基于ANSYS 12.0平臺，深入解析土木工程實例

多年ANSYS實際科研與工程經驗的總結

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第三版前言

本書集合了ANSYS程序發展新成果、新技術及其在土木工程中新的應用，使讀者能盡快系統掌握并用好該程序。本書通過工程實例加以說明，內容上由淺入深，并編寫相應命令流，對于較復雜的例題和程序均有注釋。

隨著計算機硬件和商業數值模擬計算軟件的發展和普及，利用數值模擬技術成為合理、有效的研究手段，隨著計算機的飛速發展和廣泛應用及有限元理論的日益完善，出現了許多通用和專業的有限元計算軟件，并在各個領域得到了廣泛的應用。

ANSYS軟件作為一個大型通用有限元分析軟件，能夠進行結構、熱、流體、電磁及聲學等學科的研究，廣泛應用于土木工程、地質礦產、水利、鐵道、汽車交通、國防軍工、航天航空、船舶、機械制造、核工業、石油化工、輕工、電子、日用家電和生物醫學等一般工業及科學研究之中。ANSYS軟件是第一個通過ISO 9001質量認證的大型有限元分析設計軟件，是美國機械工程師協會（ASME）、美國核安全局（NQA）及近20種專業技術協會認證的標準分析軟件。

本書以ANSYS 12.0軟件為平臺，全書共分為11章，采用先易后難、通俗易懂、土木工程結構實例全面的特點來介紹ANSYS在土木工程中的應用。具體內容安排如下：

第1章　土木工程有限元數值模擬簡介。主要介紹有限元法的起源、相關概念及其求解步驟。

第2章　大型通用有限元軟件ANSYS簡介。主要介紹ANSYS的基礎知識，如安裝與啟動、使用界面介紹、文件管理和ANSYS分析基本過程等。

第3章　土木工程分析中ANSYS相關高級技術。主要對與土木工程仿真分析有關的ANSYS的高級技術進行了深入闡述，如參數化設計語言、子模型與子結構、自適應網格的劃分、單元的生死、圖形輸出、動畫制作、瞬態動力分析和CAD幾何模型的導入等。

第4章　鋼筋混凝土問題ANSYS分析。主要介紹如何利用ANSYS對混凝土SOLID65單元、鋼筋混凝土板受力分析、鋼筋混凝土梁分析、預應力鋼筋混凝土分析、混凝土開裂模擬和混凝土澆筑模等進行系統分析與模擬。

第5章　ANSYS橋梁工程應用。主要介紹如何利用ANSYS對各種橋梁進行仿真分析。如桁架橋的受力分析、懸索橋的受力分析、移動荷載作用下橋梁的動態響應、連續剛構橋三維仿真分析、橋梁的地震響應分析和斜拉橋三維仿真分析等。

第6章　ANSYS隧道及地下工程應用。主要介紹隧道及地下工程設計中的力學模式選擇、山嶺隧道結構力學分析、地鐵明挖隧道、高速公路隧道、雙線鐵路隧道、地鐵盾構隧道數值模擬分析和隧道地震動力響應分析，以及隧道及地下工程中常用來模擬巖土材料的Drucker-Prager本構模型。

第7章　ANSYS房屋建筑工程應用。主要介紹ANSYS在房屋建筑工程中的應用，如房屋結構中鋼筋混凝土結構設計的ANSYS分析、大跨網架結構受力分析和框架－剪力墻結構三維仿真分析等。

第8章　ANSYS基礎工程應用。主要介紹房屋樁端承載力三維力學分析、房屋剛性基礎三維仿真分析和橋梁樁基礎設計受力分析的相關知識。

第9章　ANSYS邊坡工程應用。主要介紹邊坡的強度折減法原理、破壞形式、穩定性的主要分析方法、ANSYS邊坡穩定性計算基本過程及結合一實例加以分析闡述等相關知識。

第10章　ANSYS在大壩工程中的應用。分別介紹ANSYS在基礎工程和水工工程中的實際應用。

第11章　ANSYS在公路和鐵路工程中的應用。分別介紹公路的動載分析和橋上無縫線路縱向附加力有限元模型仿真分析。

本書先講述有限元原理、ANSYS軟件和ANSYS高級技術的介紹；后講述土木工程的實例解析，實例解析部分采取的一般步驟是：概念解析和問題描述、建模、加載和求解、結果分析。本書主要適用于土木工程專業本科生，也可作為相關專業研究生和工程設計與施工人員的參考書。書中主要實例的命令流都可以到中國水利水電出版社網站和萬水書苑免費下載，網址為：http://www.waterpub.com.cn/softdown/和http://www.dgboyong.cn，以供學習研究之用。

