第4章ANSYS边坡工程应用实例分析

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156 第4章 ANSYS边坡工程应用实例分析

本章重点

边坡工程概述 ANSYS边坡稳定性分析步骤 ANSYS边坡稳定性实例分析

本章典型效果图

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边坡工程概述

边坡工程

边坡指地壳表部一切具有侧向临空面的地质体，是坡面、坡顶及其下部一定深度坡体的总

称。坡面与坡顶面下部至坡脚高程的岩体称为坡体。

倾斜的地面称为斜坡，铁路、公路建筑施工中，所形成的路堤斜坡称为路堤边坡；开挖路堑所形成的斜坡称为路堑边坡；水利、市政或露天煤矿等工程开挖施工所形成的斜坡也称为边坡；这些对应工程就称为边坡工程

对边坡工程进行地质分类时，考虑了下述各点。首先，按其物质组成，即按组成边坡的地层和岩性，可以分为岩质边坡和土质边坡(后者包括黄土边坡、砂土边坡、土石混合边坡)。地层和岩性是决定边坡工程地质特征的基本因素之一，也是研究区域性边坡稳定问题的主要依据.其次，再按边坡的结构状况进行分类。因为在岩性相同的条件下，坡体结构是决定边坡稳定状况的主要因素，它直接关系到边坡稳定性的评价和处理方法。最后，如果边坡已经变形，再按其主要变形形式进行划分。即边坡类属的称谓顺序是:岩性—结构—变形。

边坡工程对国民经济建设有重要的影响：在铁路、公路与水利建设中，边坡修建是不可避免的，边坡的稳定性严重影响到铁路、公路与水利工程的施工安全、运营安全以及建设成本。在路堤施工中，在路堤高度一定条件下，坡角越大，路基所占面积就越小，反之越大。在山区，坡角越大，则路堤所需填方量越少。因此，很有必要对边坡稳定性进行分析，

v1.0 可编辑可修改边坡变形破坏基本原理

应力分布状态

边坡从其形成开始，就处于各种应力作用(自重应力、构造应力、热应力等)之下。在边坡的发展变化过程中，由于边坡形态和结构的不断改变以及自然和人为营力的作用，边坡的应力状态也随之调整改变。根据资料及有限元法计算，应力主要发生以下变化：

（1)岩体中的主应力迹线发生明显偏转，边坡坡面附近最大主应力方向和坡而平行，而最小主应力方向则与坡面近于垂直，并开始出现水平方向的剪应力，其总趋势是由内向

外增多，愈近坡脚愈高，向坡内逐渐恢复到原始应力状态。

(2) 在坡脚逐渐形成明显的应力集中带。边坡愈陡，应力集中愈严重，最大最小主应力的

差值也愈大。此外，在边坡下边分别形成切向应力减弱带和水平应力紧缩带，而在靠

近边坡的表部所测得的应力值均大于按上覆岩体重量计算的数值。

(3) 边坡坡面岩体由于侧向应力近于零，实际上变为两向受力。在较陡边坡的坡面和顶面，

出现拉应力，形成拉应力带.拉应力带的分布位置与边坡的形状和坡面的角度有关。边

坡应力的调整和拉应力带的出现，是边坡变形破坏最初始的征兆。例如，由于坡脚应

力的集中，常是坡脚出现挤压破碎带的原因；由于坡面及坡顶出现拉应力带，常是表

层岩体松动变形的原因。

边坡岩体变形破坏基本形式

边坡在复杂的内外地质营力作用下形成，又在各种因素作用下变化发展。所有边坡都在不断变形过程中，通过变形逐步发展至破坏。其基本变形破坏形式主要有:松弛张裂、滑动、崩塌、158

v1.0 可编辑可修改倾倒、蠕动和流动。

影响边坡稳定性的因案

影响边坡稳定性的主要因素有:

