计算模型可以简化为平面 应变问题。
② 8借点 PLANE82单元每个节点有 UX 和 UY 两个自由度,比 4节点 PLANE42
单元具有更高的精确性,对不规则网格适应性更强。
7. 定义材料属性
1)定义巷道围岩 1材料属性:Main > Preprocessor > Material Props >Material Model,弹出 Define Material Model Behavior对话框,如图
1-5所示。
图 1-5
在图 1-6中右边栏中连续单击 Structural>Linear>Elastic>Isotropic后 , 又弹出如图 1-7-2所示 Linear Isotropic Properties for Material Number 1对话框,在该对话框中 EX 后面输入 1.4e10, 在 PRXY 后面的输入栏中输入 0.27, 单击 OK 按钮。再在选中 Density 并单击,弹出如图 1-7-2对话框, ,在 DENS 后 面的输入栏中输入巷道土体材料的密度 2700,单击 OK 按钮。
图 1-6 线弹性材料模型对话框 图 1-6材料面密度输入对话框
图 1-7中右边栏中连续单击 Structural>Nonlinear>ineslastic>Non-metal Plasticity 后。在 Cohesion 栏输入 2.72e5,在 Fric Angle栏输入 35。
图 1-7-a 定义材料本构模型对话框
图 1-7-b 定义材料本构模型对话框
二、建立模型和划分网络
1)创 建隧道 各 个代表 关键点 :Main Menu> Preprocessor> Modeling> Create>Keypoints>In Active CS , 弹出 “ Creat Keypoints in Active Coordinate System ”对话框,如图 2-1所示。在对话框中以此输入关键点的号码, X,Y,Z 的 坐标值,然后点击 APPLY ,再输入下一个关键点的号码和坐标,直到所有的关键 点全部输入后点击 OK , 关键点坐标依次为 (0,5) 、 (-5,0) 、 (-5,-10) 、 (5,-10) 、 (5,0) (-50,15) 、 (-50,-60) 、 (50,-60) 、 (50,15) 。
图 2-1 在当前坐标系创建关键点对话框
2)创建隧道模型:Main Menu>Preprocessor>Modeling>Create>Lines>In Active Coord,弹出如图 2-2所示的对话框。依次连接关键点,如图 2-3所示。 Main Menu>Preprocessor>Modeling>Create>Lines>Arcs>By End KPs & Rad ,
弹出如图 2-4所示的对话框。在对话框栏中输入关键点“ 2, 5” ,单击“ Apply ” 。 在对话框栏中输入关键点“ 1” ,弹出“ Arc By End KPs & Rad ”对话框。在“ RAD Radius of the arc ”栏后面输入弧线半径“ 5” ,单击“ Apply ”按钮,这样就创 建了弧线 1。最后单击“ OK ”按钮,生成隧道模型,如图 2-5所示。
图 2-2定义直线两端点对话框 图 2-3 画直线
图 2-4 定义弧线两端点对话框 图 2-5 巷道模型
首 先 通 过 mainmenu>preprocessor>modeling>create>areas>arbitrary>by lines 由 线 生 成 2个 面 , 然 后 通 过 mainmenu> preprocessor>modeling>operate>Booleans>divide>areas by areas 将 2个面 通过布尔运算的图 2-6和图 2-7
图 2-6、 2-7隧道模型
4)划分网格:Main Menu>Preprocessor>Meshing>Mesh Tool , 在弹出的 Mesh Tool 中可以定义要划分面的类型。划分网格时要设置网格划分份数:在工具栏 中 Size Control栏,用鼠标单击 lines 后面的 Set 弹出一个选择对话框用鼠标 选择 L1、 L3, 弹出一个 Element Sizes on Picked Lines 对话框, 在 No of element division 栏后面输入 40, 单击 Apply 按钮, 再选择 L2和 L4、 L5和 L7、 L6、 L8, 分别输入 35、 10、 5、 10,单击 OK 。在网格划分工具栏中单击 Mesh 按钮,弹出 一个拾取面积对话框, 拾取大面积区域 , 单击 OK 按钮, 生成隧道单元网格; 然后 将隧道结构模型重新生成, 用相同的操作步骤再次划分网格, 结果如图 2-8所示。
