ANYSIS软件在地下结构中的应用

邓明扬

摘要：地下结构泛指在地下修筑的各种结构物。地下结构和地面结构（如房屋、桥梁、水坝等）一样，都是一种结构体系，但两者之间在工作环境、力学作用机理等方面都存在着较大的区别。地下结构是处在复杂地质中的结构物，要对其进行研究，必须抽象出一些既符合实际又便于分析计算的力学模型。Anysis 软件在力学分析中起着重大的作用，现已被设计人员广泛采用，节省了大量的时间，提高了计算准确度。文章主要介绍了Anysis 软件是如何在受力分析中应用的以及其分析力学问题的过程，重点介绍荷载—结构模型。

关键词：ANYSIS；地下结构；荷载—结构模型

结构—荷载模型是我国地下结构的计算中呗广泛的采用。此模型的优点是概念清晰，计算简单，容易被初学者掌握。

1荷载—结构模型的发展阶段

①刚性结构阶段；②弹性结构阶段；③假定弹性反力阶段；④计算反力阶段。

2结构力学计算模型的建立

就是将现实中的受力简化成可以计算的数学模型，运用软件进行受力分析计算，在保证准确的前提下，节约了大量的人力，提高了工程进度，这一步是解决问题的关键。

2.1结构体系的理想化

在进行有限元分析时，要对隧道结构进行理想化，就是将地下结构看成有限个单元的组合体，而单元和单元之间仅在单元的端点（亦称为节点）处相互连接，作用在结构上的外荷载和内力都只能通过节点进行传递，以节点位移来代表整个结构的变形状态。

2.1.1支护结构理想化

由结构力学可知，一般的杆系结构常常可离散成杆、梁、柱单元，并将单元的联结点视为节点。

2.1.2围岩的理想化

隧道的一个重要的力学特性就是荷载、结构、材料三位一体。稳定的毛洞，如黄土窑洞以及一些长期存在的、没有任何支护的洞库等就是一个明显的例证。这与地面结构有明确的荷载作用是完全不同的。但在结构设计中，目前还不得不“人为”的给定一个荷载值，并把这个荷载作用到支护结构上，就是我们所谓的围岩压力。

2.1.3外荷载理想化

隧道衬砌所承受的外荷载，除了结构自重外，主要是围岩压力。把不同分布图形的分布荷载转换为等效结点荷载，作用在离散化衬砌结构的结点上，严格的说按静力等效的原则进行置换，即结点荷载所做的虚功应等于外荷载所做的虚功。但隧道所受荷载的准确性较差，故可按简单而近似的办法— 即按简支分配的原则进行置换，这是衬砌计算中常用的方法。

2.1.4边界条件理想化

最后简化出如图1所示的计算简图。

图1弹性地基梁法计算图式

2.2单元刚度矩阵分析

用二杆系结构有限元模型分析地下结构时，将隧道离散为n个梁单元，梁单元之间用节点连接，地下结构与围岩的作用以弹簧单元表示。

2.2.1局部坐标系下的梁单元刚度矩阵

对每一根梁单元ij均可取一个坐标x′o′y′，这个坐标系的x′轴规定和梁轴线重合，x′轴正向逆时针转90°来决定y′轴，对于每一个梁单元均有一个这样的坐标系，称为Ij梁单元的局部坐标系

2.2.2坐标转换

整体坐标系中的梁单元刚度矩阵[k]和局部坐标系中的梁单元刚度矩阵[k′]同样具有对称性和奇异性，同时其内各元素值只与梁单元的物理性质、几何形状和梁单元在整体坐标系中的位置有关。

3ANYSIS软件有以下技术特点

3.1较强的建模能力

几何实体一般是通过各种布尔运算和操作建立起来的。

3.2求解能力强大

迭代求解器（预条件共轭梯度、不完全共轭梯度、雅可比共轭梯度）、直接求解器（波前、稀疏矩阵）、特征值求解发、并行求解器（分布式并行、代数多重网格）等。

3.3强大的非线性分析能力

可进行几何非线性、材料非线性、接触非线性和单元非线性分析。

ANYSIS软件是融结构、流体、电磁场、声场和热场分析于一体的大型通用有限元分析软件，课广泛应用于土木、地质、矿业、材料、机械、仪器仪表、热工、电子、水利、生物医学、和原子能等工程的分析和科学研究。

4结语

随着工程科学技术的发展，对人才的要求也越来越高。现代化的工程人才应该拥有完整的知识结构。不论是在工程实践，还是理论修养以及计算能力上都要受到严格的、高水平的训练，三者必须具备，缺一不可，否则在以后的社会竞争中将寸步难行。计算能力的提高有很多方法，应用大型商业通用程序就是其中一个方法。ANYSIS功能强大，简单易学，是优选的通用程序。

参考文献

[1] 曾艳华.地下结构ANYSIS有限元分析[M].中国铁道出版社,2002年6月第1版.

[2] 百度文库.第五章 支护结构设计-百度文库.

[3] 王中顺,施叶飞.盾构隧道衬砌管片有限元仿真分析.

[4] 王新敏.ANYSIS 工程结构数值分析[M].人民交通出版社,2007年10月第一版.