(1)边坡材料力学特性参数：

包括弹性模量、泊松比、摩擦角、粘结力、容重、抗剪强度等参数。

(2)边坡的几何尺寸参数：

包括边坡高度、坡面角和边坡边界尺寸以及坡面后方坡体的几何形状，即坡体的不连续面与开挖面的坡度及方向之间的几何关系，它将确定坡体的各个部分是否滑动或塌落。

(3)边坡外部荷载：

包括地震力、重力场、渗流场、地质构造地应力等。

边坡稳定性的分析方法

分析边坡稳定问题，基本上可以分为两种方法：极限平衡方法和数值分析方法。

极限平衡方法

极限平衡方法的基本思想是:以摩尔一库仑抗剪强度理论为基础，将滑坡体划分成若干垂直条块，建立作用在垂直条块上的力的平衡方程式，求解安全系数。

这种计算分析方法遵循下列基本假定:

(1)遵循库仑定律或由此引伸的准则。

(2)将滑体作为均质刚性体考虑，认为滑体本身不变形，且可以传递应力。因此只研究滑动

面上的受力大小，不研究滑体及滑床内部的应力状态。

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160 (3)将滑体的边界条件大大简化。如将复杂的滑体型态简化为简单的几何型态；将滑面简化

为圆弧面、平面或折面；一般将立体问题简化为平面问题，取沿滑动方向的代表性剖面，以表征滑体的基本型态；将均布力简化为集中力，有时还将力的作用点简化为通过滑体重心。

极限平衡方法包括以下几种方法：

(1)瑞典圆弧滑动法

(2)简化逼肖普法

(3)简布普通条分法

(4)摩根斯坦-普赖斯法

(5)不平衡推力传递法

以上各种方法都是假定土体是理想塑性材料，把土条作为一个刚体，按照极限平衡的原则

进行力的分析，最大的不同之处在于对相邻上条之间的内力作何种假定，也就是如何增加已知条件使超静定问题变成静定问题。这些假定的物理意义不一样，所能满足的平衡条件也不相同，计算步骤有繁有简，使用时必须注意他们的适用场合。

极限平衡方法关键是对滑体的休型和滑面的形态进行分析、正确选用滑面的计算参数以及正确引用滑体的荷载条件等。因为极限平衡方法完全不考虑土体本身的应力-应变关系，不能真实地反映边坡失稳时的应力场和位移场，因此而受到质疑。

数值分析方法

数值数值分析方法考虑土体应力应变关系，克服了极限平衡方法完全不考虑土体本身的应力-应变关系缺点，为边坡稳定分析提供了较为正确和深入的概念。

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161 边坡稳定性数值分析方法主要包含以下几种方法：

(1)有限元法

有限单元法是数值模拟方法在边坡稳定评价中应用最早的方法，也是目前最广泛使用的一

种数值方法，可以用来求解弹性、弹塑性、粘弹塑性、粘塑性等问题。目前用有限元法求解边坡稳定主要有两种方法。

a.有限元滑面搜索法:将边坡体离散为有限单元格，按照施加的荷载及边界条件进行有限元计算可得到每个结点的应力张量。然后假定一个滑动面，用有限元数据给出滑动面任一点的向正应力和剪应力，根据摩尔一库仑准则可得该点的抗滑力，由此即能求得滑动面上每个结点的下滑力与抗滑力，再对滑动面上下滑力与抗滑力进行积分，就可以求得每一个滑动面的安全系数。

b.有限元强度折减法:首先选取初始折减系数，将岩土体强度参数进行折减，将折减后的参数作为输入，进行有限元计算，若程序收敛，则岩土体仍处于稳定状态，然后再增加折减系数，直到程序恰好不收敛，此时的折减系数即为稳定或安全系数。

(2)自适应有限元法

自20世纪70年代开始自适应理论被引入有限元计算，主导思想是减少前处理工作量和实现网格离散的客观控制。现已基本建立了一般弹性力学、流体动力学、渗流分析等领域的平面自适应分析系统，能使计算较为快速和准确。

(3)离散单元法

离散单元法的突出功能是它在反映岩块之间接触面的滑移、分离与倾翻等大位移的同时，又能计算岩块内部的变形与应力分布。因此，任何一种岩体材料都可引入到模型中，例如弹性、

v1.0 可编辑可修改粘弹性或断裂等均可考虑，故该法对块状结构、层状破裂或一般破裂结构岩体边坡比较合适。并且，它利用显式时间差分法(动态差分法)求解动力平衡方程，求解非线性大位移与动力问题比较容易。

