ANSYS三维地应力场数值模拟方法应用研究.pdf

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1、第l9卷第2期地质力学学报V0l_19NO．22013年6月JOURNALOFGEOMECHANICSJun．2013文章编号：1006~616(2013)02-0133-10ANSYS三维地应力场数值模拟方法应用研究刘爱华，杨清，吴均平(中南大学资源与安全工程学院，长沙410083)摘要：初始地应力场由自重应力场和构造应力场叠加而成，是深部地下工程分析必须考虑的重要因素。针对目前常用的三维地应力场数值模拟方法在维持地应力场分布规律和避免附加位移方面存在的缺陷，进行了ANSYS地应力场模拟方法的比较研究。用java语言编写了针对不同ANSYS版本的初始

2、应力文件合并程序，提出了高版本ANSYS初始应力文件合并的EXCEL简易方法，实现了不需编写任何其他程序、对所有类型单元通用的ANSYS初始应力平衡等效节点反力法，构建了一套实用的ANSYS三维地应力场模拟方法流程。关键词：初始地应力场；ANSYS；文件合并法；地应力平衡中图分类号：TU459．4文献标识码：A0引言地应力主要由自重应力和构造应力叠加而成，是引起地下工程变形和破坏的根本作用力。初始地应力场对地下洞室、矿山巷道和采场的围岩应力、位移分布及破坏形式都有十分重要的影响。在工程实例的数值模拟与分析中必须解决2个基本问题，一是合理地得到建模区域内

3、的地应力场，二是将确定的地应力场准确地施加于有限元模型上进行计算分析。ANSYS大型通用有限元软件被广泛用于地下工程分析。然而，目前在地应力场的设置和模拟方面普遍存在如下3类问题：①只考虑了自重应力场，没有考虑构造应力场；②虽然同时考虑了自重应力场和构造应力场，但是模拟出的地应力场分布规律不正确；③能够模拟出分布规律正确的地应力场，但在该过程中导致了初始位移，又难以消除其影响。本文针对以上ANSYS地应力场模拟中存在的问题，以既要生成符合分布规律的地应力场，又要避免附加位移影响的地应力场模拟原则，比较借鉴了现有有限元软件地应力场构造方法和地应力平衡方法

4、，编写了合成初始应力文件的java程序，提出了高版本ANSYS地应力文件合并的ExcelCVS文件简易方法和地应力平衡简易方法，研究提出一整套从模拟到施加的ANSYS三维地应力场数值模拟实用流程。收稿日期：2012．1l-21基金项目：国家重点基础研究发展计划项目(2010CB732004)作者简介：刘爱华(1963-)，男，博士，教授，从事矿山开采技术与安全管理领域的教学与研究。E．mail：alexliu@163．COB通讯作者：杨清(1989-)，男，中南大学硕士研究生，专业方向地下矿山安全。E-mail：675032836@qq．com134地

5、质力学学报1构造初始地应力场的方法=0．74+0．014H1=2．76+0．028H}(1)=1．83+0．017日J图1地应力计算模型Fig．1In—situstTesscalculationmodel图1所示的计算模型虽然能够满足静力平衡，但会导致刚体位移，无法在ANSYS中求解，因此必须施加必要约束。通常采用图2所示三向荷载简支模型，即在模型上底面施加竖向应力，下底面施加Y方向的零位移约束；模型方向，一面施加梯形最大水平应力，另一面施加方向的零位移约束；模型方向，一面施加梯形最小水平应力，另一面施加方向的零位移约束；整个模型施加重力加速度。1．3

6、典型地应力模拟方法存在的问题为了便于比较，本文中的测试模型尺寸均为100m×100m×100m。其他参数参考开阳第2期刘爱华等：ANSYS三维地应力场数值模拟方法应用研究1413ANSYS三维地应力场模拟流程综合前述内容，最后整理出一套实用的ANSYS三维地应力场模拟方法，即先分别计算、Y、方向地应力，输出初始应力文件Sx．ist、sY．ist、Sz．ist，然后利用java程序或EXCEL合成初始应力文件SXYZ．ist，再利用等效节点反力平衡法达到地应力平衡，流程如图9所示。地应力实测资料分布公式分布公式分布公式向地应斯算模型向地应州计算模向地应力

7、I计算模型最小主应力文上图9ANSYS三维地应力场模拟流程Fig．9ANSYSthree—dimensionalin—situstressfieldsimulationprocess4结论比较了不同地应力场构造方法，结果表明使用初始应力文件合并法能获得较好的效果。比较了不同ANSYS版本下初始地应力相关命令、初始地应力文件格式的不同，针对不同ANSYS版本分别编写了相应的将3个初始应力文件合并成1个初始应力文件的java程序，提出了ANSYS11．0及以后版本下初始应力文件合并的EXCEL简易方法。实现了不需编写任何程序、对所有类型单元通用的ANSYS

8、初始应力平衡等效节点反力法，并总结了一套实用的ANSYS三维地应力场模拟方法流程。参考文献[1