如图 2-8 模型网格
三、施加约束和荷载
对大矩形底边施加 Y 方向约束:Main Menu>Solution> Define Loads> Apply>Structural>Displacement>On line用鼠标选取底边, 单击 OK 按钮。弹出 ApplyU,ROT on Nodes对话框,在 DOF to be
constrained 栏后面选取 UY ,单击 OK 按钮,如图 3-1所示:
图 3-1
同理,对大矩形左右两边施加 X 方向约束。
施加载荷:mainmenu>Solution>Define Loads>Apply> Structural> Pressure> online ,拾取大矩形顶部中间的线段,弹出 所图所示对话框,在 PREV value中输入经计算好的荷载 25000,如 图 3-2所示:
图 3-2
单击 OK 按钮,荷载施加完成,如图 3-3所示:
图 3-3
MainMenu >Solution >Define >Loads >Apply >Structural >Inertia>Gravity >Global,在弹出的对话框,如图 3-4所示。在 Y 方向中输入 9.8,完成重力的 加载。
如图 3-4 隧道顶部荷载和重力
四、求解运算
1)求解设置
指定求解类型:Main Menu>Solution>Analysis Type>New Analysis,弹出 一个如图 4-1-a 所示对话框,在 Type of analysis 栏后面选中 Static ,单击 OK 按钮。
Main Menu>Solution>Analysis Type>Sol’ n Controls,在 basic 中选择大
变 形 分 析 类 型 , 如 图 4-1-b 所 示 , 单 击 OK 按
钮
图 4-1-a
如图 4-1-b 求解类型
2)求解
Main Menu>Solution>Solve>Current LS,弹出一个求解选项信息和一个当 前求解载荷对话框,检查无误后,单击 OK ,开始是求解运算,直到出现一个 Solution is done的提示栏,表示求解结束。
如图 4-2求解过程
计算时 ANSYS 会显示计算收敛的曲线,如图 4-3所示,计算完成后会弹出 Solution is done!信息。如果计算不收敛, ANSYS 会给出错误信息,以便用户 查找原因并改正。
图 4-3求解结果
五、对计算结果进行分析
1) 单 元 生 死 控 制 :通 过 在 ANSYS 主 菜 单 Solution->Load Step Opts->Other->Birth & Death->Kill Elments , 点击隧道单元即可实现杀死命令。 在下列操作步骤后都完成后, 通过控制生死单元可以得到另一组类似的结构, 并 将显示在每个分析步骤中未杀死前结果的下面, 在下面的操作分析步骤中就不再
赘述。
2)绘制结构变形图:Main Menu >General Postprocessor >Plot Results >Deformed shape,弹出一个“ Plot Deformed Shape”的对话框,选中 “ Def+ undef edge”并单击“ OK ” ,就得到隧道结构变形图,如图 5-1所示。
图 5-1 结构变形图
3) 显示巷道位移云图:Main Menu> General Postproc>Plot Result>contour Plot>Nodal Solu,弹出一个 Contour Nodal Solution Data 对话框,用鼠标依 次单击 Nodal Solution/DOF Solution/X-Compoment of displacement,再单击 OK 按钮,就得到 X 方向位移云图,重复操作,依次可获得 Y 方向和总位移云图, 如下图所示。
图 5-2 X 方向位移云图
图 5-3 Y 方向位移云图
图 5-4 总位移云图
4) 绘制结构应力图:Menu>General Postprocessor>Plot Results>-Contour Plot- Nodel Solution,弹出一个 Contour Nodal Solution Data 对话框,用
