巷道开挖过程的有限元模型与力学分析学院：班级：学号：姓名：指导老师：XXX老师XX大学2009－2010年度上学期目录巷道开挖过程的有限元模型与力学分析 (3)有限元模型概述 (3)1 建立有限元模型 (4)1.1 定义工作文件和工作标题 (4)1.2 定义单元类型、实常数和材料 (4)1.3 建立几何模型 (5)2 网格划分 (7)3 加载与初始地应力模拟 (8)3.1 设置分析类型 (8)3.2施加边界条件 (9)3.3 施加上部面压力： (10)3.4 施加重力加速度： (10)3.4 设置加载步骤： (10)3.5 求解初始地应力： (11)3.6 保存分析结果： (11)4 浏览初始地应力的计算结果（后处理） (12)4.1显示变形形状： (12)4.2查看节点结果等值线图： (12)5 开挖巷道求解 (16)5.1杀死巷道对应的单元： (16)5.2输入加载步文件： (16)5.3查看杀死巷道单元后的受力情况： (16)5.4求解开挖后的有限元模型： (16)6 浏览查看开挖后的计算结果（后处理） (17)6.1显示变形形状： (17)6.2查看节点结果等值线图： (17)7 应力集中分析 (22)8 总结体会 (22)巷道开挖过程的有限元模型与力学分析某半圆形拱巷道断面，参数见图，其所处地质条件为IV级围岩，上覆盖层厚度为100米后，各材料的力学参数见表。
有限元模型概述本题采用ANSYS有限元分析软件模拟巷道开挖过程。
由于地下巷道属于细长结构物，即巷道的横断面相对于纵向的长度来说很小，可且假定在围着荷载作用下，在其纵向没有位移，只有横向发生位移. 所以，巷道的力学分析可以采用弹性力学理论中的平面应变模型进行，这是一个较复杂的非线性力学问题。
采用ANSYS有限元分析软件对巷道开挖进行模拟时，应首先根据地质条件建立合适的地下有限元分析模型，由于巷道对整个地下空间来说是属于“小孔口问题”，巷道周围出现孔口应力集中，并且应力集中区域影响范围约大于1.5倍的孔口尺寸，因此建几何模型时要选择合适的尺寸，其次采用PLANE42单元类型来分析平面应变问题。
接下来设定单元尺寸大小划分网格。
然后分步求解载荷，第一步求解初始地应力，第二步杀死巷道对应的单元后求解开挖后的载荷，最后分析巷道周围岩石的、位移、应力、应变的变化。
1建立有限元模型1.1 定义工作文件和工作标题（1）启动ANSYS 程序.（2）定义工作文件名：执行Utility Menu >File >Change Jobname命令，在弹出的对话框中输入“xiangdaokaiwa”并选择YES复选框，单击OK按钮。
（3）定义工作标题：执行Utility Menu>File>Change Title命令，在弹出的对话框中输入“xiangdaokaiwamodel”单击OK。
1.2 定义单元类型、实常数和材料（1）选择分析模块：执行Main Menu>Preferences，选择<Stuctural>复选框，单击OK。
巷道开挖属于结构模块。
(2)选择单元类型：执行Main Menu>Preprocessor>Element Type>Add/Edit/Delete命令，弹出<Element Type>对话框，单击Add 按钮，弹出<Library of Element>对话框。
选择”Structural solid”和“Quad 4node 42”选项，单击OK，在返回到<Element Type>对话框中单击<option>按钮，在弹出对话框中将单元力学模型的区K3设置成“Plane Strain”选项（即平面应变模式)，再单击OK，最后单击单元类型中的<Close>按钮。
如图1所示。
这里的单元模型没有几何参数，不需要设置实常数。
图1 设置平面应变模式（3）设置材料属性：执行Main Menu> Preprocessor> Material Props> Material Models命令，在弹出的窗口中双击<Material Model Available> 列表框中的“Structural\Linear\Elastic\Isotropic”选项，弹出<Linear Isotropic Material Prorerties for Material Number 1>对话框。
在<EX>和<PRXY>文本框中分别输入“1.6E9”及“0.32”,单击OK，。
然后双击<Material Model Available>列表中的<Density>,在弹出的对话框中的<DENSY> 文本框中输入“2800”，单击OK，最后退出。
如图2所示图2 设置弹性模量、泊松比及密度1.3 建立几何模型模型说明：根据巷道开挖受影响的范围，模拟地层的横向边界距离巷道墙壁可定为两倍巷道宽度（6.8m）即14m，则地层宽度为34.8m,约为35m,巷道的顶拱为三心拱，拱高为1/4墙高即1.7m，整个巷道高度8.5m，巷道埋深为100m，巷道底下设两倍巷道高度即20m。