离散元法在模拟过程中考虑了边坡失稳破坏的动态过程，允许岩土体存在滑动、平移、转动和岩体的断裂及松散等复杂过程，具有宏观上的不连续性和单个岩块休运动的随机性，可以较真实、动态地模拟边坡在形成和开挖过程中应力、位移和状态的变化，预测边坡的稳定性，因此在岩质高边坡稳定性的研究中得到广泛的应用。

(4)拉格朗日元法

为了克服有限元等方法不能求解大变形问题的缺陷，人们根据有限差分法的原理，提出了FLAC数值分析方法。该方法较有限元法能更好地考虑岩土体的不连续和大变形特性，求解速度较快。缺点是计算边界、单元网格的划分带有很大的随意性。

(5)界面元法

界面元法是一种基于累积单元变形于界面的界面应力元法模型，建立适用于分析不连续、非均匀、各向异性和各类非线性问题、场问题，以及能够完全模拟各类锚杆复杂空间布局和开挖扰动的方法。

有限元法用于边坡稳定性分析优点

有限元法考虑了介质的变形特征，真实地反应了边坡的受力状态。它可以模拟连续介质，也可以模拟不连续介质；能考虑边坡沿软弱结构面的破坏，也能分析边坡的整体稳定破坏。有限元法可以模拟边坡的圆弧滑动破坏和非圆弧滑动破坏。同时它还能适应各种边界条件和不规则几何形状，具有很广泛的适用性。

有限元法应用于边坡工程，有其独特的优越性。与一般解析方法相比，有限元法有以下优点：

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163 (1) 它考虑了岩体的应力-应变关系，求出每一单元的应力与变形，反映了岩体真实工作状

态。

(2)与极限平衡法相比，不需要进行条间力的简化，岩体自始至终处于平衡状态。

(3)不需要像极限平衡法一样事先假定边坡的滑动面，边坡的变形特性、塑性区形成都根据实际应力应变状态“自然”形成。

(4)若岩体的初始应力己知，可以模拟有构造应力边坡的受力状态。

(5)不但能像极限平衡法一样模拟边坡的整体破坏，还能模拟边坡的局部破坏，把边坡的整体破坏和局部破坏纳入统一的体系。

(6)可以模拟边坡的开挖过程，描述和反应岩体中存在的节理裂隙、断层等构造面。

鉴于有限元法具有如此多优点，本章借助通用有限元软件ANSYS来实现对边坡稳定性分析，用具体的边坡工程实例详细介绍应用ANSYS软件分析边坡稳定性问题。

ANSYS边坡稳定性分析步骤

ANSYS边坡稳定性分析一般分以下几个步骤：

1、创建物理环境

2、建立模型，划分网格，对模型的不同区域赋予特性

3、加边界条件和载荷

4、求解

5、后处理（查看计算结果）

创建物理环境

在定义边坡稳定性分析问题的物理环境时，进入ANSYS前处理器，建立这个边坡稳定性分

v1.0 可编辑可修改析的数学仿真模型。按照以下几个步骤来建立物理环境：

1、设置GUT菜单过滤

如果你希望通过GUI路径来运行ANSYS，当ANSYS被激活后第一件要做的事情就是选择菜单路径：Main Menu>Preferences，执行上述命令后，弹出一个如图4-1所示的对话框出现后，选择Structural。这样ANSYS会根据你所选择的参数来对GUI图形界面进行过滤，选择Structural以便在进行边坡稳定性分析时过滤掉一些不必要的菜单及相应图形界面。

2、定义分析标题（／TITLE）

在进行分析前，可以给你所要进行的分析起一个能够代表所分析内容的标题，比如“Slope stability Analysis”，以便能够从标题上与其他相似物理几何模型区别。用下列方法定义分析标题。

