5.2 基于ANSYS平台水工隧洞施工过程模拟

5.2.1 ANSYS单元生死

1.单元生死的定义

如果模型中加入或删除材料，则对应模型中的单元就存在或消失，ANSYS把这种单元存在与消失的情形定义为单元生死。单元的生死选项就用于这种情况下杀死或重新激活所选择的单元。单元生死功能主要用于开挖分析（如边坡开挖、水工隧道开挖等）建筑物施工过程（如水工隧洞衬砌）、顺序组装（如封层计算机的组装），以及其他方面的应用。

需要提醒注意的是，ANSYS单元的生死功能只适用于ANSYS/Multiphysics，ANSYS/Mechanical和ANSYS/Structure产品。此外，并非所有的ANSYS单元具有生死功能，有生死功能的单元如表5.3所示。

在一些情况下，单元的生死状态可以根据ANSYS的计算数值决定，如温度，应力，应变等。可以用ETABLE命令（Main Menu→General Postproc→Element Table→Define Table）和ESEL命令（Utility Menu→Select→Entities）来确定选择的单元的相关数据，也可以改变单元的状态（溶和、固结、俘获等）。本过程对于由相变引起的模型效应（如焊接过程中原不生效的熔融材料变为生效的模型体的一部分），失效扩展和另外一些分析过程中的单元变化是有效的。

2.单元生死的原理

要激活“单元死”的效果，ANSYS程序并不是将“杀死”的单元从模型中删除，而是将其刚度（或传导，或其他分析特性）矩阵乘以一个很小的因子［ESTIF］。因子默认值为1.0E-6，可以赋为其他数值。死单元的单元荷载将为0，从而不对荷载向量生效（但仍然在单元荷载的列表中出现）。同样，死单元的质量，阻尼，比热和其他类似效果也设为0值。死单元的质量和能量将不包括在模型求解结果中。单元的应变在“杀死”的同时也将设为0。

与上面的过程相似，如果单元“出生”，并不是将其加到模型中，而是重新激活它们。用户必须在PREP7 中生成所有单元，包括后面要被激活的单元。在求解器中不能生成新的单元。要“加入”一个单元，先杀死它，然后在合适的荷载步中重新激活它。

当一个单元被重新激活时，其刚度，质量，单元荷载等将恢复其原始的数值。重新激活的单元没有应变记录（也无热量存储等）。但是，初应变以实参形式输入（如LINK1 单元）的不为单元生死选项所影响。而且，除非是打开了大变形选项［NLGEOM，ON］，一些单元类型将以它们以前的几何特性恢复（大变形效果有时用来得到合理的结果）。单元在被激活后第一个求解过程中同样可以有热应变［等于a*（T-TREF）］，如果其承受热量体荷载。

3.单元生死的使用

可以在大多数静态和非线性瞬态分析中使用单元生死，其基本过程与相应的分析过程是一致的。对于其他分析来说，这一过程主要包括以下3步：

（1）建模模型。在PREP7 中，生成所有单元，包括那些只有在以后荷载步中才激活的单元。在PREP7外不能生成新的单元。

（2）施加荷载并求解。在SOLUTION中完成以下操作：

1）定义第一个荷载步：在第一个荷载步中，用户必须选择分析类型和所有的分析选项。用下列方法指定分析类型：命令方式：ANTYPE。GUI方式：Main Menu→Solution→Analysis Type-New Analysis。其中在结构分析中，大变形效果应打开。用下列命令设置该选项：命令方式：NLGEOM，ON；GUI：Main Menu→Solution→Analysis Options。对于所有单元生死应用，在第一个荷载步中应设置牛顿-拉夫森选项，因为程序不能预知EKILL命令出现在后面的荷载步中。用下列命令完成该操作，命令方式：NROPT；GUI：Main Menu→Solution→Analysis Options

