ANSYS-APDL的实例学习

/TITLE，3D analysis on shield tunnel in Metro  ! 确定分析标题

/    菜单过滤设置

/PMETH，OFF，0

KEYW，PR_SET，

KEYW，PR_STRUC，1   保留结构分析部分菜单

/COM，

/COM，Preferences for GUI filtering have been set to display:

/COM，  Structural  

1．材料、实常数和单元类型定义

/ !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

s  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

m 管片衬砌弹性模量

mp,prxy,4,0.2  管片衬砌泊松比

mp,dens,4,2 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

s 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

c 画管片层部分圆

c 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

s 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Mesh 200进行平面内的单元划分

lesize,1,,,6  对线设置单元数

lesize,2,,,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

s 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

s 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

s 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

s 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

 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

 i 通过关键点号循环增加生成线

*enddo

*do,i,1,20

   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Solid 45

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Mesh 200

csys,12

*do,i,1,20

   选择拉伸的面

 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

s 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  掘进过程三维仿真分析

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。

F 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

n 指定荷载子步

n 指定大变形

n 指定newton-lapnace迭代

p 启用非线性求解预测器

l 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 选择节点

d,all,ux  施加X方向约束

nsel,s,loc,x,31 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。

/ 进入后处理器

PLNSOL,S,Y,0,1  应力图如图10-8所示

PLNSOL,U,Y,0,1  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

s  求解

save  存储数据库

f 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

s  求解

save  保存数据库

f 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

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

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。

/solu

antype,,rest

step=12

Constr1.mac

/solu

antype,,rest

step=12

Constr2.mac

（12）第13步开挖模拟分析。

/solu

antype,,rest

step=13

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),-60

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,3.2

asel,r,loc,z,-3*(step-1)-0.1,-60

SFA,all,1,PRES,0.15e6

allsel,all

save 以上为开挖中的第一个计算步

/solu

antype,,rest

step=13

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,-60

eslv,s

ekill,all

vsel,s,loc,x,2,2.3

vsel,r,loc,z,0,-60

eslv,s

mpchg,4,all

vsel,s,loc,x,2.3,2.7

vsel,r,loc,z,0,-60

eslv,s

mpchg,5,all

asel,s,loc,x,3.2

asel,r,loc,z,-3*(step-1)-0.1,-60

SFA,all,1,PRES,0

allsel,all

save 以上为开挖中的第二个计算步

10.3  计算结果分析

本节主要从地层位移、地表沉降和管片结构内力随盾构隧道掘进施工过程的变化进行了详细的分析。

1．1．地层位移分析

!****************************************loadcase.mac**************************

/POST1  进入后处理器

LCDEF,1,1, ,    将第1个计算步结果定义为荷载工况1

LCDEF,2,3, ,    将第3个计算步的结果定义为荷载工况2

LCASE,2,   读入荷载工况2

LCOPER,SUB,1, , ,   将荷载工况2减去荷载工况1

E !选择活状态下的单元

P !绘制节点结果，Y方向位移图如图10-10所示

2．地表沉降分析

同样，利用loadcase.mac中的命令流还可以得到地表沉降。运行了该文件后，执行下面的命令：

CSYS,0

WPCSYS,-1

NSEL,S,LOC,Y,15  选择地表节点

ESLN,S   选择附在节点上的单元

PLNSOL,U,Y,0,1

3．管片结构受力分析

VSEL,S,LOC,X,2.3,2.7

VSEL,R,LOC,Z,0,-3

E选取第1环管片

SET,3,LAST,1, 读入第3个计算步（对应于第1个开挖步结束）

PLNSOL,S,EQV,0,1