命令：／TITLE

GUI：Utility Menu>File>Change Title

3、说明单元类型及其选项（KEYOPT选项）

与ANSYS的其他分析一样，也要进行相应的单元选择。ANSYS软件提供了100种以上的单元类型，可以用来模拟工程中的各种结构和材料，各种不同的单元组合在一起，成为具体的物理问题的抽象模型。例如，不同材料属性的边坡土体用PLANE82单元来模拟。

大多数单元类型都有关键选项（KEYOPTS），这些选项用以修正单元特性。例如，PLANE82有如下KEYOPTS：

KEYOPT(2) 包含或抑制过大位移设置

KEYOPT(3) 平面应力、轴对称、平面应变或考虑厚度的平面应力设置

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165 KEYOPT(9) 用户子程序初始应力设置

设置单元以及其关键选项的方式如下：

命令：ET

KEYOPT

GUI：Main Menu> Preprocessor> Element Type> Add/Edit/Delete

图 4-1 GUI图形界面过滤

4定义单位

结构分析只有时间单位、长度单位和质量单位三个基本单位，则所有输入的数据都应当是

这三个单位组成的表达方式。如标准国际单位制下，时间是秒（s），长度是米（m），质量是千克（kg），则导出力的单位是kg?m/s2（相当于牛顿N），材料的弹性模量单位是kg/m?s2（相当于帕Pa）。

命令：/UNITS

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5、定义材料属性

大多数单元类型在进行程序分析时都需要指定材料特性，ANSYS 程序可方便地定义各种材

料的特性，如结构材料属性参数、热性能参数、流体性能参数和电磁性能参数等。

ANSYS 程序可定义的材料特性有以下三种：

（1）线性或非线性。

（2）各向同性、正交异性或非弹性。

（3）随温度变化或不随温度变化。

因为分析的边坡模型采用理想弹塑性模型（D-P 模型），因此边坡稳定性分析中需要定义边

坡中不同土体的材料属性：容重、弹性模量、泊松比、凝聚力以及摩擦角。

命令：MP

GUI ：Main Menu>Preprocessor>Material Props>Material Models

或 Main Menu>Solution>Load Step Opts>Other>Change Mat Props>Material

Models

进行边坡稳定性分析计算时，采用强度折减法来实现。首先选取初始折减系数F ，然后对

边坡土体材料强度系数进行折减，折减后凝聚力以及摩擦角分别见式4-1和式4-2。

F C C =‘ (4-1)

F

??tan tan =

‘ (4-2)

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167 C和?为边坡土体的初始凝聚力和摩擦角。

对C和?进行折减，输入边坡模型计算，若收敛，则此时边坡是稳定的；继续增大折减系数F，直到程序恰好不收敛，此时的折减系数即为稳定或安全系数。

建立模型和划分网格

创建好物理环境，就可以建立模型。在进行边坡稳定性分析时，需要建立模拟边坡土体的PLANE82单元。在建立好的模型各个区域内指定特性（单元类型、选项、实常数和材料性质等）以后，就可以划分有限元网格了。

通过GUI为模型中的各区赋予特性：

1、选择Main Menu> Preprocessor> Meshing> Mesh Attributes> Picked Areas

2、点击模型中要选定的区域。

3、在对话框中为所选定的区域说明材料号、实常数号、单元类型号和单元坐标系号。

4、重复以上三个步骤，直至处理完所有区域。

通过命令为模型中的各区赋予特性：

ASEL（选择模型区域）

MAT （说明材料号）

REAL（说明实常数组号）

TYPE（指定单元类型号）

ESYS（说明单元坐标系号）

v1.0 可编辑可修改施加约束和荷载

在施加边界条件和荷载时，既可以给实体模型（关键点、线、面）也可以给有限元模型（节点和单元）施加边界条件和荷载。在求解时，ANSYS程序会自动将加到实体模型上的边界条件和载荷转递到有限元模型上。

