1、第 十 章/TITLE，3D analysis on shield tunnel in Metro ! 确定分析标题/NOPR !菜单过滤设置/PMETH，OFF，0KEYW， PR_SET，1 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/clear !更新数据库/prep7 !进入前处理器et,1,solid45 !设置单元类型et,2,mesh200,6save !保持数据（2）定义模
2、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,2,0.30mp,dens,2,2160mp,ex,3,500e6 !基岩地层参数mp,prxy,3,0.33mp,dens,3,2160!管片材料参数，管片衬砌按各向同性计算mp,ex,4,27.6e9 !管片衬砌弹性模量mp,prxy,4,0.2 !管片衬砌泊松比mp,dens,4,2500 !管片衬砌密度!注浆层，参数按水泥土取值mp,ex,5,1e9 !
3、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save !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。第 1 章 大型有限元软件 ANSYS 简介 2local,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 2.7cyl4,0,0,2.7,0,3,90 !画管片层部分圆cyl4,0,0,3,0,3.2,90 !画注浆层部分圆rect
4、ng,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save !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,2,6lesize,3,6 amesh,1 !对面 1 划分单元lesize,4,6 !对线设置单元数l
5、esize,8,2lesize,9,2amesh,2 !对面 2 划分单元lesize,5,6 !对线设置单元数lesize,10,1lesize,11,1amesh,3 !对面 3 划分单元lesize,12,3 !对线设置单元数lesize,13,3lesize,6,3lesize,7,3lesize,14,8,2lesize,16,8,0.5amap,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save !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
6、 !以 y 轴为对称轴进行镜像操作nummrg,all !合并所有元素第 1 章 大型有限元软件 ANSYS 简介 3numcmp,all !压缩所有元素编号allsel,all !选择所有元素save !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,29,5,0.5lesize,30,5,2lesize,32,5,0.5lesize,31,8
7、,2amesh,11 !对面 11 和 12 划分单元amesh,12save !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,4.5,31.5,4.5,15lesize,34,3 !对线设置单元数lesize,35,4lesize,33,4lesize,36,4lesize,37,8,0.5amesh,13 !对面 13 和 14 划分单元amesh,14nummrg,all !合并所有元素numcmp,all !压缩所有元素编号save !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。
8、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k,0,0,-3*i !每次增加 3m（纵向）*enddo!沿着这些点建立线，便于后来体的拉伸第 1 章 大型有限元软件 ANSYS 简介 4l,3,38 !根据关键点生成线*do,i,1,19l,37+i,38+i !通过关键点号循环增加生成
9、线*enddo*do,i,1,20 lesize,64+i,1 !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 45mat,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 200csys,12*do,i,1,20asel,s,loc,z,-3*(i-1) !选择拉伸的面vdrag,all,64+i !进行拉伸*enddoallsel,all !选择所有元素nummrg,all !合并所有元素numcmp,all !压缩所有元素
10、编号allsel,all !选择所有元素save !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。第 1 章 大型有限元软件 ANSYS 简介 5Finish !返回上一次主
11、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nsubst,10 !指定荷载子步nlgeom,on !指定大变形nropt,full !指定 newton-lapnace 迭代pred,on !启用非线性求解预测器lnsrch,on !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,-31.5 !选择节点d,all,ux !施加 X 方向约束nsel,s,loc,x,31.5 !
12、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,-60d,all,uz !施加 Z 方向约束allsel,allacel,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。/POST1 !进入后处理器PLNSOL,S,Y,0,1 !SY
13、应力图如图 10-8 所示PLNSOL,U,Y,0,1 !UY 位移图如图 10-9 所示第 1 章 大型有限元软件 ANSYS 简介 610.2.2 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,-1vsel,s,loc,x,0,3.2 !选择
14、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,-3SFA,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,-2.9SFA,all,1,PRES,0.15e6 !施加注浆压力allsel,all !选择所有元素solve !求解save !存储数据库finish !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ant
15、ype,rest !重新启动time,3 !第三次计算AUTOTS,1DELTIM,0.1,0.001,0.2,1csys,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,-3eslv,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,-3eslv,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 !选择体第 1 章 大型有限元软件 ANSYS 简介 7vsel,r,loc,z,0,-3es
16、lv,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,-3SFA,all,1,PRES,0.3e6 !在面上施加压力asel,s,loc,x,3.2asel,r,loc,z,0,-2.9SFA,all,1,PRES,0 !取消注浆压力allsel,all !选择所有元素solve !求解save !保存数据库finish !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。!*
