ANSYS土木工程应用实例（第三版）

基于ANSYS 12.0平台，深入解析土木工程实例

多年ANSYS实际科研与工程经验的总结

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第三版前言

本书集合了ANSYS程序发展新成果、新技术及其在土木工程中新的应用，使读者能尽快系统掌握并用好该程序。本书通过工程实例加以说明，内容上由浅入深，并编写相应命令流，对于较复杂的例题和程序均有注释。

随着计算机硬件和商业数值模拟计算软件的发展和普及，利用数值模拟技术成为合理、有效的研究手段，随着计算机的飞速发展和广泛应用及有限元理论的日益完善，出现了许多通用和专业的有限元计算软件，并在各个领域得到了广泛的应用。

ANSYS软件作为一个大型通用有限元分析软件，能够进行结构、热、流体、电磁及声学等学科的研究，广泛应用于土木工程、地质矿产、水利、铁道、汽车交通、国防军工、航天航空、船舶、机械制造、核工业、石油化工、轻工、电子、日用家电和生物医学等一般工业及科学研究之中。ANSYS软件是第一个通过ISO 9001质量认证的大型有限元分析设计软件，是美国机械工程师协会（ASME）、美国核安全局（NQA）及近20种专业技术协会认证的标准分析软件。

本书以ANSYS 12.0软件为平台，全书共分为11章，采用先易后难、通俗易懂、土木工程结构实例全面的特点来介绍ANSYS在土木工程中的应用。具体内容安排如下：

第1章　土木工程有限元数值模拟简介。主要介绍有限元法的起源、相关概念及其求解步骤。

第2章　大型通用有限元软件ANSYS简介。主要介绍ANSYS的基础知识，如安装与启动、使用界面介绍、文件管理和ANSYS分析基本过程等。

第3章　土木工程分析中ANSYS相关高级技术。主要对与土木工程仿真分析有关的ANSYS的高级技术进行了深入阐述，如参数化设计语言、子模型与子结构、自适应网格的划分、单元的生死、图形输出、动画制作、瞬态动力分析和CAD几何模型的导入等。

第4章　钢筋混凝土问题ANSYS分析。主要介绍如何利用ANSYS对混凝土SOLID65单元、钢筋混凝土板受力分析、钢筋混凝土梁分析、预应力钢筋混凝土分析、混凝土开裂模拟和混凝土浇筑模等进行系统分析与模拟。

第5章　ANSYS桥梁工程应用。主要介绍如何利用ANSYS对各种桥梁进行仿真分析。如桁架桥的受力分析、悬索桥的受力分析、移动荷载作用下桥梁的动态响应、连续刚构桥三维仿真分析、桥梁的地震响应分析和斜拉桥三维仿真分析等。

第6章　ANSYS隧道及地下工程应用。主要介绍隧道及地下工程设计中的力学模式选择、山岭隧道结构力学分析、地铁明挖隧道、高速公路隧道、双线铁路隧道、地铁盾构隧道数值模拟分析和隧道地震动力响应分析，以及隧道及地下工程中常用来模拟岩土材料的Drucker-Prager本构模型。

第7章　ANSYS房屋建筑工程应用。主要介绍ANSYS在房屋建筑工程中的应用，如房屋结构中钢筋混凝土结构设计的ANSYS分析、大跨网架结构受力分析和框架－剪力墙结构三维仿真分析等。

第8章　ANSYS基础工程应用。主要介绍房屋桩端承载力三维力学分析、房屋刚性基础三维仿真分析和桥梁桩基础设计受力分析的相关知识。

第9章　ANSYS边坡工程应用。主要介绍边坡的强度折减法原理、破坏形式、稳定性的主要分析方法、ANSYS边坡稳定性计算基本过程及结合一实例加以分析阐述等相关知识。

第10章　ANSYS在大坝工程中的应用。分别介绍ANSYS在基础工程和水工工程中的实际应用。

第11章　ANSYS在公路和铁路工程中的应用。分别介绍公路的动载分析和桥上无缝线路纵向附加力有限元模型仿真分析。

本书先讲述有限元原理、ANSYS软件和ANSYS高级技术的介绍；后讲述土木工程的实例解析，实例解析部分采取的一般步骤是：概念解析和问题描述、建模、加载和求解、结果分析。本书主要适用于土木工程专业本科生，也可作为相关专业研究生和工程设计与施工人员的参考书。书中主要实例的命令流都可以到中国水利水电出版社网站和万水书苑免费下载，网址为：http://www.waterpub.com.cn/softdown/和http://www.wsbookshow.com，以供学习研究之用。