边坡稳定性分析中，主要是给边坡两侧和底部施加自由度约束。

命令：D

施加荷载包括自重荷载以及边坡开挖荷载。

求解

接着就可以进行求解，ANSYS程序根据现有选项的设置，从数据库获取模型和载荷信息并进行计算求解，将结果数据写入到结果文件和数据库中。

命令：SOLVE

GUI：Main Menu>Solution>Solve> Current LS

后处理

后处理的目的是以图和表的形式描述计算结果。对于边坡稳定性分析中，进入后处理器后，查看边坡变形图和节点的位移、应力和应变。随着强度折减系数的增大，边坡的水平位移增大，塑性应变急剧发展，塑性区发展形成一个贯通区域时，计算不收敛，认为边坡发生了破坏。通过研究位移、应变和塑性区域，来综合判断边坡的稳定性。

命令：／POST1

GUI： Main Menu> General Postproc

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v1.0 可编辑可修改补充说明

边坡的失稳破坏定义有很多种，对于采用弹塑性计算模型的边坡，需要综合考虑以下因素:（1）把有限元计算的收敛与否作为一个重要的衡量指标，边坡处于稳定状态，计算收敛，边坡破坏时，边坡不收敛。

（2）边坡失稳的同时还表现出位移急剧增加。

（3）边坡失稳总是伴随着塑性变形的明显增加和塑性区的发展，塑性区的发展状况反映了边坡是否处于稳定状态。

此外，采用弹塑性有限元法进行计算，它具有独特的优势：

(1)弹塑性分析假定岩体为弹塑性材料，岩体在受力初期处于弹性状态，达到一定的屈服准则后，处于塑性状态。采用弹塑性模型更能反应岩体的实际工作状态。

(2)岩体所承受的荷载超过材料强度时，就会出现明显的滑移破坏面。因此，弹塑性计算不需要假定破坏面的形状和位置，破坏面根据剪应力强度理论自动形成。当整个边坡破坏时，就会出现明显的塑性区。

(3 )能综合考虑边坡的局部失稳和整体失稳破坏。

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170 ANSYS 边坡稳定性实例分析

实例描述 米米米

米米米

边坡围岩1弹性材料

边坡围岩2弹塑性材料

图4-2 边坡模型

边坡实例选取国内某矿，该边坡考虑弹性和塑性两种材料，边坡尺寸如图4-2所示。分析目

的是对该边坡进行稳定性计算分析，以判断其稳定性和计算出安全系数，该边坡围岩材料属性见表4-1。

对于像边坡这样纵向很长的实体，计算模型可以简化为平面应变问题。假定边坡所承受的

v1.0 可编辑可修改外力不随Z轴变化，位移和应变都发生在自身平面内。对于边坡变形和稳定性分析，这种平面假设是合理的。实测经验表明，边坡的影响范围在2倍坡高范围，因此本文计算区域为边坡体横向延伸2倍坡高，纵向延伸3倍坡高。两侧边界水平位移为零，下侧边界竖向位移为零。弹性有限元的计算模型如图4-2所示。

采用双层模型，模型上部为理想弹塑性材料，下部为弹性材料，左右边界水平位移为零，下边界竖向位移为零。

双层模型考虑土体的弹塑性变形，其塑性区的发展，应力的分布更符合实际情况。

考虑双层模型，塑性区下部的单元可以产生一定的垂直变形和水平变形，基本消除了

由于边界效应在边坡下部出现的塑性区，更好地模拟了边坡的变形和塑性区的发展。 GUI操作方法

创建物理环境

1) 在【开始】菜单中依次选取【所有程序】/【】/【ANSYS Product Launcher】，得到“ Product Launcher”对话框。

2）选中【File Management】，在“Working Directory”栏输入工作目录“D:\ansys\example4-1”，在“Job Name”栏输入文件名“Slope”。

3）单击“RUN”按钮，进入的GUI操作界面。

4）过滤图形界面：Main Menu> Preferences，弹出“Preferences for GUI Filtering”对话框，选中“Structural”来对后面的分析进行菜单及相应的图形界面过滤。

5）定义工作标题：Utility Menu> File> Change Title，在弹出的对话框中输入“Slope stability Analysis”，单击“OK”，如图4-3。