鼠标依次单击 Nodal Solution/Stress/X-Compoment of stress,再单击 OK 按 钮, 就得到 X 方向位移云图, 重复操作, 依次可获得 Y 方向和 XY 面的应力云图, 如下图所示。
图 5-5 X 方向应力云图
图 5-6 Y 方向应力云图
图 5-7 XY 面应力云图
5) 绘制结构塑性区:Menu>General Postprocessor>Plot Results>-Contour Plot- Nodel Solution,弹出一个 Contour Nodal Solution Data 对话框,用
鼠标依次单击 Nodal Solution/Plastic strain/Equivalent plastic strain, 再单击 OK 按钮,就得到结构塑性区,如 图 5-8所示。
图 5-8 结构塑性区变形
6)绘制地面变形:Menu>General Postprocessor>Path Operations>Define Path>By Nodes,创建地面路径, Menu>General Postprocessor>Path
Operations>Mape Onto Path和 Plot Path Item>On Graph,显示地面变形结果。
图 2-9
六、力学特性分析
由应力分布云图可知, 隧道顶板中点水平应力在周边附近一定范围内为拉应
力,越往围岩内部,拉应力逐渐减弱,然后又转化为压应力;隧道顶底板中点铅 垂应力为零, 越往围岩内部, 应力越大; 两帮中点水平应力为零, 越往围岩内部, 应力越大;两帮中点铅垂应力为零,越往围岩内部,应力逐渐减小。转角处产生 较大的应力集中现象, 不利于隧道的稳定。 可以看出隧道顶板变形较大, 对于隧 道的稳定来说同样也是很不利的因素。
范文四：基于ANSYS的隧道结构变形和受力分析
应用型本科《数字电子技术》课程实践教学改革研究
广东技术师范学院天河学院陈吹信
［摘要］《数字电子技术》是电类重要的专业基础课程，实践环节是该课程学习的一个重要组成部分，本文首先根据当前应用型本科教学的实际情况分析了该课程实践教学的重要性，接着重点说明该课程的实践教学在天河学院具体的改革措施，强调借助校园网和科技创新活动提高实践教学效果，最后说明该课程实践教学改革所带来的意义。［关键词］实践教学科技创新教学效果
《数字电子技术》课程是电类专业的重要的专业基础课程，学好该课程对以后的专业课程学习能起到很好的铺垫作用。该课程的实践性较强，能否提高该课程的实践效果是一个值得研究的课题。
1、实践教学的重要性
应用型本科高等教育应以专业技术知识为基础，以实践为核心，理论与实践相融合，创新思维，加强学生的知识转化能力，切实培养出一批与时代相适应、满足社会需要、具备综合职业能力和全面素质、直接为生产一线服务的技术应用型人才。数字电子技术课程是应用型本科电类专业的专业基础课，但现有的应用型本科数字电子技术课程的教学模式很大程度上脱胎于专科层次的教学模式，而专科层次的教学模式又是普通本科模式的“缩写版”，这样就造成应用性本科电类专业的教学不能完全适应其特定的人才培养目标。因此，必须对普通高等教育模式的数字电子技术课程教学进行改革，其目的就是抛弃那些教学上不符合应用型本科教育培养目标的教学内容，制定合理的教学大纲，采用有效的教学方法和手段，从而提高教学效果。
实验教学是高等学校教学活动的重要组成部分，是提高教学质量的重要环节，它不仅起到验证理论和对理论教学补充的作用，而且能培养学生创造能力和独立思维能力。数字电子技术是一门实践性很强的课程，技能的培养就显得很重要，培养工程技术人员的素质和能力也必须通过实验来进行。通过实验也能培养学生认真、严肃、理论联系实际的优良学风。所以，在教学中要坚持理论与实践相结合的教育方式，不断强化学生适应能力和创新能力，要让学生以科学的态度去分析解决实际问题。
2、《数字电子技术》实践教学改革研究《数字电子技术》是电子信息类专业的一门必修的专业基础课，本课程通过对数字电子技术的基本原理的学习, 使学生能够掌握数字电路的分析、设计及应用方法。该课程对于学好后续的专业课程以及提高学生的工程实践能力有极其重要的作用。传统教学存在的弊端按照工学结合人才培养模式的要求，培养目标是造就出适应生产、建设、管理、服务第一线需要的高等技术应用型专门人才。传统《数字电子技术》课程教学目标不符合应用型本科教育的人才培养要求，难以培养技术应用型人才。主要存在几个问题：（1）理论性偏重，联系实际不够。现存的数字电子技术教学内容在学科体系上过分强调理论知识的系统性、完整性，理论偏深，而忽视应用型本科的培养目标及实际情况。随着应用型本科的培养目标由“技术型”向“应用型”的转变, 数字电子技术的教学应打破原有的学科体系, 突出应用特点，把能力的培养放在首位。（2）科学技术发展速度快而教学内容更新慢。当前科学技术的发展非常迅速，特别是电子技术发展日新月异，对于《数字电子技术》课程的冲击很大。我们不能总是停留在对实验的验证上，实验报告的写作上，而是要足够重视综合性应用能力。因此，结合我院实际情况，《数字电子技术》课程实践教学改革的措施宜采用如下措施：
