4.4 基于ANSYS Workbench平台挡土结构仿真模拟实现过程_ANSYS Products有限元软件及其在水利水电工程中仿真应用-QQ阅读男生都市网

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4.4 基于ANSYS Workbench平台挡土结构仿真模拟实现过程

4.4.1 基于ANSYS Workbench网格模型建立

（1）启动仿真程序：单击windows桌面开始→所有程序→ANSYS 12.1→Workbench命令，启动ANSYS Workbench，双击Toolbox→Analysis Systems→Structural Analysis（ANSYS）命令，创建模拟文件并将Structural Analysis （ANSYS）重命名为Structural Analysis of Retaining wall，单击“保存”按钮将仿真文件保存，其名称为Structural Analysis of Retaining wall.wbpj。

（2）设置仿真材料：双击仿真导航中第一项，在Outline Filter中双击Engineering Data，进入Outline of schematic A2：Engineering Data中，右击Contents of Engineering Data中材料Structural Steel，选择Delete，即删除系统默认的Structural Steel；返回Outline Filter选项窗口，双击General Materials，进入Outline of General Materials，单击Contents of General materi als材料列表中Concrete右侧的添加按钮（），将名称为Concrete（混凝土）添加为本算例的仿真材料，单击Workbech主菜单中Return toproject返回主视图窗口。

（3）导入仿真几何模型：右击Geometry选择Inport Geometry→Browse…，弹出打开几何模型的选择导入对话框，浏览选择Structural Analysis of Retaining wall.prt，单击“打开”按钮，导入仿真模型。

（4）进入网格划分平台并对模型进行网格划分：双击仿真导航中第四项进入A：Structural Analysis of Retaining wall-Mechical ［ANSYS Multiphysics］对几何模型进行网格划分。默认导入后几何模型的名称、默认系统坐标系，由于在之前材料属性设置过程中将默认的材料删除，添加了新的材料，目前仿真过程中只有一种材料，所以在进入仿真后仿真材料保持默认设置即可。

网格划分控制设置并划分网格：右击Project→Model（A3）→Mesh选择Insert→Sizing命令，单击主菜单选择体将选择模式改为选择体，进入视图窗口，右击视图窗口选择Select All，如图4.10所示，选择模型（也可以点选视图中模型），回到设置选项框，单击Details of “Body Sizing”-Sizing中Geometry之后的Apply，设置Type为Element Size，并输入Element Size为0.4，如图4.11所示，并将网格控制选项Body Sizing命名为Structural Analysis of Retaining Wall，设置其余各项为默认。

图4.10 网格划分控制体选择设置

右击Outline→project→Model（A4）→Mesh命令，单击“Update”按钮启动网格划分程序，如图4.12所示，划分结束后，网格模型如图4.13所示，网格统计信息：节点数为105826个，单元数为506275个。

图4.11 网格划分控制参数设置

图4.12 启动网格划分程序

图4.13 网格模型

4.4.2 设置求解边界

（1）求解模型设置：同样进入A：Structural Analysis of Retaining wall-Mechical ［ANSYS Multiphysics］平台，设置内容包括分析环境设置（保持默认）和添加边界。

分析环境设置。此例该项保持默认，单击Analysis Settings查看Details of“Analysis Settings”设置，如图4.14所示。

（2）添加边界。本例边界包括：重力加速度、土压力、水压力和固定约束。添加重力加速度的方法：右击Outline→project→Model（A4）→Static Structural （A5）命令，选择Standard Earth Gravity，并可以添加重力加速度，将加速度方向设置为-Z方向，详细设置如图4.15所示。