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图4-3 定义工作标题

6）定义单元类型：

a.定义PLANE82单元：Main Menu> Preprocessor> Element Type> Add/Edit/Delete，弹

出一个单元类型对话框，单击“Add”按钮。弹出如图4-4所示对话框。在该对话框左面滚动栏

中选择“Solid”，在右边的滚动栏中选择“Quad 8node 82”，单击“Apply

”，就定义了“PLANE82”单元。

图4-4 定义PLANE82单元对话框

b.设定PLANE82单元选项：Main Menu> Preprocessor> Element Type> Add/Edit/Delete，弹出一个单元类型对话框，选中“Type 2 PLANE82”，单击“Options”按钮，弹出一个“PLANE82 element Type options”对话框，如图4-5所示。在“Element behavior K3”栏后面的下拉菜单中选取“Plane strain”，其它栏后面的下拉菜单采用ANSYS默认设置就可以，单击“OK”按

v1.0 可编辑可修改钮。

图4-5 PLANE82单元库类型选项对话框

通过设置PLANE82单元选项“K3”为“Plane strain”来设定本实例分析采取平面应

变模型进行分析。因为边坡是纵向很长的实体，故计算模型可以简化为平面应变问题。

8节点PLANE82单元每个节点有UX和UY两个自由度，比4节点PLANE42单元具有更

高的精确性，对不规则网格适应性更强。

7）定义材料属性

a.定义边坡围岩1材料属性：Main Menu> Preprocessor> Material Props> Material Models，弹出“Define Material Model Behavior”对话框，如图4-6所示。

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图 4-6 定义材料本构模型对话框

在图4-6中右边栏中连续双击“Structural> Linear> Elastic>Isotropic”后，又弹出如

图4-7所示“Linear Isotropic Properties for Material Number 1”对话框，在该对话框中“EX”后面的输入栏输入“3E10”，在“PRXY”后面的输入栏输入“”，单击“OK”。再在选中“Density”并双击，弹出如图4-8所示“Density for Material Number 1”对话框，在“DENS”后面的栏中输入边坡土体材料的密度“2500”，单击“OK”按钮。

再次在图4-6中右边的栏中连续双击“Structural>Nonlinear> Inelastic>Non-metal plasticity>drucker-prager”后，又弹出一个如图4-9所示对话框。在“Cohesion”栏添入边坡围岩材料1的内聚力“”，在“Fric Angle”栏添入边坡内摩擦角“42”，单击“OK”按钮。

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图

4-7 线弹性材料模型对话框图 4-8材料密度输入对话框

图4-9 定义边坡材料1DP模型对话框

b.定义边坡围岩2材料属性：在图4-6对话框中，单击“Material> New Model…”，弹出一个“Define Material ID”对话框，在“ID”栏后面输入材料编号“2”，单击“OK”按钮。弹出一个定义材料模型对话框对话框，选中“Material Model Number 2”，和定义边坡围岩1材料一样，在右边的栏中连续双击“Structural> Linear> Elastic>Isotropic”后，又弹出一个“Linear Isotropic Properties for Material Number 2”对话框，在该对话框中“EX”后

管道应力分析报告概述

管道应力分析概述 CAESARII软件介绍 CAESARII管道应力分析软件是由美国COADE公司研发的压力管道应力分析专业软件。它既可以分析计算静态分析，也可进行动态分析。CAESARII向用户提供完备的国际上的通用管道设计规范，使用方便快捷。交互式数据输入图形输出，使用户可直观查看模型（单线、线框，实体图）强大的3D计算结果图形分析功能，丰富的约束类型，对边界条件提供最广泛的支撑类型选择、膨胀节库和法兰库，并且允许用户扩展自己的库。钢结构建模，并提供多种钢结构数据库.结构模型可以同管道模型合并,统一分析膨胀节可通过标准库选取自动建模、冷紧单元/弯头，三通应力强度因子（SIF）的计算、交互式的列表编辑输入格式用户控制和选择的程序运行方式,用户可定义各种工况。 一、管道应力分析的原则 管道应力分析应保证管道在设计条件下具有足够的柔性，防止管道因热胀冷缩、管道支承或端点附加位移造成应力问题。 二、管道应力分析的主要内容 管道应力分析分为静力分析和动力分析。 静力分析包括： 1）压力荷载和持续荷载作用下的一次应力计算——防止塑性变形破坏； 2）管道热胀冷缩以及端点附加位移等位移荷载作用下的二次应力计算——防止疲劳破坏； 3）管道对设备作用力的计算——防止作用力太大，保证设备正常运行； 4）管道支吊架的受力计算——为支吊架设计提供依据； 5）管道上法兰的受力计算——防止法兰汇漏。 动力分析包括：