考虑建模时简便，有限元模型的巷道顶部到模型边界为50m，模型上部再加50m的均布载荷，即p=ρgh=2800*10*50=1.400000Pa。
如图3所示。
图3 模型简图（1）创建三心拱巷道断面：由于用ANSYS创建三心拱难度较大，为了方便高效，这里采用AUTOCAD来创建三心拱巷道断面，并且用DXFTOANSYS软件将AUTOCAD输出的DXF文件转化为ANSYS能够读取的LGW文件。
将xiangdao.lgw文件导入ANSYS中得到图4。
图4 三心拱巷道断面图（2）创建边界：执行Main Menu>Preprocessor>Modeling>Create>Keypoints>In Active CS命令，弹出当前坐标创建关键点的对话框，名关键点分别是KP15(21,-20,0),KP16(-14,-20,0),KP17(21,58,0),KP18(-14,58,0)。
（3）创建直线：执行Main Menu >Preprocessor >Modeling>Create>Lines >Lines >Straight Line命令，将地层边界连接起来。
如图5所示。
图5 几何模型（4）创建地层面积：执行Main Menu >Preprocessor >Modeling >Create>Areas >Arbitrary>By Lines，创建三个叠加起来的面积。
（5）面积叠加的布尔运算：执行Main Menu>Preprocessor >Modeling >Operate >Booleans>Overlap>Areas 命令，将三个面积进行布尔叠加计算，得到三个独立的面积。
（6）压缩全部编号：执行Main Menu>Preprocessor>Numbering Ctrls>Compress Numbers命令，弹出对话框中选择<All>选项，得到编号压缩的模型。
如图6所示。
图6完整的几何模型2网格划分（1）设置单元尺寸大小：执行Main Menu>Preprocessor>Meshing>Size Cntrls >ManualSize>Layers>Picked Lines选项，弹出以线来控制单元尺寸的对话框，选择要划分尺寸的线条，弹出<Element Sizes by Picked Lines>对话框，在对应线条划分数量的文本框中输入一个合适的数字，L1线划分为8段，L9线划分为15段，L10线划分为20段。
划分尺寸时应在巷道周围划分相对较小的单元，使巷道内外的网格更加密集，计算更加精确。
（2）自由划分网格：执行Main Menu >Preprocessor >Meshing >Mesh >Areas >Free命令，弹出一个拾取框。
拾取面积A1、A2、A3，单击OK，完成自由网格单元划分。
如图7所示图7 自由网格划分（3）保存网格数据：单击ANSYS TOOLBAL中的<Save_db>按钮。
3加载与初始地应力模拟3.1 设置分析类型（1）设置求解控制：执行Main Menu>Solution>.Analysis type>Solution controls 命令，弹出如图所示对话框，如图8设置求解控制。
图8 设置求解控制（2）设定求解方法：执行Main Menu>Solution>.Analysis type>Analysis option 命令，弹出<Statis or Steady analysis>对话框，在“NROPT(NEWTON－－-RAPHSON OPTION)”下拉列表中选择“FULL N—P”选项，单击OK，如图9所示。
Newton-Raphson是一种求解非线性方程组的数值方法，简称N-R法。
要运用单元生死，就要设定全牛顿-拉普森选项，才能有较好的效果。
图9 在静态与稳态分析对话框中设定全牛顿-拉普森选项3.2施加边界条件模型水平左右方向位移为零，底部为固定约束，垂直方向为自由滑动，上部边界受垂直地压力作用。
（1）横向X方向约束和底部全约束：执行Main Menu>Solution>Define Loads>Apply>Structural>Displacement>On Lines 命令，弹出一个拾取框。
拾取L10和L12，单击OK，弹出如图所示的<Apply U,Rot on Lines>对话框。
选择<UX>,并在“Value”中赋值0。
单击〈Apply〉再次拾取L9，单击OK，弹出如图10所示的<Apply U,Rot on Lines>对话框。
选择<All Dof>,并在“Value”中赋值0。
最后单击Ok。
图10 横向X方向约束（2）关键点约束：执行Main Menu>Preprocessor>Loads>DefineLoads>Apply >Structural>Displacement>On Keypoints命令，弹出一个拾取框。