地铁盾构隧道掘进施工过程三维仿真分析-ANSYS命令流.doc
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地铁盾构隧道掘进施工过程三维仿真分析-ANSYS命令流.doc
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第1章大型有限元软件ANSYS简介 12
10.1模型的建立
/TITLE,3DanalysisonshieldtunnelinMetro!
确定分析标题
/NOPR !
菜单过滤设置
/PMETH,OFF,0
KEYW,PR_SET,1
KEYW,PR_STRUC,1 !
保留结构分析部分菜单
/COM,
/COM,PreferencesforGUIfilteringhavebeensettodisplay:
/COM,Structural
1.材料、实常数和单元类型定义
/clear !
更新数据库
/prep7 !
进入前处理器
et,1,solid45 !
设置单元类型
et,2,mesh200,6
save !
保持数据
(2)定义模型中的材料参数。
!
土体材料参数
mp,ex,1,3.94e6 !
地表层土弹性模量
mp,prxy,1,0.35 !
地表层土泊松比
mp,dens,1,1828 !
地表层土密度
mp,ex,2,20.6e6 !
盾构隧道所在地层参数
mp,prxy,2,0.30
mp,dens,2,2160
mp,ex,3,500e6 !
基岩地层参数
mp,prxy,3,0.33
mp,dens,3,2160
!
管片材料参数,管片衬砌按各向同性计算
mp,ex,4,27.6e9 !
管片衬砌弹性模量
mp,prxy,4,0.2 !
管片衬砌泊松比
mp,dens,4,2500 !
管片衬砌密度
!
注浆层,参数按水泥土取值
mp,ex,5,1e9 !
注浆层弹性模量
mp,prxy,5,0.2 !
注浆层泊松比
mp,dens,5,2100 !
注浆层密度
save !
保持数据
2.建立平面内模型并划分单元
(1)在隧道中心线定义局部坐标,便于后来的实体选取。
local,11,0,0,0,0 !
局部笛卡儿坐标
local,12,1,0,0,0 !
局部极坐标
csys,11 !
将当前坐标转换为局部坐标
wpcsys,-1 !
同时将工作平面转换到局坐标
cyl4,,,,,2.7,90 !
画部分圆半径为2.7
cyl4,0,0,2.7,0,3,90 !
画管片层部分圆
cyl4,0,0,3,0,3.2,90 !
画注浆层部分圆
rectng,0,4.5,0,4.5 !
画外边界矩形
aovlap,all !
做面递加
nummrg,all !
合并所有元素
numcmp,all !
压缩所有元素编号
rectng,4.5,31.5,0,4.5 !
画矩形面
nummrg,all !
合并所有元素
numcmp,all !
压缩所有元素编号
save !
保持数据
(2)划分单元,如图10-1所示。
meshkey,1 !
选择划分方式为映射划分
type,2 !
采用Mesh200进行平面内的单元划分
lesize,1,,,6 !
对线设置单元数
lesize,2,,,6
lesize,3,,,6
amesh,1 !
对面1划分单元
lesize,4,,,6 !
对线设置单元数
lesize,8,,,2
lesize,9,,,2
amesh,2 !
对面2划分单元
lesize,5,,,6 !
对线设置单元数
lesize,10,,,1
lesize,11,,,1
amesh,3 !
对面3划分单元
lesize,12,,,3 !
对线设置单元数
lesize,13,,,3
lesize,6,,,3
lesize,7,,,3
lesize,14,,,8,2
lesize,16,,,8,0.5
amap,4,7,6,8,10 !
对面4采用MAP方式划分单元
amap,5,9,8,11,12 !
对面4采用MAP方式划分单元
save !
保持数据
(3)利用对称性划分单元得到下半部分模型,如图10-2所示。
arsym,y,all !
以y轴为对称轴进行镜像操作
nummrg,all !
合并所有元素
numcmp,all !
压缩所有元素编号
allsel,all !
选择所有元素
save !
保持数据
(4)建立隧道下方土层模型,如图10-3所示。
rectng,0,4.5,-4.5,-26 !
绘制下边界矩形面
rectng,4.5,31.5,-4.5,-26
nummrg,all !
合并所有元素
numcmp,all !
压缩所有元素编号
lesize,28,,,3 !
对线设置单元数
lesize,29,,,5,0.5
lesize,30,,,5,2
lesize,32,,,5,0.5
lesize,31,,,8,2
amesh,11 !
对面11和12划分单元
amesh,12
save !
保持数据
(5)建立隧道上方土层模型,如图10-4所示。
rectng,0,4.5,4.5,15 !
绘制上边界矩形面
rectng,4.5,31.5,4.5,15
lesize,34,,,3 !
对线设置单元数
lesize,35,,,4
lesize,33,,,4
lesize,36,,,4
lesize,37,,,8,0.5
amesh,13 !
对面13和14划分单元
amesh,14
nummrg,all !
合并所有元素
numcmp,all !
压缩所有元素编号
save !
保持数据
(5)利用对称性得到平面内的全部模型,如图10-5所示。
allsel,all !
