内容提示：第三章隧道施工过程数值模拟方法与ansys实现

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　　摘 要 大型三维有限元分析软件Ansys在机械、土木等各个领域内应用广泛，不论是对梁、隧道等结构进行强度分析，还是对相关结构进行可靠性分析，Ansys分析软件都能处理好，本文以对土木中常用的梁结构为例，分析梁的强度，并对其进行可靠性分析。来阐述Ansys在隧道岩土中的应用方法。
　　关键词 Ansys 隧道 强度 可靠性
　　一、有限元软件ANSYS简介
　　ANSYS软件融流体、磁场、电场、声场、结构分析于一体的大型有限元分析软件。由美国ANSYS开发，ANSYS，INC成立于1970年，已成为世界上最大的有限分析软件公司之一，它能和大多数CAD软件实现良好接口，实现数据的交换和共享，如Pro/Engineer,Ug等。是产品设计所必需的高级CAE工具之一。
　　软件主要包括三个部分：前处理部分，分析计算部分和后处理部分。前处理部分提供给用户一个强大的实体建模和网格划分工具，用户能方便地依照图纸构造有限元二维或三维模型。分析计算部分囊括结构分析（可进行高度非线性分析、非线性分析及线性分析）、流体动力学分析、电压分析、电磁场分析、声场分析和多物理场的耦合分析，可用来模拟多种物理介质之间的相互作用，它具有高度的灵敏度分析与优化分析能力；后处理部分可将计算结果用彩色等值线显示、矢量显示、梯度显示、立体切片显示、粒子流迹显示、透明和半透明显示（可以看到结构的内部）等图形方式显示出来，也可选择将计算结果用图表、曲线形式显示或者输出。在Ansys分析软件中，用户有100种以上的单元类型选择，可以选择合适的单元类型来模拟工程中的各种结构与材料。该软件经历了多种不同的版本，适用范围宽广，运行在从个人机到大型机的大多数计算机设备上毫无问题，如PC，SGI，HP，SUN，DEC，IBM，CRAY等。目前最新版本的为ANSYS14版。
　　（一）前处理部分PREP7
　　双击实用菜单中的“Preprocessor”，进入ANSYS的前处理模块。这个模块主要有两部分内容：实体建模和网格划分。
　　ANSYS程序提供给用户两种实体建模方法：自顶向下及自底向上。
　　用户采用自顶向下进行实体建模时，用户需定义一个模型的最高级图元，例如棱柱、球等，此最高级图元称为基元，程序会自动定义相关的面、线和关键点。用户可以利用这些高级图元直接绘制几何模型，例如二维中的圆和矩形及三维中的块、球、锥与柱。无论用户选择使用自顶向下或是自底向上方式建模，用户都可以使用布尔运算用来组合数据集，从而“塑造”一个实体模型。ANSYS分析程序提供完整的布尔运算，相减、相加、相交、粘结及重叠等等。用户在创建复杂实体模型时，频繁对线、面、体、基元使用布尔操作能减少适量建模工作量。ANSYS分析程序还提供延伸、拖拉、旋转、移动、镜像及拷贝实体模型图元的诸多功能。其他的功能还囊括切线构造、圆弧构造、通过拖拉及旋转生成面和体、线和面的自动相交运算、自动倒角生成、用于网格划分的硬点的建立、移动、拷贝及删除。
　　用户采用自底向上进行实体建模时，用户需从最低级的图元向上构造模型，也就是：用户需要首先定义关键点，随后依次是相关的线、面、体。
　　Ansys程序可以使用相关功能对CAD模型进行高质量的网格划分。四种不同的网格划分方法为：延伸划分、映像划分、自由划分及自适应划分。使用延伸网格划分可以将一个二维网格延伸为一个三维网格。映像型网格划分准许用户将几何模型分解成几个简单的部分，然后用户选择合适的单元属性及网格控制，生成映像网格。使用ANSYS程序提供的自由网格划分器时，可对复杂模型进行直接划分，避免了用户对模型各个部分分别划分，再进行组装时模型各部分网格不匹配所带来的麻烦。而自适应网格划分则是在生成了有边界条件的实体模型之后，用户再指示程序自动地生成有限元网格，程序再分析及估计网格的离散误差，随后重新定义网格大小，再次分析计算及估计网格的离散误差，当误差低于用户自定义的值或者达到用户自定义的求解次数时，网格划分完毕。
