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水工隧洞施工及运行的ANSYS模拟
4.1 数值模拟对象 4.2 有限元建模
4.2.1 4.2.2 4.2.3 4.2.4
单元定义和材料定义 实体建模 网格划分
边界条件和初始条件
4.3 水工隧洞施工过程模拟
4.3.1 4.3.2 4.3.3 4.3.4
初始状态模拟 毛洞开挖工况模拟 毛洞支护工况模拟 计算结果查看及处理
4.4 水工隧洞运行期模拟
4.4.1 4.4.2
运行期内水压力的模拟 运行期外水压力的模拟
水工隧洞施工及运行的ANSYS模拟
由于ANSYS在水利工程中应用面广，可以广泛用于水利工程的各个专业领域中，包括水工隧洞、地下厂房、高边坡、重力坝、拱坝、截流堰等水工结构；水轮机组的动力分析；水文预测以及高速水力学等。基于对ANSYS基本操作的进一步熟悉，并建立对水工结构ANSYS分析的概念，本章以一个典型水工隧洞的开挖过程为例，简单介绍ANSYS在水利工程中的应用，并以此作为初学者的入门实例。
2.1 数值模拟对象
对于实际工程而言，对所要数值模拟对象的熟悉程度是进行有效的ANSYS建模和正确进行有限元分析的基础，熟悉的内容主要包括：研究对象地形地质条件（不同的地质分层、断层、节理、裂隙等）、地层及结构的物理力学参数（如果涉及到渗流分析或温度分析，则还需要水力学参数和热力学参数等）、纵横剖面、水文条件以及荷载条件等，以及工程的施工工法，工序安排等，从而为有限元的建模提供前提条件。
需要注意的是，作为有限元数值模拟，只是对实际工程的高度近似，换句话说，不可能达到百分之百的相同。因此，对实际工程需要进行一定的简化，否则是无法、也不可能进行数值模拟的。
隧洞内径6m，衬砌厚40cm100m100m 图4-1 水工隧道的简单实例
问题描述：以一个简单隧洞为例，隧洞内径6m，衬砌厚40cm，地层均质，隧洞进行全断面开挖，开挖后进行一次性衬砌支护。
问题抽象：从描述中可以分析，分析为平面应变问题，问题中涉及两种材料（岩石和混凝土衬砌），研究区域根据一定的规则选取为100m×100m（在后面的章节中进行介绍）矩形区域，工程分析过程分为3步，即初始状态>毛洞开挖>支护。
2.2 有限元建模
启动ANSYS Product Laucher，定义好工作目录和文件名称。建议不同的工程建立不同的工作目录，文件名称尽量取与工程名称相关且最好包含日期信息，以便日后对计算过程的回顾和再利用。如目录取为Shuigong，文件名取为Tunnel060824，如图4-2。然后运行Run（如目录不存在，则会弹出对话框提示，直接点击确定，则在相应位置新建，若已存在，则点击Browse去选取，文件名同样如此），进入ANSYS主操作界面。
图4-2 工作目录和文件名的定义
2.2.1 单元定义和材料定义
1．单元定义
从前面分析中可以看出，本次分析为平面应变问题，单元形式为平面应变单元。则单元的定义过程如下：
（1） 进入前处理状态Preprocessor（在完成网格划分前都不用退出前处理
器）；
（2） 点击Element Type>Add/edit/delet，弹出Element Type对话框（图
4-3）。
图4-3 Element Type对话框
图4-4 Element Type对话框
（3） 点击增加单元按钮Add，弹出单元类型库对话框Library of Element
Type（图4-4）。
（4） 在左侧A框中选择Solid，对应在左侧B框中选择Quad 4node 42
类型，即为平面四边形单元，单元编号默认为1，点击Ok退出，则在Element Type对话框中显示已定义的单元Plane42（图4-5）。
图4-5 平面单元的选取
图4-6 已定义的平面单元Plane42
（5） 平面应变的定义。一般来说，Plane42默认为平面应力单元，因此需
要对其进行修改。点击图4-6中选项按钮Options…，弹出对话框（图4-7），在A框K3的下拉菜单中选择Plane stain项，在B框K5项选择Integration pts，点击Ok确定，退出到图4-6状态。