图4.14 分析环境设置

图4.15 添加重力加速度

添加水压力。根据案例物理模型假设可知，算例中受到水压力作用的仅为模型的下部重力式挡土墙结构，，本例地下水密度取1000 kg/m³ ，水压高度为15 m，设置过程：右击Outline→project→Model（A4）→Static Structural （A5）→Insert命令，选择Hydrostatic Pressure，如图4.16所示，并默认其名称，单击进入Details of “Hydrostatic Pressure”设置窗口进行相关设置，设置Scope项中Scoping Method为Geometry Selection，单击选择重力坝是挡土墙与岩土接触的面，单击Geometry之后的“Apply”按钮确定水压力受力面；将Definition项Type项默认为Hydrostatic Pressure，Coordinate System项的下拉列表框中选择为Global Coordinate System，在Fluid Density右侧输入框中输入1000，即设定地下水密度为1000kg/m³；设置Hydrostatic Pressure项，Define By项的下拉列表框中选择为Vector，在Magnitude右侧输入框中输入为9.8066，即设置水压力作用中g（重力加速度），并单击Direction右侧Click to change作用力方向，选择受力面，返回单击Direction右侧“Apply”按钮即可；设置Free Surfer Location项，在X Coordinate、Y Coordinate和Z Coordinate右侧的输入框中分别输入0、0和15，并完成自由面的位置设置，具体设置如图4.17所示。设置结束后重力挡土墙中间直墙部分受力的设置示意图如图4.18所示。

按照同样的方法，可以添加两端拐角处重力式挡土墙的地下水压力边界，添加后左侧和右侧示意图如图4.19和图4.20所示，并将名称设置为Hydrostatic Pressure2和Hydrostatic Pressure3。

图4.16 添加水压力

图4.17 添加水压力并设置水压力数值和自由面位置

图4.18 直墙段地下水压力边界示意图

添加土压力。所受的土压力为主动土压力，由于假设整个挡土墙结构处于完全没有侧向位移、偏转和自身弯曲变形状态，土压力为静止土压力，设置简图如图4.21所示。

底部受到土压力为计算公式为σ=K₀γh，式中K₀为土的侧压力系数或静止土压力系数，本例取0.8，γ为墙后填岩土重度，本例取岩土的干密度为1700kg/m³计算。由于仿真平台没有直接定义土压力的方法，由于静止土压力与水压力的公式有很强的相似性，可以按照水压力的添加方式来添加静止土压力，设置过程：同样单击Outline→project→Model（A4）→Static Structural （A5）→Insert命令，选择Hydrostatic Pressure，将其更名为tu-Pressure1并单击，进入Details of “tu-Pressure1”设置窗口进行相关设置，设置Scope项中Scoping Method为Geometry Selection，单击选择重力坝是挡土墙与岩土接触的面，单击Geometry之后的“Apply”按钮确定水压力受力面；将Definition项Type项默认为Hydrostatic Pressure，Coordinate System项的下拉列表框中选择为Global Coordinate System，在Fluid Density右侧输入框中输入1700，即设填岩土密度为1700kg/m³；设置Hydrostatic Pressure项，Define By项的下拉列表框中选择为Vector，在Magnitude右侧输入框中输入为12.26（可以通过水压与土压力公式进行推算），并单击Direction右侧Click to change作用力方向，选择受力面，返回单击Direction右侧“Apply”按钮即可；设置Free Surfer Location项，在X Coordinate、Y Coordinate和Z Coordinate右侧的输入框中分别输入0、0和35，并完成自由面的位置设置，具体设置如图4.22所示。设置结束后重力挡土墙中间直墙部分受力的设置示意图如图4.23和图4.24所示。

图4.19 左侧地下水压力边界示意图

图4.20 右侧地下水压力边界示意图

图4.21 墙被为竖直情况下的土压力示意图

图4.22 直墙段地下土压力边界示意图

图4.23 左侧地下土压力边界示意图

图4.24 右侧地下水压力边界示意图

添加固定约束。将挡土结构底部面设置为固定约束，操作方法：右击Outline→project→Model（A4）→Static Structural （A5）→Insert命令，选择Fixed Support，进入Details of “Fixed Support”，单击选择挡土结构底部面，单击“Apply”按钮，确定固定边界，如图4.25所示。