ANSYS在整体式排水圆管分析中的应用

第31卷第3期2010年6月华北水利水电学院学报JournalofNorthChinaInstituteofWaterConservancyandHydroelectricPowerVo1．31No，3Jun．2010文章编号：1002—5634(2010)03—0014—05ANSYS在整体式排水圆管分析中的应用冀健红，刘新阳(1．河南省电力勘测设计院，河南郑州450007；2．华北水利水电学院，河南郑州45001I)摘要：基于ANSYSAPDL参数化设计语言编写程序，利用程序对整体式排水圆管进行数值计算．模型中考虑了不同荷载的施工方法，并利用路径映射技术实现了各截面的内力输出，从而合理地揭示了在土压力、外水压力和自重的共同作用下整体式排水圆管的位移、应力和内力分布规律．最后通过工程实例，验证了程序的可靠性．关键词：ANSYS；APDL；整体式排水圆管；路径映射；内力中图分类号：TV314文献标志码：A整体式排水圆管，因其施工方便，水利条件较好，在排水泄洪建筑物中得到了广泛使用．其结构形式和荷载分布如图1所示，单轴对称，是三次超静定结构，内力计算常采用结构力学弹性中心法求解．由于断面厚度是变化的，用积分法求内力困难很大，通常采用总和法计算，但其过程繁琐，计算工作量大．文中采用ANSYS有限元分析软件，用ANSYS参数化设计语言APDL编制程序，建立了，整体式排水圆管的参数化计算模型，模型中考虑了不同荷载的施加方法，并利用路径映射技术实现了各截面的内力输出，从而合理地揭示了整体式排水圆管的位移、应力和内力分布情况珏Ⅱ卫旺Ⅱ卫田目V5玑。口巨：=j仨dE目一／／目d口8巨一DE书●●rmt●●●●●●●●●●r汁‘‘rf11Gq4q1q1qAKⅣlJ图1整体式排水圆管结构形式及荷载分布1计算流程及方法1．1有限元网格模型整体式排水圆管的有限元网格模型如图2所示．由于排水圆管的计算属于弹性力学的平面应变问题，采用平面应变单元PLANE82进行模拟，考虑到圆管对10倍底宽()外的地基影响很小，故仅选取L。=L：：10L范围内的地基模拟．此外，为了便于施加圆管顶部荷载，在圆管顶部建立了表面效应单元SURF153．图2整体式排水圆管有限元网格模型1．2施加荷载整体式排水圆管的荷载分布如图1所示，主要收稿日期：2010—05—04作者简介：冀健红(1985一)，女，助理工程师，硕士，主要从事水工结构设计方面的研究第31卷第3期冀健红，等：ANSYS在整体式排水圆管分析中的应用15包括土压力(管顶垂直土压力q和侧向土压力q，q)、外水压力(9，g，g)、上层土及水对地基表面的压载q、内水压力及结构自重．由于此管道是无压管道，在过水情况下，内水压力将抵消部分作用于外侧的土、水压力，对结构有利，因此结构的计算控制工况应为土压力、外水压力及结构自重的荷载组合．采用5个载荷步计算，并相应创建了5个载荷工况．第①载荷工况计算管顶垂直土压力；第②载荷工况计算管顶侧向土压力；第③载荷工况计算左、右侧壁土压力；第④载荷工况计算外水压力和上层土、水对地基表面的压载；最后计算排水圆管和地基的自重．对5个载荷工况的结果求和即是整体式排水圆管在所有荷载作用下的结果．由于管顶的垂直土压力和侧向土压力都与其作用面的法向不一致，因此采用表面效应单元SURF153来施加荷载，荷载方向由输人的方向矢量确定．1．3内力计算——路径映射技术对于2D平面实体单元，ANSYS直接输出的结果是位移和应力．为了输出截面内力，采用ANSYS路径映射技术(MappingResultsontoaPath)编制程序，计算整体式排水圆管各分析截面的轴力、剪力和弯矩，并以文本文件的形式输出，为整体式排水圆管的配筋计算提供可靠的数据．路径映射是基于插值运算的一种后处理技术，能够虚拟映射任何结果数据到模型的任何路径上，用户可以根据需要设定各种路径，并将所需的结果映射到路径上，然后沿路径进行必要的数学运算，从而得到合理的结果一一．程序共设定了l6条路径，即l6个截面，如图3所示．定义路径需要起始点和终止点坐标，程序根据整体式排水圆管的结构参数自动计算各点坐标，从而实现了参数化定义路径，使定义多条路径的繁琐过程简化．对任一路径(起始点，，终止点．，)建立局部坐标系，如图4所示，并将其作为结果坐标系，将和r映射到该路径，根据材料力学可知：Ⅳ=Jd，(1)Q=JTxydx，(2)W=f(一÷)dx，(3)式中：为y向正应力；r为XY剪应力；s为路径长度．16151g1312{··I图3内力输出的截面位置8l9兽J10寸I11_L图4任一路径的局部坐标系根据式(1)一(3)，对每条路径的映射结果进行数学运算，即可求出各截面的轴力、剪力和弯矩．以下是求轴力、剪力和弯矩的APDL程序．!建立存放内力的数组DIM，S