①实践教学平台改革。随着天河学院的不断壮大发展，我院在多项基础设施上有明显的改善，校园网络就是其中的一例，目前我院引入先进的网络设备和技术，校园网络覆盖整个校园，网速比以前快得多。在此基础上，我院领导果断决策，利用校园网推动教学，学院要求各系部把合格课程、优秀课程和精品课程相关的资源全部上传校园网，以供
师生共享。目前电气工程系已经完成大部分合格课程，部分优秀课程
和少量的精品课程，而且这些课程的资源都上传到校园网上，其中，电气工程系的合格课程《数字电子技术》所有的资料已经挂在校园网上，该课程实践教学部分内容有一定的要求，比如要求学生课外实施动手操作，进行电子制作，学生作品完成后，把相关的作品上传，并对该作品做相应的内容说明，这样，老师就知道该作品的制作全过程，也就知道了学生已经掌握到何种程度，该实践部分的互动性具有较强的可操作性，有效地补充了课外教学资源的不足。
②科技创新实践活动改革。天河学院多年来举办过大学生科技节，科技节主要展览师生科技成果，其中大部分是学生作品，这些作品都是学生在课余时间精心设计制作出来的，其中不乏有《数字电子技术》课程的技术产品，充分体现学生自主创新的思维和能力。另外，电气工程系“数字电子技术”实验室全天候开放，已经配备相关老师辅导，为学生开展科技创新活动提供空间和技术支持。同时，电气工程系多年参加“挑战”杯电子大赛和全国大学生电子设计大赛，大赛有相关内容使用到《数字电子技术》课程知识，我院在大赛中取得令人满意的结果，这些比赛都能充分说明学生科技创新实践活动的重要性，具有重要的研究价值。
3、《数字电子技术》实践教学改革研究的意义该课程实践教学改革具有一定的创新点，首先该改革与生产实际紧密结合，培养实践动手能力强的学生，实现应用型本科人才培养模式的目标。其次，打破传统的只在实验室做实验的理念，提出利用现有的校园网和系部的优秀课程在网上的资源，建立网络实践教学平台，不但可以节约教学资源，还可以取得好的实践教学效果。目前电气工程系的《数字电子技术》课程可以部分在校园网上进行网络实践教学。最后，打破传统的实践教学形式，即重视或只进行验证型实验，学生在实验箱上对学过的理论知识做一些简单的验证就可以了。提倡进行综合训练，进行整体的比较复杂的电子产品的设计与制作，提倡进行科技创新活动，极大提高学生的动手能力。当前，我国民办大学和独立学院在国家政策的扶持下，快速发展，已经成为我国公办高等教育的有力补充。然而，多数民办高校和独立学院一味追求学生规模，追求办学盈利，办学模式缺乏创新性，课程设置体系缺乏科学性，重点放在理论教学上，忽视学生实践创新，致使学生毕业后难以适应工作岗位，用工单位满意程度下降。探索和研究高等学校《数字电子技术》实践教学模式，能有效地唤起电子信息、通信工程、网络工程和自动化控制相关专业的教师的注意，使相关教师能及时注意到自己的实践教学体系与实际的差距，能及时调整实践教学的内容和形式，进行一系列改革，及早发现问题、解决问题。参考文献
［1］阎石. 数字电子技术基础（第五版）［M ］. 北京:高等教育出版社, 2010.
［2］刘海燕. 数字电路制作与调试［M ］. 北京:电子工业出版社,2009. ［3］汤山俊夫著. 数字电路设计与制作［M ］. 彭军译. 北京:科学出版社,2009.
基金项目：本文系广东技术师范学院天河学院院级课题。作者简介：陈吹信，硕士，讲师，现广东技术师范学院天河学院任教，研究方向：电子通信工程。（上接第137页）
极大无关组, 且H ?H ′. 则M \H ′与M 的每一个极大无关组有非空的交, 且M \H ′?C *, 这与C *是M 的反圈矛盾.
故H 是不含极大无关组的极大子集, 所以H 是M 的一个超平面. 利用上述定理, 可以实现有关超平面与反圈的问题的转换.
根据反圈的性质, 反圈可以刻画极大无关组, 下面给出反圈与极大无关组的一个关系:
定理2.4设M ={α1, α2,?,αn }, 其中α1, α2,?,αn 使向量空间V 中的一组向量. M 的子集B ={a 1,?,a r }是M 的一个极大无关组当且仅当B 与M 的每一个反圈由非空的交, 且它是具有这种性质的极小子集.
