ANSYS教程：土木工程巷道开挖有限元模拟与应力分析

本篇文档主要针对土木工程专业的ANSYS初学者，提供了一个巷道开挖过程的有限元模型与力学分析实例。通过实际操作步骤，学习者能够掌握如何使用ANSYS这款强大的数值模拟软件来进行地下巷道的设计与分析。 1. 有限元模型概述：该教程基于ANSYS有限元分析软件，针对巷道这种细长结构（如半圆形拱形巷道），利用平面应变模型进行力学分析。巷道的横截面尺寸相对较小，且假设纵向无明显位移，只考虑横向变形。在有限元建模过程中，关键在于选取合适的孔口尺寸来模拟孔口应力集中现象，这通常发生在巷道周围的1.5倍孔口尺寸范围内。 2. 建模步骤： - 定义工作文件和工作标题：首先创建一个新的工作文件，明确工作目标。 - 单元类型与材料：选择PLANE42单元类型，这是为平面应变问题设计的，设置相应的物理力学参数，如IV级围岩的容重、弹性模量、泊松比、内摩擦角和凝聚力。 - 几何模型建立：绘制巷道的实际形状，确保模型精确反映实际尺寸。 - 网格划分：依据巷道的几何特性，精细划分网格，保证计算的准确性和效率。 3. 载荷与初始地应力模拟： - 分析类型设置：设置为非线性动力学分析，因为巷道开挖会产生复杂的应力分布。 - 边界条件：施加边界条件，如上部面压力和重力加速度，模拟真实的地下环境。 - 加载步骤：分步骤加载，先求解初始地应力，再逐步引入巷道开挖的影响。 - 结果保存与后处理：每次求解后，都要保存结果以便后续查看和分析，包括变形形状和节点结果的等值线图。 4. 巷道开挖过程分析： - 单元的生死控制：通过单元生死功能，模拟巷道被挖除的过程，观察应力分布的变化。 - 查看受力情况：检查挖空后巷道周边单元的受力状态，识别应力集中区域。 5. 总结与体会：通过这个实战项目，学生将学习到有限元分析在土木工程中的实际应用，以及如何通过ANSYS解决复杂地质条件下的巷道力学问题，理解应力集中现象和其对工程设计的重要性。 这篇教程适合土木工程专业学生在学习和实践中提升ANSYS软件技能，尤其对于理解和应对地下工程中的力学问题具有很高的参考价值。