本書由何本國任主編，陳天宇、王洋等負責主要編寫工作。全書內容與結構由何本國規劃、統稿，主要參編第7～9章及第6章隧道抗震部分。陳天宇完成編寫第1～3章大部分內容和第11章ANSYS在公路中的應用。王洋完成編寫第6章第2節與第11章第1、3節全部內容，李圍、葉裕明、劉春山、沈火明、肖新標、劉善華等編寫了余下的全部內容。

本書在編寫過程中，得到了馬寶平、劉進軍、梁橋欣、何省、徐思宇、劉亞航、段景川、劉孝寒、李秀春、林銀、鐘曉林、蒲林超、單琳、潘國棟等同志給予了文字支持與校核，在此深表感謝。同時參與本書編寫工作的人員還有王治國、馮強、曾德惠、許慶華、程亮、周聰、黃志平、胡松、邢永峰、邵軍、邊海龍、劉達因、趙婷、馬鴻娟、侯桐、趙光明、李勝、李輝、侯杰、王紅研、王磊、閆守紅、康涌泉、蔣杼倩、王小東、張森、張正亮、宋利梅、何群芬、程瑤，在此一并表示感謝。

由于水平有限，本書難免有錯誤和不足之處，懇請專家和讀者批評指正，供今后修訂時借鑒。我們的聯絡方式：china_54@tom.com。

編 者

2011年8月

目 錄
第三版前言

第1章 土木工程有限元數值模擬簡介 1
1.1 數值模擬方法概述 1
1.2 有限元法簡介 2
1.2.1 有限元法的起源和特點 2
1.2.2 有限元的常用術語 2
1.3 有限元法的求解步驟 4
第2章 大型通用有限元軟件ANSYS簡介 7
2.1 概述 7
2.1.1 ANSYS在計算機輔助工程中的地位 7
2.1.2 ANSYS軟件的主要技術特點 8
2.1.3 ANSYS軟件的主要功能 8
2.2 安裝與啟動 10
2.2.1 系統要求 10
2.2.2 安裝介紹 10
2.2.3 啟動和退出 11
2.3 使用界面介紹 13
2.4 ANSYS文件管理 15
2.4.1 文件類型 15
2.4.2 文件管理 16
2.5 ANSYS有限元分析基本過程 18
2.6 ANSYS分析基本過程的實例 19
2.6.1 分析問題概述 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操作與命令流的比較 27
第3章 土木工程分析中ANSYS相關高級技術 29
3.1 參數化設計語言 29
3.1.1 參數化設計語言概述 29
3.1.2 參數化設計語言的應用舉例 33
3.2 子模型與子結構 37
3.2.1 子模型 38
3.2.2 子結構 41
3.3 自適應網格的劃分 47
3.3.1 前提條件 47
3.3.2 操作步驟 48
3.3.3 應用舉例 48
3.4 單元的生死 50
3.4.1 概述 51
3.4.2 單元生死的使用 52
3.4.3 生死單元的控制 55
3.4.4 排錯檢查 56
3.4.5 單元生死應用實例 57
3.5 圖形輸出 59
3.5.1 概述 60
3.5.2 生成中性文件 61
3.5.3 制作硬拷貝圖形文件 62
3.5.4 模態分析后處理中圖片的抓取 62
3.6 動畫制作 67
3.6.1 概述 68
3.6.2 基本動畫命令 68
3.6.3 單步動畫的生成 69
3.6.4 Windows環境動畫的制作 75
3.7 瞬態動力分析 77
3.7.1 瞬態動力分析概述 77
3.7.2 瞬態動力分析的要點 78
3.7.3 瞬態動力分析的實例解析 79
3.8 CAD幾何模型的導入 81
3.8.1 CAD幾何模型的導入概述 81
3.8.2 應用舉例 82
第4章 鋼筋混凝土問題ANSYS分析 84
4.1 概述 84
4.1.1 關于鋼筋混凝土模型 84
4.1.2 本構模型及破壞準則 85
4.2 模擬鋼筋混凝土的SOLID65單元 86
4.2.1 SOLID65單元理論基礎 86
4.2.2 SOLID65單元使用方法 91
4.3 鋼筋混凝土板受力分析 94
4.3.1 問題的描述 94
4.3.2 建模 95
4.3.3 網格劃分 98
4.3.4 加載并求解 99
4.3.5 計算結果及分析 100
4.4 鋼筋混凝土梁分析 103
4.4.1 問題的描述 103
4.4.2 建模 103
4.4.3 加載并求解 108
4.4.4 計算結果及分析 109
4.5 預應力鋼筋混凝土分析 111
4.5.1 相關概念 111
4.5.2 問題的描述 112
4.5.3 建模 113
4.5.4 劃分網格 114
4.5.5 加載、求解 116
4.5.6 結果分析 116
4.6 鋼筋混凝土開裂模擬 118
4.6.1 相關概念 118
4.6.2 問題的描述 119
4.6.3 建模 120
4.6.4 劃分網格 121
4.6.5 加載和求解 121
4.6.6 計算結果分析 123
4.7 鋼筋混凝土澆筑模擬分析 124
4.7.1 相關概念 124
4.7.2 問題的描述 125
4.7.3 建模 125
4.7.4 劃分網格 126
4.7.5 加載和求解 126
4.7.6 結果分析 133
第5章 ANSYS橋梁工程應用 135
5.1 概述 135
5.2 桁架橋的受力分析 136
5.2.1 相關概念 136
5.2.2 問題的描述 137
5.2.3 建模假設 138
5.2.4 建模 138
5.2.5 加載和求解 142
5.2.6 結果分析 144
5.3 懸索橋的受力分析 146
5.3.1 相關概念 146
5.3.2 問題的描述 147
5.3.3 建模假設 148
5.3.4 自下而上建模 149
5.3.5 加載和求解 151
5.3.6 結果分析 154
5.4 移動荷載作用下橋梁的動態響應 155
5.4.1 相關概念 155
5.4.2 問題描述 157
5.4.3 建模 157