本书由何本国任主编，陈天宇、王洋等负责主要编写工作。全书内容与结构由何本国规划、统稿，主要参编第7～9章及第6章隧道抗震部分。陈天宇完成编写第1～3章大部分内容和第11章ANSYS在公路中的应用。王洋完成编写第6章第2节与第11章第1、3节全部内容，李围、叶裕明、刘春山、沈火明、肖新标、刘善华等编写了余下的全部内容。

本书在编写过程中，得到了马宝平、刘进军、梁桥欣、何省、徐思宇、刘亚航、段景川、刘孝寒、李秀春、林银、钟晓林、蒲林超、单琳、潘国栋等同志给予了文字支持与校核，在此深表感谢。同时参与本书编写工作的人员还有王治国、冯强、曾德惠、许庆华、程亮、周聪、黄志平、胡松、邢永峰、邵军、边海龙、刘达因、赵婷、马鸿娟、侯桐、赵光明、李胜、李辉、侯杰、王红研、王磊、闫守红、康涌泉、蒋杼倩、王小东、张森、张正亮、宋利梅、何群芬、程瑶，在此一并表示感谢。

由于水平有限，本书难免有错误和不足之处，恳请专家和读者批评指正，供今后修订时借鉴。我们的联络方式：china_54@tom.com。

编 者

2011年8月

目 录
第三版前言

第1章 土木工程有限元数值模拟简介 1
1.1 数值模拟方法概述 1
1.2 有限元法简介 2
1.2.1 有限元法的起源和特点 2
1.2.2 有限元的常用术语 2
1.3 有限元法的求解步骤 4
第2章 大型通用有限元软件ANSYS简介 7
2.1 概述 7
2.1.1 ANSYS在计算机辅助工程中的地位 7
2.1.2 ANSYS软件的主要技术特点 8
2.1.3 ANSYS软件的主要功能 8
2.2 安装与启动 10
2.2.1 系统要求 10
2.2.2 安装介绍 10
2.2.3 启动和退出 11
2.3 使用界面介绍 13
2.4 ANSYS文件管理 15
2.4.1 文件类型 15
2.4.2 文件管理 16
2.5 ANSYS有限元分析基本过程 18
2.6 ANSYS分析基本过程的实例 19
2.6.1 分析问题概述 20
2.6.2 GUI操作方式求解 20
2.6.3 命令流求解 26
2.6.4 GUI操作与命令流的比较 27
第3章 土木工程分析中ANSYS相关高级技术 29
3.1 参数化设计语言 29
3.1.1 参数化设计语言概述 29
3.1.2 参数化设计语言的应用举例 33
3.2 子模型与子结构 37
3.2.1 子模型 38
3.2.2 子结构 41
3.3 自适应网格的划分 47
3.3.1 前提条件 47
3.3.2 操作步骤 48
3.3.3 应用举例 48
3.4 单元的生死 50
3.4.1 概述 51
3.4.2 单元生死的使用 52
3.4.3 生死单元的控制 55
3.4.4 排错检查 56
3.4.5 单元生死应用实例 57
3.5 图形输出 59
3.5.1 概述 60
3.5.2 生成中性文件 61
3.5.3 制作硬拷贝图形文件 62
3.5.4 模态分析后处理中图片的抓取 62
3.6 动画制作 67
3.6.1 概述 68
3.6.2 基本动画命令 68
3.6.3 单步动画的生成 69
3.6.4 Windows环境动画的制作 75
3.7 瞬态动力分析 77
3.7.1 瞬态动力分析概述 77
3.7.2 瞬态动力分析的要点 78
3.7.3 瞬态动力分析的实例解析 79
3.8 CAD几何模型的导入 81
3.8.1 CAD几何模型的导入概述 81
3.8.2 应用举例 82
第4章 钢筋混凝土问题ANSYS分析 84
4.1 概述 84
4.1.1 关于钢筋混凝土模型 84
4.1.2 本构模型及破坏准则 85
4.2 模拟钢筋混凝土的SOLID65单元 86
4.2.1 SOLID65单元理论基础 86
4.2.2 SOLID65单元使用方法 91
4.3 钢筋混凝土板受力分析 94
4.3.1 问题的描述 94
4.3.2 建模 95
4.3.3 网格划分 98
4.3.4 加载并求解 99
4.3.5 计算结果及分析 100
4.4 钢筋混凝土梁分析 103
4.4.1 问题的描述 103
4.4.2 建模 103
4.4.3 加载并求解 108
4.4.4 计算结果及分析 109
4.5 预应力钢筋混凝土分析 111
4.5.1 相关概念 111
4.5.2 问题的描述 112
4.5.3 建模 113
4.5.4 划分网格 114
4.5.5 加载、求解 116
4.5.6 结果分析 116
4.6 钢筋混凝土开裂模拟 118
4.6.1 相关概念 118
4.6.2 问题的描述 119
4.6.3 建模 120
4.6.4 划分网格 121
4.6.5 加载和求解 121
4.6.6 计算结果分析 123
4.7 钢筋混凝土浇筑模拟分析 124
4.7.1 相关概念 124
4.7.2 问题的描述 125
4.7.3 建模 125
4.7.4 划分网格 126
4.7.5 加载和求解 126
4.7.6 结果分析 133
第5章 ANSYS桥梁工程应用 135
5.1 概述 135
5.2 桁架桥的受力分析 136
5.2.1 相关概念 136
5.2.2 问题的描述 137
5.2.3 建模假设 138
5.2.4 建模 138
5.2.5 加载和求解 142
5.2.6 结果分析 144
5.3 悬索桥的受力分析 146
5.3.1 相关概念 146
5.3.2 问题的描述 147
5.3.3 建模假设 148
5.3.4 自下而上建模 149
5.3.5 加载和求解 151
5.3.6 结果分析 154
5.4 移动荷载作用下桥梁的动态响应 155
5.4.1 相关概念 155
5.4.2 问题描述 157
5.4.3 建模 157
5.4.4 加载与求解 159