摘要：地下结构泛指在地下修筑的各种结构物。地下结构和地面结构（如房屋、桥梁、水坝等）一样，都是一种结构体系，但两者之间在工作环境、力学作用机理等方面都存在着较大的区别。地下结构是处在复杂地质中的结构物，要对其进行研究，必须抽象出一些既符合实际又便于分析计算的力学模型。Anysis 软件在力学分析中起着重大的作用，现已被设计人员广泛采用，节省了大量的时间，提高了计算准确度。文章主要介绍了Anysis 软件是如何在受力分析中应用的以及其分析力学问题的过程，重点介绍荷载—结构模型。

关键词：ANYSIS；地下结构；荷载—结构模型

结构—荷载模型是我国地下结构的计算中呗广泛的采用。此模型的优点是概念清晰，计算简单，容易被初学者掌握。

1荷载—结构模型的发展阶段

①刚性结构阶段；②弹性结构阶段；③假定弹性反力阶段；④计算反力阶段。

2结构力学计算模型的建立

就是将现实中的受力简化成可以计算的数学模型，运用软件进行受力分析计算，在保证准确的前提下，节约了大量的人力，提高了工程进度，这一步是解决问题的关键。

2.1结构体系的理想化

在进行有限元分析时，要对隧道结构进行理想化，就是将地下结构看成有限个单元的组合体，而单元和单元之间仅在单元的端点（亦称为节点）处相互连接，作用在结构上的外荷载和内力都只能通过节点进行传递，以节点位移来代表整个结构的变形状态。

2.1.1支护结构理想化

由结构力学可知，一般的杆系结构常常可离散成杆、梁、柱单元，并将单元的联结点视为节点。

2.1.2围岩的理想化

隧道的一个重要的力学特性就是荷载、结构、材料三位一体。稳定的毛洞，如黄土窑洞以及一些长期存在的、没有任何支护的洞库等就是一个明显的例证。这与地面结构有明确的荷载作用是完全不同的。但在结构设计中，目前还不得不“人为”的给定一个荷载值，并把这个荷载作用到支护结构上，就是我们所谓的围岩压力。

2.1.3外荷载理想化

隧道衬砌所承受的外荷载，除了结构自重外，主要是围岩压力。把不同分布图形的分布荷载转换为等效结点荷载，作用在离散化衬砌结构的结点上，严格的说按静力等效的原则进行置换，即结点荷载所做的虚功应等于外荷载所做的虚功。但隧道所受荷载的准确性较差，故可按简单而近似的办法— 即按简支分配的原则进行置换，这是衬砌计算中常用的方法。

2.1.4边界条件理想化

最后简化出如图1所示的计算简图。

图1弹性地基梁法计算图式

2.2单元刚度矩阵分析

用二杆系结构有限元模型分析地下结构时，将隧道离散为n个梁单元，梁单元之间用节点连接，地下结构与围岩的作用以弹簧单元表示。

2.2.1局部坐标系下的梁单元刚度矩阵

对每一根梁单元ij均可取一个坐标x′o′y′，这个坐标系的x′轴规定和梁轴线重合，x′轴正向逆时针转90°来决定y′轴，对于每一个梁单元均有一个这样的坐标系，称为Ij梁单元的局部坐标系

2.2.2坐标转换

整体坐标系中的梁单元刚度矩阵[k]和局部坐标系中的梁单元刚度矩阵[k′]同样具有对称性和奇异性，同时其内各元素值只与梁单元的物理性质、几何形状和梁单元在整体坐标系中的位置有关。

3ANYSIS软件有以下技术特点

3.1较强的建模能力

几何实体一般是通过各种布尔运算和操作建立起来的。

3.2求解能力强大

迭代求解器（预条件共轭梯度、不完全共轭梯度、雅可比共轭梯度）、直接求解器（波前、稀疏矩阵）、特征值求解发、并行求解器（分布式并行、代数多重网格）等。

3.3强大的非线性分析能力

可进行几何非线性、材料非线性、接触非线性和单元非线性分析。

ANYSIS软件是融结构、流体、电磁场、声场和热场分析于一体的大型通用有限元分析软件，课广泛应用于土木、地质、矿业、材料、机械、仪器仪表、热工、电子、水利、生物医学、和原子能等工程的分析和科学研究。

4结语

随着工程科学技术的发展，对人才的要求也越来越高。现代化的工程人才应该拥有完整的知识结构。不论是在工程实践，还是理论修养以及计算能力上都要受到严格的、高水平的训练，三者必须具备，缺一不可，否则在以后的社会竞争中将寸步难行。计算能力的提高有很多方法，应用大型商业通用程序就是其中一个方法。ANYSIS功能强大，简单易学，是优选的通用程序。

参考文献

[1] 曾艳华.地下结构ANYSIS有限元分析[M].中国铁道出版社,2002年6月第1版.

[2] 百度文库.第五章 支护结构设计-百度文库.

[3] 王中顺,施叶飞.盾构隧道衬砌管片有限元仿真分析.

[4] 王新敏.ANYSIS 工程结构数值分析[M].人民交通出版社,2007年10月第一版.