证明:设B 是M 的一个极大无关组, 由反圈的定义, M 的每个反圈与B 都有非空的交. 现令B ?B , 且与M 的每个反圈都有非空的交. 不妨设B =
′
′
{b 1,?,b r -1}.令H =σ(b 1,?,b r -1) 则B ′?H , 且易得H 是M 的一个超平面. 由定理2.3得M \H 是M 的一个反圈, 且有M \H ?B ′=?,矛盾. 故B 是具有这种性质的极小子集. 反之, 设B 与M 的每一个反圈有非空的交, 则B 必含有M 的一个极大无关组. 否则, ρ(B ) ≤ρ(M ) -1. 必存在M 的一个超平面H , 使得B ?H . 而M \H 为M 的一个反圈, 且B ?M \H =?,矛盾. 所以必存在M 的一个极大无关组B ′, 使B ′?B . 又B 是具有这种性质的极小者, 故B =B ′.
参考文献［1］张禾瑞, 郝鈵新. 高等代数(第四版［) M ］. 高等教育出版社,1999年5月
［2］刘桂真, 陈庆华. 拟阵［M ］. 国防科技大学出版社,1994年11月
—138—
基于ANSYS的隧道结构变形和受力分析
作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：
王丽娟， 商勇， 徐毅
王丽娟(兰州交通大学土木工程学院)， 商勇(兰州交通大学机电工程学院)， 徐毅(中国交通第一航务工程局第二工程有限公司)
科技信息
Science & Technology Information2012(20)
1. TB 10003-2005.铁路隧道设计规范
2. 王金安;王树仁;冯锦艳 岩土工程数值计算方法实用教程 20103. 王恒松;陈燕 基于ANSYS的单线铁路隧道结构受力模拟分析 2011
4. 李兴国;陈立强;赵东寅 基于ANSYS荷戴结构法的浅埋明挖隧道受力分析[期刊论文]-采矿技术 2008(03)5. 罗晏斌 西汉高速公路某连拱隧道支护结构有限元分析[外文期刊] 2010
本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_kjxx201220114.aspx
范文五：拱顶存在空洞的隧道衬砌受力性能数值分析
拱顶存在空洞的隧道衬砌受力性能数值分析
彭念1张永兴1赵伟2廖志军3李中海4
(1.重庆大学,重庆400045;2.中交第二航务工程勘测设计院有限公司,武汉430071;3.重庆南涪公路发展有限公司,
重庆400060;4.广安市公路勘察设计院,广安638000)
摘要:本文以八一、向阳隧道为工程背景,运用二维弹塑性有限元方法对拱顶有空洞以及没有空洞的隧道衬砌 结构的受力性能进行了对比分析。研究结果表明:由于空洞的存在改变了衬砌结构原有的受力状态,拱顶有空洞的隧 道衬砌拱顶下缘受压,拱腰处衬砌下缘受拉;而拱顶没有空洞的隧道衬砌受力则相反。
关键词:隧道衬砌;空洞;--维弹塑性有限元;受力性能
1引言
山地、丘陵和高原约占我国面积的70%,随 着公路建设的发展,特别是近几年高速公路的快 速发展,不可避免的会兴建大量的隧道,这些隧 道在施工过程中可能出现拱背回填不密实的情 况,再加之随着环境条件的改变隧道在运营过程 中空洞现象可能会进一步加剧,其结果是:一方 面隧道的围岩受力特性会发生显著的变化¨01; 另一方面隧道衬砌的受力性态会发生很大的改 变,随着时间的累积,隧道会出现不同程度的病 害,譬如开裂,渗水,局部掉块等现象,给正常的 公路运营造成较大的安全隐患。对于前者已有 学者做过研究,本文主要探讨空洞对隧道衬砌结 构受力性能的影响。
为了准确评价空洞对隧道衬砌结构受力性 能的影响,本文采用二维有限元数值分析方法, 对八一隧道拱顶存在空洞和不存在空洞的两种 情况进行了对比分析,得出了较为有益的结论。
2向阳、八一隧道工程概况
重庆市八一、向阳隧道是连接牛角沱与菜园 坝火车站的重要基础设施,八一隧道建成于 1986年。隧道全长568.63m,净宽11.0m,净高 6.85nrl,侧墙高4m。衬砌端面形状为直墙等截 面拱,矢跨比约为0.25。
向阳隧道建成于1976年。隧道全长537m, 净宽8.5m,净高5.5m,侧墙高2.5rn。衬砌端 面为直墙等截面半圆拱,其拱圈内缘半径为 4.50m,矢跨比为0.5。