　　在前处理阶段完成建模之后，用户可以在求解阶段获取分析结果。先保持前处理模型，在点击实用菜单项中的Solution，从而进入分析求解部分。在此阶段，用户可以定义分析选型、分析类型、载荷数据及载荷步选项，最终开始有限元求解。
　　4.有限元分析的后处理
　　有限元计算结果是大量数值数据，倘若直接打印出数据来分析其结果，很难分析出其结果正确与否，是否合理。例如对结构进行强度分析，计算得到一系列节点位移数值及应力数值，节点位移值可以用来分析结构变形，应力数值可以用来分析结构安全可靠性。问题在于，从海量数据中我们看不出结构变形情况及应力分布情况。故，对有限元分析计算结果进行再分析、再处理是必要的。
　　可以后处理部分分为数值处理与图形处理二类。数值处理是将不容易分析的数据结果转换为工程师所熟悉的形式，从而对其结果进行分析。图形处理是将数值结果绘成图形，更加直观明了，可读性更强。
　　数值处理包括：1）主应力计算及等效应力计算；2）应力修匀。
　　图形处理包括：1）变形图绘制；2）等值线图绘制；3）浓淡色彩图绘制；4）节点变量变化图绘制。
　　二、梁结构的有限元强度分析
　　梁的结构尺寸为：半径20mm，长度200mm。选取选择材料的杨氏弹性模量E=210000.泊松比为0.3.由于是静态强度分析，无旋转加速度，故材料的质量之类的性能参数不予设定。
　　选用SOLIDE185，6面体单元，使用Meshtool里的Sweep对梁划分规则的映射网格，规则的6面体网格求解精度更高，本文网格尺寸为5，共划分出4218个节点，3330个单元，其划分后的有限元模型如下：
　　图1：梁结构的有限元模型
　　（二）施加约束与载荷及求解
　　对梁二端施加全约束，在梁表面中心共施加50KN载荷力。点击SOLUTION求解，其结构结果如下图所示：
　　图2：梁结构的等效应力分布图
　　从图中可以看出，最大应力为177.824MPa，发生在2端的上表面处，梁沿中心向下弯曲，最大弯曲幅度为0.05mm。
　　我们计算梁的可靠度，选42CrMoA调质刚材料，材料的屈服强度为930MPa，循环次数时，材料的安全许用应力值为390MPa，假设强度与应力分布均服从正态分布，并取计算载荷离散系数K=0.1.故有：
　　从第五工况的计算云图只，其最大应力值为282MPa。故有：
　　根据联结方程计算可靠度系数：
　　查正态分布表可知可靠度为：
　　传统的平均安全系数有：
　　在可靠度R=0.999999条件下的安全系数为：
　　图3：梁结构的安全系数分布图
　　从图中可以看出红色区域为最安全的区域，蓝色部分为安全系数最小的部分，采用一定可靠度下的安全系数，较传统的安全系数值小，更加科学合理。
　　本文以一简单梁结构来分析结构的强度、可靠性。起一抛砖引玉的作用，在对桥梁、隧道等结构可以采用类似的方法，如果结构几何模型复杂，可以通过三维建模软件Pro/E建模，再导入Ansys中分析计算。
　　从本文的结果来看，此梁的最大应力值为177MPa,在可靠度为0.999999条件下的可靠度，数值为3.35.结构是安全可靠的，可以放心使用。
　　[1]施二铁,杨国锋.ANSYS在结构设计中的应用[J].机械与电子,-41.
　　[2]门楷,丘国雄,俞斌.ANSYS软件在中国土木工程领域的应用前景展望[J].中国建设信息,-67.