5.4.4 加載與求解 159
5.4.5 結果分析與比較 160
5.5 連續剛構橋三維仿真分析 162
5.5.1 相關概念 162
5.5.2 問題的描述 163
5.5.3 建模 164
5.5.4 加載及求解 172
5.5.5 計算結果及分析 173
5.6 橋梁的地震響應分析 175
5.6.1 相關概念 175
5.6.2 問題的描述 178
5.6.3 建模 180
5.6.4 網格劃分、施加邊界條件 181
5.6.5 地震譜響應分析 182
5.6.6 地震波瞬態分析 185
5.7 斜拉橋三維仿真分析 187
5.7.1 相關概念 187
5.7.2 問題的描述 188
5.7.3 建模假設 189
5.7.4 建模及結果分析 190
第6章 ANSYS隧道及地下工程應用 200
6.1 概述 200
6.1.1 Drucker-Prager本構模型 200
6.1.2 隧道及地下工程的設計模型 202
6.1.3 隧道及地下工程的設計方法 203
6.1.4 隧道及地下工程襯砌結構設計中的
力學模型選擇 204
6.1.5 隧道及地下工程施工力學數值模擬 204
6.2 山嶺隧道結構力學分析 205
6.2.1 問題的描述 205
6.2.2 建模 206
6.2.3 加載與求解 209
6.2.4 后處理 212
6.2.5 計算結果分析 215
6.3 地鐵明挖隧道結構力學分析 216
6.3.1 問題的描述 216
6.3.2 建模 216
6.3.3 加載與求解 219
6.3.4 后處理 221
6.3.5 計算結果分析 224
6.4 高速公路隧道施工力學數值模擬分析 226
6.4.1 分離式高速公路隧道設計 226
6.4.2 建模 227
6.4.3 加載與初始地應力求解 234
6.4.4 左隧道開挖求解 237
6.4.5 右隧道開挖求解 243
6.4.6 計算結果分析 251
6.5 雙線鐵路隧道施工過程仿真分析 251
6.5.1 問題的描述 251
6.5.2 模型的建立 253
6.5.3 加載與求解 261
6.5.4 計算結果分析 267
6.6 地鐵盾構隧道掘進過程數值模擬分析 275
6.6.1 問題的描述 275
6.6.2 模型的建立 275
6.6.3 加載與求解 281
6.6.4 計算結果分析 288
6.7 隧道地震動力響應分析 293
6.7.1 問題的描述 294
6.7.2 基本條件及假定 295
6.7.3 地震波的選取 295
6.7.4 計算模型確立 296
6.7.5 加載與求解 300
6.7.6 結果分析 301
第7章 ANSYS房屋建筑工程應用 305
7.1 概述 305
7.2 鋼筋混凝土結構設計ANSYS分析 306
7.2.1 問題的描述 306
7.2.2 混凝土承載力及裂紋彌散分析 306
7.2.3 鋼筋混凝土模型建立 307
7.2.4 加載與求解過程 309
7.2.5 計算實例及結果分析 309
7.3 大跨度網架結構受力分析 310
7.3.1 問題的描述 310
7.3.2 空間結構模型建立 310
7.3.3 加載與求解過程 311
7.3.4 計算實例及結果分析 311
7.4 框架－剪力墻結構三維仿真分析 323
7.4.1 問題的描述 323
7.4.2 復雜模型建立 326
7.4.3 加載與求解 332
7.4.4 計算實例及結果分析 334
第8章 ANSYS基礎工程應用 340
8.1 概述 340
8.1.1 基礎工程基本類型 340
8.1.2 ANSYS在樁－土接觸分析中實現 341
8.2 房屋樁端承載力三維力學分析 341
8.2.1 樁基承載力理論 341
8.2.2 樁的加載分析 343
8.2.3 計算實例及結果分析 344
8.3 房屋剛性基礎三維仿真分析 366
8.3.1 房屋基礎類型及相關概念 367
8.3.2 問題的描述 367
8.3.3 計算過程 367
8.3.4 計算實例及結果分析 368
8.4 橋梁樁基礎設計受力分析 375
8.4.1 橋梁樁基礎概述 375
8.4.2 單樁容許承載力確定 375
8.4.3 計算過程 375
8.4.4 樁內力及變位分析 376
8.4.5 計算實例及結果分析 376
第9章 ANSYS邊坡工程應用 385
9.1 邊坡問題的相關概述 385
9.1.1 強度折減法原理 385
9.1.2 邊坡的破壞形式 386
9.1.3 影響邊坡穩定的主要因素 386
9.1.4 邊坡穩定性的主要分析方法 387
9.2 強度折減法在ANSYS中的實現 387
9.3 ANSYS邊坡穩定性計算基本過程 388
9.3.1 模型建立及邊界條件 389
9.3.2 加載與求解 394
9.4 算例分析 396
9.4.1 均質邊坡穩定性 396
9.4.2 不同含水率狀態下的邊坡穩定性 398
第10章 ANSYS在大壩工程中的應用 404
10.1 概述 404
10.2 重力壩三維仿真分析 405
10.2.1 相關概念 405
10.2.2 問題的描述 407
10.2.3 建模 408
10.2.4 加載與求解 416
10.2.5 計算結果分析 422
第11章 ANSYS在公路和鐵路工程中的應用 431
11.1 概述 431
11.2 公路的動載分析 432
11.2.1 問題的描述 432
11.2.2 建模 433
11.2.3 加載與求解 439
11.2.4 后處理 441
11.3 橋上無縫線路縱向附加力有限元模型
仿真分析 444
11.3.1 相關概念 444
11.3.2 問題的描述 445
11.3.3 建模 445
11.3.4 加載與求解 450
參考文獻 454