l）管道自振频率分析——防止管道系统共振； 2）管道强迫振动响应分析——控制管道振动及应力； 3）往复压缩机（泵）气（液）柱频率分析——防止气柱共振； 4）往复压缩机（泵）压力脉动分析——控制压力脉动值。 三、管道上可能承受的荷载 （1）重力荷载：包括管道自重、保温重、介质重和积雪重等； （2）压力荷载：压力载荷包括内压力和外压力； （3）位移荷载：位移载荷包括管道热胀冷缩位移、端点附加位移、支承沉降等； （4）风荷载； （5）地震荷载； （6）瞬变流冲击荷载：如安全阀启跳或阀门的快速启闭时的压力冲击： （7）两相流脉动荷载； （8）压力脉动荷载：如往复压缩机往复运动所产生的压力脉动； （9）机械振动荷载：如回转设备的振动。 四、管道应力分析的目的 1）为了使管道和管件内的应力不超过许用应力值； 2）为了使与管系相连的设备的管口荷载在制造商或国际规范（如 NEMA SM-23、API-610、API-6 17等）规定的许用范围内； 3）为了使与管系相连的设备管口的局部应力在 ASME Vlll的允许范围内； 4）为了计算管系中支架和约束的设计荷载；

生活中的材料力学实例分析

生活中的材料力学实例分析 一意义 材料力学主要研究杆件的应力、变形以及材料的宏观力学性能的学科。材料力学是固体力学的一个基础分支。它是研究结构构件和机械零件承载能力的基础学科。其基本任务是：将工程结构和机械中的简单构件简化为一维杆件，计算杆中的应力、变形并研究杆的稳定性，以保证结构能承受预定的载荷；选择适当的材料、截面形状和尺寸，以便设计出既安全又经济的结构构件和机械零件。 二对象 材料力学的研究通常包括两大部分：一部分是材料的力学性能(或称机械性能)的研究，材料的力学性能参量不仅可用于材料力学的计算，而且也是固体力学其他分支的计算中必不可少的依据；另一部分是对杆件进行力学分析。杆件按受力和变形可分为拉杆、压杆受弯曲(有时还应考虑剪切)的粱和受扭转的轴等几大类。杆中的内力有轴力、剪力、弯矩和扭矩。杆的变形可分为伸长、缩短、挠曲和扭转。在处理具体的杆件问题时，根据材料性质和变形情况的不同，可将问题分为线弹性问题、几何非线性问题、物理非线性问题三类。 材料力学不仅在复杂机械工程中有重要的作用，在生活中也很常见。比如随处可见的桥梁，桥是一种用来跨越障碍的大型构造物。确切的说是用来将交通路线 (如道路、铁路、水道等)或者

其他设施 (如管道、电缆等)跨越天然障碍 (如

河流、海峡、峡谷等)或人工障碍 (高速公路、铁路线)的构造物。桥的目的是允许人、车辆、火车或船舶穿过障碍。桥可以打横搭着谷河或者海峡两边，又或者起在地上升高，槛过下面的河或者路，让下面交通畅通无阻。 三分析

如果在安全的前提下，将原来的四个桥墩和三个拱形拉索变为三个桥墩和两个拱形拉索。不仅可以节约大量的材料，降低成本，而且有美观。 四总结 因此，材料力学是一门很有用的学科，能够处理各种各样复杂的问题。只要注意观察，生活中处处有材料力学的踪影。利用材料力学的知识对我们身边的事物进行分析并加以改进，对我们的生活和社会的发展能起到积极的促进作用。 （注：专业文档是经验性极强的领域，无法思考和涵盖全面，素材和资料部分来自网络，供参考。可复制、编制，期待你的好评与关注）