5.4.5 结果分析与比较 160
5.5 连续刚构桥三维仿真分析 162
5.5.1 相关概念 162
5.5.2 问题的描述 163
5.5.3 建模 164
5.5.4 加载及求解 172
5.5.5 计算结果及分析 173
5.6 桥梁的地震响应分析 175
5.6.1 相关概念 175
5.6.2 问题的描述 178
5.6.3 建模 180
5.6.4 网格划分、施加边界条件 181
5.6.5 地震谱响应分析 182
5.6.6 地震波瞬态分析 185
5.7 斜拉桥三维仿真分析 187
5.7.1 相关概念 187
5.7.2 问题的描述 188
5.7.3 建模假设 189
5.7.4 建模及结果分析 190
第6章 ANSYS隧道及地下工程应用 200
6.1 概述 200
6.1.1 Drucker-Prager本构模型 200
6.1.2 隧道及地下工程的设计模型 202
6.1.3 隧道及地下工程的设计方法 203
6.1.4 隧道及地下工程衬砌结构设计中的
力学模型选择 204
6.1.5 隧道及地下工程施工力学数值模拟 204
6.2 山岭隧道结构力学分析 205
6.2.1 问题的描述 205
6.2.2 建模 206
6.2.3 加载与求解 209
6.2.4 后处理 212
6.2.5 计算结果分析 215
6.3 地铁明挖隧道结构力学分析 216
6.3.1 问题的描述 216
6.3.2 建模 216
6.3.3 加载与求解 219
6.3.4 后处理 221
6.3.5 计算结果分析 224
6.4 高速公路隧道施工力学数值模拟分析 226
6.4.1 分离式高速公路隧道设计 226
6.4.2 建模 227
6.4.3 加载与初始地应力求解 234
6.4.4 左隧道开挖求解 237
6.4.5 右隧道开挖求解 243
6.4.6 计算结果分析 251
6.5 双线铁路隧道施工过程仿真分析 251
6.5.1 问题的描述 251
6.5.2 模型的建立 253
6.5.3 加载与求解 261
6.5.4 计算结果分析 267
6.6 地铁盾构隧道掘进过程数值模拟分析 275
6.6.1 问题的描述 275
6.6.2 模型的建立 275
6.6.3 加载与求解 281
6.6.4 计算结果分析 288
6.7 隧道地震动力响应分析 293
6.7.1 问题的描述 294
6.7.2 基本条件及假定 295
6.7.3 地震波的选取 295
6.7.4 计算模型确立 296
6.7.5 加载与求解 300
6.7.6 结果分析 301
第7章 ANSYS房屋建筑工程应用 305
7.1 概述 305
7.2 钢筋混凝土结构设计ANSYS分析 306
7.2.1 问题的描述 306
7.2.2 混凝土承载力及裂纹弥散分析 306
7.2.3 钢筋混凝土模型建立 307
7.2.4 加载与求解过程 309
7.2.5 计算实例及结果分析 309
7.3 大跨度网架结构受力分析 310
7.3.1 问题的描述 310
7.3.2 空间结构模型建立 310
7.3.3 加载与求解过程 311
7.3.4 计算实例及结果分析 311
7.4 框架－剪力墙结构三维仿真分析 323
7.4.1 问题的描述 323
7.4.2 复杂模型建立 326
7.4.3 加载与求解 332
7.4.4 计算实例及结果分析 334
第8章 ANSYS基础工程应用 340
8.1 概述 340
8.1.1 基础工程基本类型 340
8.1.2 ANSYS在桩－土接触分析中实现 341
8.2 房屋桩端承载力三维力学分析 341
8.2.1 桩基承载力理论 341
8.2.2 桩的加载分析 343
8.2.3 计算实例及结果分析 344
8.3 房屋刚性基础三维仿真分析 366
8.3.1 房屋基础类型及相关概念 367
8.3.2 问题的描述 367
8.3.3 计算过程 367
8.3.4 计算实例及结果分析 368
8.4 桥梁桩基础设计受力分析 375
8.4.1 桥梁桩基础概述 375
8.4.2 单桩容许承载力确定 375
8.4.3 计算过程 375
8.4.4 桩内力及变位分析 376
8.4.5 计算实例及结果分析 376
第9章 ANSYS边坡工程应用 385
9.1 边坡问题的相关概述 385
9.1.1 强度折减法原理 385
9.1.2 边坡的破坏形式 386
9.1.3 影响边坡稳定的主要因素 386
9.1.4 边坡稳定性的主要分析方法 387
9.2 强度折减法在ANSYS中的实现 387
9.3 ANSYS边坡稳定性计算基本过程 388
9.3.1 模型建立及边界条件 389
9.3.2 加载与求解 394
9.4 算例分析 396
9.4.1 均质边坡稳定性 396
9.4.2 不同含水率状态下的边坡稳定性 398
第10章 ANSYS在大坝工程中的应用 404
10.1 概述 404
10.2 重力坝三维仿真分析 405
10.2.1 相关概念 405
10.2.2 问题的描述 407
10.2.3 建模 408
10.2.4 加载与求解 416
10.2.5 计算结果分析 422
第11章 ANSYS在公路和铁路工程中的应用 431
11.1 概述 431
11.2 公路的动载分析 432
11.2.1 问题的描述 432
11.2.2 建模 433
11.2.3 加载与求解 439
11.2.4 后处理 441
11.3 桥上无缝线路纵向附加力有限元模型
仿真分析 444
11.3.1 相关概念 444
11.3.2 问题的描述 445
11.3.3 建模 445
11.3.4 加载与求解 450
参考文献 454