1. ANSYS Workbench在壓力容器分析中的應用與技術評論 [欒春遠 編著]
2. 基于ANSYS的復合材料有限元分析和應用（第二版） [李占營 張承承 李成良 編著]
3. 土木工程CAD教程 [主編 董強 劉勇]
4. 土建工程制圖習題指導 [主編　劉勇　董強]
5. 土建工程制圖 [主編 董強 劉勇]
6. ANSYS AQWA軟件入門與提高 [主編 高巍]
7. ANSYS APDL參數化有限元分析技術及其應用實例（第二版） [李占營 闞川 等編著]
8. 基于ANSYS的復合材料有限元分析和應用 [李占營 闞川 張承承 編著]
9. 全新Marc實例教程及常見問題解析 [孫丹丹 陳火紅 編著]
10. 基于HyperMesh的結構有限元建模技術 [付亞蘭 謝素明 編著]
11. MSC產品實用技術技巧 [MSC軟件公司 編著]
12. ANSYS APDL參數化有限元分析技術及其應用實例 [張濤 等編著]
13. ANSYS Workbench基礎教程與實例詳解（第二版） [浦廣益]
14. ANSYS非線性有限元分析方法及范例應用 [張洪偉 高相勝 張慶余 編著]
15. ANSYS信號完整性分析與仿真實例 [房麗麗 編著]
16. 全新Marc實例教程與常見問題解析 [馮超 孫丹丹 陳火紅]
17. 壓力容器全模型ANSYS分析與強度計算新規范 [欒春遠 編著]
18. MSC Nastran動力分析指南 [田利思 李相輝 馬越峰 趙明宇]
19. ANSYS 13.0 Workbench數值模擬技術 [許京荊]
20. ANSYS二次開發及應用實例詳解 [師訪]
21. ANSYS流固耦合分析與工程實例 [宋學官 蔡林 張華 編著]
22. ANSYS ICEM CFD網格劃分技術實例詳解 [紀兵兵 陳金瓶]
23. ANSYS 10.0工程電磁分析技術與實例詳解 [閻照文]