选择所有元素
arsym,x,all !
以x轴为对称轴进行镜像操作
nummrg,all !
合并所有元素
numcmp,all !
压缩所有元素编号
save !
保存数据库
3.建立三维有限元模型
(1)通过沿隧道轴线进行拉伸,得到隧道及其所在地层的三维实体模型
!
沿隧道轴线定义一系列关键点,点间距为3m
*do,i,1,20 !
循环20次
k,,0,0,-3*i !
每次增加3m(纵向)
*enddo
!
沿着这些点建立线,便于后来体的拉伸
l,3,38 !
根据关键点生成线
*do,i,1,19
l,37+i,38+i !
通过关键点号循环增加生成线
*enddo
*do,i,1,20
lesize,64+i,,,1 !
循环对线设置单元数
*enddo
!
进行拉伸,拉伸后建立的完整模型如图10-6所示
type,1 !
选择拉伸单元为Solid45
mat,1 !
赋予拉伸单元材料参数
esys,11 !
选择单元坐标
extopt,aclear,1 !
设置拉伸选项,即拉伸完成后删除母单元Mesh200
csys,12
*do,i,1,20
asel,s,loc,z,-3*(i-1) !
选择拉伸的面
vdrag,all,,,,,,64+i !
进行拉伸
*enddo
allsel,all !
选择所有元素
nummrg,all !
合并所有元素
numcmp,all !
压缩所有元素编号
allsel,all !
选择所有元素
save !
存储数据库
(2)分层赋给土体材料参数。
!
赋予隧道所在地层材料参数
csys,0 !
改变坐标系
nsel,s,loc,y,-10.5,5 !
选择节点
esln,s !
选择单元
mpchg,2,all !
改变材料参数
!
赋予基岩材料参数
nsel,s,loc,y,-11,-26 !
选择节点
esln,s !
选择单元
mpchg,3,all !
改变材料参数
10.2施工过程三维仿真分析
10.2.1加载与自重应力场求解
1.施加边界条件
(1)并进行求解设置。
Finish !
返回上一次主菜单
/solu !
进入求解器
csys,0 !
改变坐标系
/view,1,-1,0.5,1 !
改变视图显示方向
/replot !
重新绘制
eplot !
显示单元图
save !
保存数据库
nsubst,10 !
指定荷载子步
nlgeom,on !
指定大变形
nropt,full !
指定newton-lapnace迭代
pred,on !
启用非线性求解预测器
lnsrch,on !
启用线性搜索
outres,all,last !
选择将每一子步的最后一个迭代计算步结果保存
(2)施加约束条件。
nsel,s,loc,x,-31.5 !
选择节点
d,all,ux !
施加X方向约束
nsel,s,loc,x,31.5 !
选择节点
d,all,ux !
施加X方向约束
nsel,s,loc,y,-26 !
选择节点
d,all,uy !
施加Y方向约束
nsel,s,loc,z,0 !
选择节点
nsel,a,loc,z,-60
d,all,uz !
施加Z方向约束
allsel,all
acel,0,10,0 !
施加重力
step=0 !
用于记录计算步的参数
save !
存储数据库
2.自重应力场求解与后处理
(1)求解自重应力场。
time,1 !
第1个荷载步(时间步)
solve !
求解
save !
存储数据库
finish !
返回上一次主菜单
(2)自重应力场后处理。
/POST1 !
进入后处理器
PLNSOL,S,Y,0,1 !
SY应力图如图10-8所示
PLNSOL,U,Y,0,1 !
UY位移图如图10-9所示
10.2.2加载与自重应力场求解
1.第1步开挖模拟分析
(1)第1步开挖中第1个计算步的命令流。
/solu !
进入求解器
antype,,rest !
设定分析类型为重启动分析,重启动点默认为上次求解结束时
time,2 !
设定时间步
AUTOTS,1 !
自动增加计算步
DELTIM,0.1,0.001,0.2,1 !
时间步选项设置
csys,12 !
将当前坐标变为前面自定义的极座标
wpcsys,-1
vsel,s,loc,x,0,3.2 !
选择体
vsel,r,loc,z,0,-3 !
再选择体
eslv,s !
选择单元
ekill,all !
杀死开挖土体单元,包括核心图、管片层、注浆层
asel,s,loc,x,0,3.19 !
选择面
asel,r,loc,z,-3
SFA,all,1,PRES,0.3e6 !
施加掌子面顶进压力
asel,s,loc,x,3.2 !
选择面
asel,r,loc,z,0,-2.9
SFA,all,1,PRES,0.15e6 !
施加注浆压力
allsel,all !
选择所有元素
solve !
求解
save !
存储数据库
finish !
返回上一主菜单
(2)第1步开挖中第1个计算步的命令流。
/solu !
进入求解器
antype,,rest !
重新启动
time,3 !
第三次计算
AUTOTS,1
DELTIM,0.1,0.001,0.2,1
csys,12 !
改变坐标系
wpcsys,-1 !