摘要：地下结构泛指在地下修筑的各种结构物。地下结构和地面结构（如房屋、桥梁、水坝等）一样，都是一种结构体系，但两者之间在工作环境、力学作用机理等方面都存在着较大的区别。地下结构是处在复杂地质中的结构物，要对其进行研究，必须抽象出一些既符合实际又便于分析计算的力学模型。Anysis 软件在力学分析中起着重大的作用，现已被设计人员广泛采用，节省了大量的时间，提高了计算准确度。文章主要介绍了Anysis 软件是如何在受力分析中应用的以及其分析力学问题的过程，重点介绍荷载—结构模型。

关键词：ANYSIS；地下结构；荷载—结构模型

结构—荷载模型是我国地下结构的计算中呗广泛的采用。此模型的优点是概念清晰，计算简单，容易被初学者掌握。

1荷载—结构模型的发展阶段

①刚性结构阶段；②弹性结构阶段；③假定弹性反力阶段；④计算反力阶段。

2结构力学计算模型的建立

就是将现实中的受力简化成可以计算的数学模型，运用软件进行受力分析计算，在保证准确的前提下，节约了大量的人力，提高了工程进度，这一步是解决问题的关键。

2.1结构体系的理想化

在进行有限元分析时，要对隧道结构进行理想化，就是将地下结构看成有限个单元的组合体，而单元和单元之间仅在单元的端点（亦称为节点）处相互连接，作用在结构上的外荷载和内力都只能通过节点进行传递，以节点位移来代表整个结构的变形状态。

2.1.1支护结构理想化

由结构力学可知，一般的杆系结构常常可离散成杆、梁、柱单元，并将单元的联结点视为节点。

2.1.2围岩的理想化

隧道的一个重要的力学特性就是荷载、结构、材料三位一体。稳定的毛洞，如黄土窑洞以及一些长期存在的、没有任何支护的洞库等就是一个明显的例证。这与地面结构有明确的荷载作用是完全不同的。但在结构设计中，目前还不得不“人为”的给定一个荷载值，并把这个荷载作用到支护结构上，就是我们所谓的围岩压力。

2.1.3外荷载理想化

隧道衬砌所承受的外荷载，除了结构自重外，主要是围岩压力。把不同分布图形的分布荷载转换为等效结点荷载，作用在离散化衬砌结构的结点上，严格的说按静力等效的原则进行置换，即结点荷载所做的虚功应等于外荷载所做的虚功。但隧道所受荷载的准确性较差，故可按简单而近似的办法— 即按简支分配的原则进行置换，这是衬砌计算中常用的方法。

2.1.4边界条件理想化

最后简化出如图1所示的计算简图。

图1弹性地基梁法计算图式

2.2单元刚度矩阵分析

用二杆系结构有限元模型分析地下结构时，将隧道离散为n个梁单元，梁单元之间用节点连接，地下结构与围岩的作用以弹簧单元表示。

2.2.1局部坐标系下的梁单元刚度矩阵

对每一根梁单元ij均可取一个坐标x′o′y′，这个坐标系的x′轴规定和梁轴线重合，x′轴正向逆时针转90°来决定y′轴，对于每一个梁单元均有一个这样的坐标系，称为Ij梁单元的局部坐标系

2.2.2坐标转换

整体坐标系中的梁单元刚度矩阵[k]和局部坐标系中的梁单元刚度矩阵[k′]同样具有对称性和奇异性，同时其内各元素值只与梁单元的物理性质、几何形状和梁单元在整体坐标系中的位置有关。

3ANYSIS软件有以下技术特点

3.1较强的建模能力

几何实体一般是通过各种布尔运算和操作建立起来的。

3.2求解能力强大

迭代求解器（预条件共轭梯度、不完全共轭梯度、雅可比共轭梯度）、直接求解器（波前、稀疏矩阵）、特征值求解发、并行求解器（分布式并行、代数多重网格）等。

3.3强大的非线性分析能力

可进行几何非线性、材料非线性、接触非线性和单元非线性分析。

ANYSIS软件是融结构、流体、电磁场、声场和热场分析于一体的大型通用有限元分析软件，课广泛应用于土木、地质、矿业、材料、机械、仪器仪表、热工、电子、水利、生物医学、和原子能等工程的分析和科学研究。

4结语

随着工程科学技术的发展，对人才的要求也越来越高。现代化的工程人才应该拥有完整的知识结构。不论是在工程实践，还是理论修养以及计算能力上都要受到严格的、高水平的训练，三者必须具备，缺一不可，否则在以后的社会竞争中将寸步难行。计算能力的提高有很多方法，应用大型商业通用程序就是其中一个方法。ANYSIS功能强大，简单易学，是优选的通用程序。

参考文献

[1] 曾艳华.地下结构ANYSIS有限元分析[M].中国铁道出版社,2002年6月第1版.

[2] 百度文库.第五章 支护结构设计-百度文库.

[3] 王中顺,施叶飞.盾构隧道衬砌管片有限元仿真分析.

[4] 王新敏.ANYSIS 工程结构数值分析[M].人民交通出版社,2007年10月第一版.