17、 *Constr1.mac*time,2*stepAUTOTS,1DELTIM,0.1,0.001,0.2,1csys,12wpcsys,-1vsel,s,loc,x,0,2vsel,r,loc,z,0,-3*(step-1)eslv,sekill,allvsel,s,loc,x,2,2.3vsel,r,loc,z,0,-3*(step-1)eslv,smpchg,4,allvsel,s,loc,x,2.3,2.7vsel,r,loc,z,0,-3*(step-1)eslv,smpchg,5,allvsel,s,loc,x,0,3.2vsel,r,loc,z,-3*(step-1),-3*st
18、epeslv,sekill,allasel,s,loc,x,0,3.19asel,r,loc,z,-3*(step-1)SFA,all,1,PRES,0e6asel,s,loc,x,0,3.19asel,r,loc,z,-3*step第 1 章 大型有限元软件 ANSYS 简介 8SFA,all,1,PRES,0.3e6asel,s,loc,x,3.2asel,r,loc,z,-3*(step-1)-0.1,-3*step+0.1SFA,all,1,PRES,0.15e6allsel,allsolve 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
19、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+1AUTOTS,1DELTIM,0.1,0.001,0.2,1csys,12wpcsys,-1vsel,s,loc,x,0,2vsel,r,loc,z,0,-3*stepeslv,sekill,allvsel,s,loc,x,2,2.3vsel,r,loc,z,0,-3*stepeslv,smpchg,4,allvsel,s,loc,x,2.3,2.7vsel,r,loc,z,0,-3*stepeslv,smpchg,5,allasel,s,loc,x,0,3.19asel
20、,r,loc,z,-3*stepSFA,all,1,PRES,0.3e6asel,s,loc,x,3.2asel,r,loc,z,-3*(step-1)-0.1,-3*step+0.1SFA,all,1,PRES,0allsel,allsolve save3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。/soluantype,reststep=2Constr1.mac/soluantype,rest第 1 章 大型有限元软件 ANSYS 简介 9step=2Constr2.mac（2）第 3 步开挖模拟分析。/soluanty
21、pe,reststep=3Constr1.mac/soluantype,reststep=3Constr2.mac（3）第 4 步开挖模拟分析。/soluantype,reststep=4Constr1.mac/soluantype,reststep=4Constr2.mac（4）第 5 步开挖模拟分析。/soluantype,reststep=5Constr1.mac/soluantype,reststep=5Constr2.mac（5）第 6 步开挖模拟分析。/soluantype,reststep=6Constr1.mac/soluantype,reststep=6Constr2.mac
22、（6）第 7 步开挖模拟分析。/soluantype,reststep=7Constr1.mac/soluantype,reststep=7第 1 章 大型有限元软件 ANSYS 简介 10Constr2.mac（7）第 8 步开挖模拟分析。/soluantype,reststep=8Constr1.mac/soluantype,reststep=8Constr2.mac（8）第 9 步开挖模拟分析。/soluantype,reststep=9Constr1.mac/soluantype,reststep=9Constr2.mac（9）第 10 步开挖模拟分析。/soluantype,rest
23、step=10Constr1.mac/soluantype,reststep=10Constr2.mac（10）第 11 步开挖模拟分析。/soluantype,reststep=11Constr1.mac/soluantype,reststep=11Constr2.mac（11）第 12 步开挖模拟分析。/soluantype,reststep=12Constr1.mac/soluantype,reststep=12Constr2.mac第 1 章 大型有限元软件 ANSYS 简介 11（12）第 13 步开挖模拟分析。/soluantype,reststep=13time,2*stepAU
24、TOTS,1DELTIM,0.1,0.001,0.2,1csys,12wpcsys,-1vsel,s,loc,x,0,2vsel,r,loc,z,0,-3*(step-1)eslv,sekill,allvsel,s,loc,x,2,2.3vsel,r,loc,z,0,-3*(step-1)eslv,smpchg,4,allvsel,s,loc,x,2.3,2.7vsel,r,loc,z,0,-3*(step-1)eslv,smpchg,5,allvsel,s,loc,x,0,3.2vsel,r,loc,z,-3*(step-1),-60eslv,sekill,allasel,s,loc,x,0
25、,3.19asel,r,loc,z,-3*(step-1)SFA,all,1,PRES,0e6asel,s,loc,x,3.2asel,r,loc,z,-3*(step-1)-0.1,-60SFA,all,1,PRES,0.15e6allsel,allsolve save !以上为开挖中的第一个计算步/soluantype,reststep=13time,2*step+1AUTOTS,1DELTIM,0.1,0.001,0.2,1csys,12wpcsys,-1vsel,s,loc,x,0,2vsel,r,loc,z,0,-60eslv,sekill,all第 1 章 大型有限元软件 ANSY
26、S 简介 12vsel,s,loc,x,2,2.3vsel,r,loc,z,0,-60eslv,smpchg,4,allvsel,s,loc,x,2.3,2.7vsel,r,loc,z,0,-60eslv,smpchg,5,allasel,s,loc,x,3.2asel,r,loc,z,-3*(step-1)-0.1,-60SFA,all,1,PRES,0allsel,allsolve 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。11地层位移分析!*loadcase.mac*/PO
27、ST1 !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 1LCDEF,2,3, , !将第 3 个计算步的结果定义为荷载工况 2LCASE,2, !读入荷载工况 2LCOPER,SUB,1, , , !将荷载工况 2 减去荷载工况 1ESEL,S,LIVE !选择活状态下的单元PLNSOL,U,Y,0,1 !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,0WPCSYS,-1NSEL,S,LOC,Y,15 !选择地表节点ESLN,S !选择附在节点上的单元EPLOT PLNSOL,U,Y,0,1第 1 章 大型有限元软件 ANSYS 简介 133管片结构受力分析VSEL,S,LOC,X,2.3,2.7VSEL,R,LOC,Z,0,-3ESLV,S !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