改变工作坐标系
vsel,s,loc,x,0,2 !
选择体
vsel,r,loc,z,0,-3
eslv,s !
选择单元
ekill,all !
杀死核心土单元
vsel,s,loc,x,2,2.3 !
选择体
vsel,r,loc,z,0,-3
eslv,s !
选择单元
mpchg,4,all !
改变管片单元材料参数
vsel,s,loc,x,2.3,2.7 !
选择体
vsel,r,loc,z,0,-3
eslv,s !
选择单元
mpchg,5,all !
改变注浆层材料参数
asel,s,loc,x,0,3.19 !
选择面
asel,r,loc,z,-3
SFA,all,1,PRES,0.3e6 !
在面上施加压力
asel,s,loc,x,3.2
asel,r,loc,z,0,-2.9
SFA,all,1,PRES,0 !
取消注浆压力
allsel,all !
选择所有元素
solve !
求解
save !
保存数据库
finish !
返回上一层主菜单
2.开挖循环MAC文件的编写
(1)将第1步开挖,第1个计算步中的命令流改写为以step(开挖步)为参数的命令流形式,并将其文件名命为Constr1.mac。
!
*************************************Constr1.mac*****************************
time,2*step
AUTOTS,1
DELTIM,0.1,0.001,0.2,1
csys,12
wpcsys,-1
vsel,s,loc,x,0,2
vsel,r,loc,z,0,-3*(step-1)
eslv,s
ekill,all
vsel,s,loc,x,2,2.3
vsel,r,loc,z,0,-3*(step-1)
eslv,s
mpchg,4,all
vsel,s,loc,x,2.3,2.7
vsel,r,loc,z,0,-3*(step-1)
eslv,s
mpchg,5,all
vsel,s,loc,x,0,3.2
vsel,r,loc,z,-3*(step-1),-3*step
eslv,s
ekill,all
asel,s,loc,x,0,3.19
asel,r,loc,z,-3*(step-1)
SFA,all,1,PRES,0e6
asel,s,loc,x,0,3.19
asel,r,loc,z,-3*step
SFA,all,1,PRES,0.3e6
asel,s,loc,x,3.2
asel,r,loc,z,-3*(step-1)-0.1,-3*step+0.1
SFA,all,1,PRES,0.15e6
allsel,all
solve
save
(2)将第1步开挖,第2个计算步中的命令流改也写为以step(开挖步)为参数的命令流形式,并将其文件名命为Constr2.mac,代码如下:
!
**********************Constr2.mac********************************************
time,2*step+1
AUTOTS,1
DELTIM,0.1,0.001,0.2,1
csys,12
wpcsys,-1
vsel,s,loc,x,0,2
vsel,r,loc,z,0,-3*step
eslv,s
ekill,all
vsel,s,loc,x,2,2.3
vsel,r,loc,z,0,-3*step
eslv,s
mpchg,4,all
vsel,s,loc,x,2.3,2.7
vsel,r,loc,z,0,-3*step
eslv,s
mpchg,5,all
asel,s,loc,x,0,3.19
asel,r,loc,z,-3*step
SFA,all,1,PRES,0.3e6
asel,s,loc,x,3.2
asel,r,loc,z,-3*(step-1)-0.1,-3*step+0.1
SFA,all,1,PRES,0
allsel,all
solve
save
3.第2步到第13步的开挖模拟分析
(1)第2步开挖模拟分析,!
以下的中文说明也与第一步开挖一致,在此省去。
/solu
antype,,rest
step=2
Constr1.mac
/solu
antype,,rest
step=2
Constr2.mac
(2)第3步开挖模拟分析。
/solu
antype,,rest
step=3
Constr1.mac
/solu
antype,,rest
step=3
Constr2.mac
(3)第4步开挖模拟分析。
/solu
antype,,rest
step=4
Constr1.mac
/solu
antype,,rest
step=4
Constr2.mac
(4)第5步开挖模拟分析。
/solu
antype,,rest
step=5
Constr1.mac
/solu
antype,,rest
step=5
Constr2.mac
(5)第6步开挖模拟分析。
/solu
antype,,rest
step=6
Constr1.mac
/solu
antype,,rest
step=6
Constr2.mac
(6)第7步开挖模拟分析。
/solu
antype,,rest
step=7
Constr1.mac
/solu
antype,,rest
step=7
Constr2.mac
(7)第8步开挖模拟分析。
/solu
antype,,rest
step=8
Constr1.mac
/solu
antype,,rest
step=8
Constr2.mac
(8)第9步开挖模拟分析。
/solu
antype,,rest
step=9
Constr1.mac
/solu
antype,,rest
step=9
Constr2.mac
(9)第10步开挖模拟分析。
/solu
antype,,rest
step=10
Constr1.mac
/solu
antype,,rest
step=10
Constr2.mac
(10)第11步开挖模拟分析。
/solu
antype,,rest
step=11
Constr1.mac
/solu
antype,,rest
step=11
Constr2.mac
(11)第12步开挖模拟分析
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