两隧道从建成运营至今已有数十年,目前 “八一”隧道出现了较为严重的病害,主要表现 为施工缝浸渗、滴漏、拱壁裂缝、拱顶掉块等,其 中里程桩号210—350段拱壁裂缝非常发育,长 度1~14m,缝宽l一8mm,以张拉裂缝为主,无 明显错位,拱腰纵向裂缝较发育,局部地段有斜 向裂缝,环向裂缝较少,裂缝间未贯通,无网状开 裂;210—105段拱顶剥落掉块严重,最严重地方 掉块长达150cm,宽50em,深达30cm;浸渗和 滴漏主要出现在施工缝。向阳隧道相对完好
3计算模型与计算参数的选取
3.1计算模型的建立
图1、图2是八一、向阳隧道与围岩复合体的 二维有限元模型单元划分(图中左右两边分别是 八一隧道和向阳隧道)。八一、向阳隧道拱部衬 砌采用梁单元(Beam3);岩土体亦采用平面应变 单元(plane82)。分析时,利用单元的生死特性 对隧道开挖以及空洞进行模拟H.5J。
围岩的几何尺寸在各个方向上均取拱台尺 寸的3倍,假定在更远处的围岩受到荷载作用的 影响很小,可忽略不计。
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无空洞的髓馗与围岩复台体有限元艇型
~‘o
隔2卉空嗣的睦罐‘{嗣崩篁音体钉融元横世
3
2计算参数选取研究
3
2】倒岩参数研究
嗣岩力学参数的选择E耍依据现场钻孔取 样试验结果和隧道顶部建筑物勘察疆料.结台工 程实际情况.遵循《工程地质勘察规范》r DBJ
5()—043—2005)对岩上体性质指标的相关规定, 并在试苒反演分析的基础h埘围岩参数进行了
词整.其具体诵整为:当|l;:『岩￡_强度参数f试验数 据)换算秉当{j{f岩体强度参数时,变彤横量的折
碱系数为0.6.粘聚力的折城系数为02,内摩擦
角的折减系数为085:考虑时间敬臆时,强度参
数均乘以095的系数作为汁葬参数6其娘始
参数与嗣整后的客敫情况如表J所示
32
2对砌材抖参数毋陵
八隧道二?j:衬砌为C20混凝土问阳隧 道边墙为条右,拱部卡}勖为C15麓凝土,如表2
所示
表l围岩蛰敛裹
参数 剽-) |
、娄别 凸Mn}H∥‘譬
∥k阢
打料、
种娄
砂岩岩傩 I
93zlo、025
2580¨83x}0’ 泥岩岩体
o 92×I一
2530
053xIlr
4隧道衬砌受力性能计算结果
经检测发现.八 隧馗多处拱厦同填欠密
实向阳髓道回填情况相对较好二田此.对八 隧道拱顶存在宅洞和小存在窑嗣2种情况进行
rjt忻,眦揭Hi拱项回域不密实对隧道村砌受力
的影响^隧道椠啦元编号如图3所目i,
,∥-b‰b
l
图3八一隧道村嘟絷单元q示意图
4
1八一隧道拱顶不存在空酒(回填密实)的 内力计算结果分析
圈4、图5中左图为八一隧道.右豳为向阳隧道
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固4对西单正弯砸图
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田5封痢单,c弯!≈-Jl图
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表3八一隧道衬砌内力表
八一隧道衬砌单元弯矩/(kN?m) 八一隧道衬砌单元弯拉应力/kPa 单元号
I节点 J节点 I节点 J节点 4567—5.34×105—2.43×105—1.28×107—5.83×106 4568—2.43×105—2.39×105—5.83×106—5.74×106 4569—2.39×1055844l 一5.74×1061.40X106 457058441931031.40×1062.23×106 457l 93103628952.23×1061.51X106 457262895427971.51×1061.03X106 457342797357571.03×1068.58X105 457435757216748.58×1055.20×105 45752l 674183285.20X1054.40×105 457618328295834.40×1057.10×105 457729583253357.10X1056.08×105 457825335384666.08×1059.23×105 457938466605859.23×1051.45×106 458060585896851.45×1062.15×106 458189685634102.15×1061.52×106 458263410—2.33×1051.52×106—5.60×106 4583—2.33×105—2.36×105—5.60×106—5.67×106 4584—2.36×105—5.18×105—5.67×106—1.24X107 4585—5.18X10524229—1.24×1075.81×105 