1. ANSYS Workbench在压力容器分析中的应用与技术评论 [栾春远 编著]
2. 基于ANSYS的复合材料有限元分析和应用（第二版） [李占营 张承承 李成良 编著]
3. 土木工程CAD教程 [主编 董强 刘勇]
4. 土建工程制图习题指导 [主编　刘勇　董强]
5. 土建工程制图 [主编 董强 刘勇]
6. ANSYS AQWA软件入门与提高 [主编 高巍]
7. ANSYS APDL参数化有限元分析技术及其应用实例（第二版） [李占营 阚川 等编著]
8. 基于ANSYS的复合材料有限元分析和应用 [李占营 阚川 张承承 编著]
9. 全新Marc实例教程及常见问题解析 [孙丹丹 陈火红 编著]
10. 基于HyperMesh的结构有限元建模技术 [付亚兰 谢素明 编著]
11. MSC产品实用技术技巧 [MSC软件公司 编著]
12. ANSYS APDL参数化有限元分析技术及其应用实例 [张涛 等编著]
13. ANSYS Workbench基础教程与实例详解（第二版） [浦广益]
14. ANSYS非线性有限元分析方法及范例应用 [张洪伟 高相胜 张庆余 编著]
15. ANSYS信号完整性分析与仿真实例 [房丽丽 编著]
16. 全新Marc实例教程与常见问题解析 [冯超 孙丹丹 陈火红]
17. 压力容器全模型ANSYS分析与强度计算新规范 [栾春远 编著]
18. MSC Nastran动力分析指南 [田利思 李相辉 马越峰 赵明宇]
19. ANSYS 13.0 Workbench数值模拟技术 [许京荆]
20. ANSYS二次开发及应用实例详解 [师访]
21. ANSYS流固耦合分析与工程实例 [宋学官 蔡林 张华 编著]
22. ANSYS ICEM CFD网格划分技术实例详解 [纪兵兵 陈金瓶]
23. ANSYS 10.0工程电磁分析技术与实例详解 [阎照文]