2）杀死［EKILL］ 单元：所有要加入到后续荷载步中的单元，用下列命令：命令方式：EKILL；

GUI:Main Menu→Solution→-Load Step Opts-Other→Kill Elements

单元在荷载步的第一个子步被杀死（或激活），然后在整个荷载步中保持该状态。要注意保证使用默认的矩阵缩减因子不会引起一些问题。有些情况下要考虑用严格的缩减因子。下列方法指定缩减因子数值：

命令方式：ESTIF；GUI：Main Menu→Solution→Other→StiffnessMult

不与任何激活的单元相连的节点将“漂移”，或具有浮动的自由度数值。在一些情况下，用户可能想约束不被激活的自由度（D，CP等）以减少要求解的方程的数目，并防止出现位置错误。约束非激活自由度，在重新激活的单元要有特定的（或温度等）时很有影响，因为在重新激活单元时要删除这些人为的约束。同时要删除非激活自由度的节点荷载（也就是不与任意激活的单元相连的节点）。同样，用户必须在重新激活在自由度上施加的新节点荷载。

下面是第一个荷载步中命令输入示例：

请参阅TIME，NLGEOM，NROPT，ESTIF，ESEL，EKILL，NSLE，NSEL，D，F，SF和BF命令得到更详细的解释。

3）求解第一个荷载步，并保存计算结果。

4）定义后继荷载步。在后继荷载步中，用户可以随意杀死或重新激活单元。像上面提到的，要正确的施加和删除约束和节点荷载。

5）重新激活单元，求解并保存计算结果。用下列命令重新激活单元：命令方式：单击EALIVE；GUI：Main Menu→Solution→Load Step Opts-Other→Activate Elem命令，激活单元后，求解，保存计算结果，命令流操作过程如下：

！第二个（或后继）荷载步：

（请参阅TIME，ESEL，EKILL，EALIVE，FDELE，D，F和DDELE命令得到更详细的解释。）

（3） 查看结果。对于大多数部分来说，用户在对包含不激活或重新激活的单元操作时应按照标准的过程来做。但是必须清楚的是，“杀死”的单元仍在模型中，尽管对刚度（传导）矩阵的贡献可以忽略。因此，它们将包括在单元显示，输出列表等操作中。例如，不激活的单元在节点结果平均（PLNSOL命令或Main Menu→General Postproc→Plot Results→Nodal Solu）时将“污染”结果。整个不激活单元的输出应当被忽略，因为很多项带来的效果都很小。建议在单元显示和其他后处理操作前用选择功能将不激活的单元选出选择集。

（4）生死单元使用提示。

1）不活动的自由度上不能施加约束方程［CE，CEINTF等］。（不活动的自由度当节点不与活动的单元相连时出现）。

2）可以通过先杀死然后重新激活单元的方法做应力松弛（如退火）操作。

3）在非线性分析中，注意不要因为杀死或重新激活单元引起奇异性（如结构分析中的尖角）或刚度突变。这将使得收敛困难。

4）如果模型完全是线性的，也就是说除了生死单元，模型不存在接触单元或其他非线性单元且材料是线性的，则ANSYS就采用线性分析，因此不会采用ANSYS默认的（SOLCONTROL，ON）非线性求解器。

5.2.2 初始地应力的模拟方法

在模拟隧洞施工过程中，初始地应力模拟是很重要的。在ANSYS中，可以有两种方法实现初始地应力的模拟。

（1）只考虑岩体自重应力，忽略其构造应力，在分析的第（1）步时，首先计算岩体的自重应力场。这种方法简单方便，只需给出岩体的各项参数即可计算。缺点是计算出来的应力场与实际应力场有偏差，并且岩体在自重作用下还产生了初始位移，在继续分析后续施工时，得到的位移结果是累加了初始位移的结果，而现实中初始位移早就结束，对隧洞的开挖没有影响，因此在后面的每个施工阶段分析位移场时，必须减去初始位移场。

（2）采用读入初始位移应力文件的方法。在进行结构分析模拟时，ANSYS中可以使用读入初始应力文件来把初始应力定义。