4586242291.73×1055.81×1054.16×106 45871.73×1052.07X1054.16×1064.97×106 45882.07×1052.38×1054.97×1065.72×106 45892.38×1052.34X1055.72×1065.61×106 45902.34x1054.02×10—105.61×1069.66×10—9 4591—1.87×10—102.32×105—4.50×lO一95.57×106 45922.32×1052.34×1055.57X1065.63×106 45932.34×1052.08X1055.63×1064.99×106 45942.08×1051.77X1054.99×1064.25×106 45951.77×1051799l 4.25X1064.32×105 45961799l 一5.34×1054.32X105—1.28×107
计算结果抒析
彳了g≥
驾嚣霉雨零露■瓣 圉6村砌单元弯矩阿
表4儿一隧道衬礤内力表 ;.强,f础
雒3鑫鼗k
予’ n 。21箍.搿嶙i?蛊0。}‰,猕 圉7衬砌单元弯应匀圈
八一隧道村砌单i :弯{|【/(kN?m) 几一隧道衬砌E }元弯fz府山:kPa 单兀号
i首点 J节点 J节点 j节点 盯67502x10’ 一224x105
4568202×10’ 一538xI旷
4569一202x10’ 一486x10“
4570】67x105226×10“
4571I 67x10’ I 89x10’
4572l 07x103
4573】昕×【0’ 一I 64x1扩 4574—272xI旷
4575一272×10’
4576.226x】D’ 一543xl∥
4577
4578I 67x10’ I 43×10’ 402x10’
4579l 43×10’ l 06x10’ 343×101
∞80I 116x10‘ 102x10’ 253x106
4581102x105
4582一220x10‘
4583一230x10’ —528×100
4584—230x10’ 一505x10555J×106
4585一505x10’
4586I 65×1(1’ 406x105
4587l 65x105202x10’ 395x106
4588237x10’ 485x10“
4589
4590
4591—187x1010230x105一450xln‘
459223(I z105228×10、 548x106 4593225×101196x10‘
4594I 96x105159xI旷 47l x10’
4595I 59xI旷 382x10“
45%一5In x10’
从以上图表分析可以得出t
①八一隧道拱顶有空洞的情况与没有空洞 的情况相比(图4与图6中八一隧道衬砌受力的 比较),其结构受力性能明显不同,主要是由于空 洞的存在,结构的内力发生了重分布,表现在拱 顶下缘(单元4573的J节点到单元4576的I节 点)受压应力作用,而没有空洞的情况拱顶下缘 受拉。
②由于空洞的存在,拱腰下缘处弯应力增 大,与拱轴向应力叠加之后,拱顶衬砌下缘压应 力明显增加,当隧道的赋存环境发生变化的时候 (如水压力增加等),拱部衬砌压应力将进一步 增大,而拱腰处(单元4569的J节点到单元4573的I节点以及单元4576的J节点到单元4582的 I节点)承受拉应力会增加,这种变化的结果是, 拱顶衬砌混凝土被压坏,最终脱落,而拱腰处混 凝土将出现开裂。
③存在空洞的八一隧道二次衬砌下缘应力 弯拉应力除拱顶和拱脚受压外,其余多数超出了 规范所容许的弯拉应力值0.36MPa,拱腰处最 大弯拉应力4.02MPa;
④由于八一隧道跨径较向阳隧道大,而失跨 比较向阳隧道小,因此所受弯拉应力比向阳隧道 更大,再加上八一隧道拱顶存在空洞是造成该隧 道出现病害的主要原因。
5结论
本文运用二维弹塑性有限元方法对拱顶有 空洞以及没有空洞的隧道衬砌结构的受力性能 进行了对比分析,得到以下结论t
①利用单元的生死对隧道开挖以及空洞的 模拟是有效的。
②隧道拱顶存在空洞会改变结构原有的受 力状态,有空洞存在则拱顶下缘受压;没有空洞 (回填密实)则拱顶下缘受拉。
③空洞的存在会导致衬砌拱腰下缘由原先 受压变为受拉。
④本文仅对拱顶有空洞的情况进行计算,按 本文建模方法也可对拱腰以及侧墙处有空洞的 情况进行计算,分析更为复杂的情况。
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