应力分析及疲劳分析报告

预处理塔应力分析及疲劳分析报告 编制： 校对： 审核： 全国压力容器标准化技术委员会 一九九八年九月

一、载荷分析 1.用户数据 根据XX设计院所提供的设计图，计算基础数据如下： 预处理塔容器的结构参数见附图1： 2.计算条件 (1) 强度计算条件： 材料在计算温度下的常数： 材料在常温(20℃)下的常数： 注[1]：设计应力强度及弹性模量按JB4732-95

(2) 疲劳计算条件： 载荷与时间的关系示意如下： 时间

二、结构分析 根据预处理塔的结构特点，应进行上封头、下封头及筒体开 孔三部分的应力分析，分别建立力学模型如下： 1．上封头部分： （1）力学模型 根据上封头的结构特点和载荷特性，采用了轴对称的力学模型。 图1：预处理塔上封头力学模型 （2）边界条件 预处理塔上封头边界条件的位置和方向如图1所示。 位移边界条件：

与筒体相连且在Y=0处： Y=0 力边界条件： 壳体内压P=0.85MPa。 中心接管处的边界等效压力P=8.877MPa。 (3) 单元选择 采用ANSYS 5.4有限元分析软件提供的轴对称8节点等参元（82）进行网格划分（如图1）。 2. 下封头部分： （1）力学模型 根据下封头的结构特点和载荷特性，采用了轴对称的力学模型。

图2：预处理塔下封头力学模型 （2）边界条件 预处理塔下封头边界条件的位置和方向如图2所示。 位移边界条件： 裙座根部：?Y=0 力边界条件： 壳体内压P=0.85MPa。 中心接管处的边界等效压力P=8.93MPa, 托架处(壳内物料重)的边界等效压力P=1.54MPa, 筒体直边端处的边界等效压力P=2.72MPa, (3) 单元选择 采用ANSYS 5.4有限元分析软件提供的轴对称8节点等参元（82）进行网格划分（如图2）。 3.筒体开孔部分： (1)力学模型 根据筒体的结构特性和载荷特性，力学模型关于XOZ平面近似对称（无开孔部分为应力均匀区），关于YOZ平面对称，只需计算结构的四分之一。 (2) 边界条件 柱壳开孔边界条件的位置和方向如图3所示。 位移边界条件：轴对称约束；Z=0时，?Z=0 力边界条件：壳体内压P=0.85MPa；筒体端的边界等效应力为：52.91MPa, 筒体端的边界等效应力为：3.94 (3) 单元选择

Solidworks应力分析实例

基于Solidworks 软件的应力分析 Solidworks 中有限元分析插件CosMos/Works 分析零件的静力学性能，得出载荷分布情况，定性的分析极限载荷（这里指的是最大扭矩）下的应力，应变分布及其安全性能。 其分析流程如下： 1、建立一个简化的分析模型； 2、指定材料、元素和截面； 3、加约束和载荷； 4、设定网格； 5、执行分析； 6、结果显示； 7、生成研究报告。 分析对象 电机轴及啮合处的变速器输入轴，离合器花键轴及啮合处的离合器从动盘，电机轴和离合器花键轴之间的联接螺栓（M12x40，10.9级）。 材料 目前公司所用的变速器输入轴材料为20CrMnTi ，考虑其受力情况，材料不一致，其强度就会不一样，容易导致强度差的失效，因此根据目前情况，电机轴和离合器花键轴均选用20CrMnTi 。 20CrMnTi 用于制作渗碳零件，渗碳淬火后有良好的耐磨性和抗弯强度，有较高的低温冲击韧性，切削加工性能良好，承受高速、中载或重载以及冲击和摩擦的主要零件。 对于截面为15的样件，经过第一次淬火880℃，第二次淬火870℃，油冷；在经过回火200℃，水冷和空冷。得到的力学性能：抗拉强度MPa b 1080=σ，屈服强度MPa s 835=σ，伸长率（式样的标距等于5倍直径时的伸长率）%105=δ，断面收缩率%45=ψ，冲击韧度2/55cm J A kU =，硬度217HB 。

对于截面尺寸小于等于100的样件，经过调质处理，力学性能：抗拉强度 MPa b 615=σ，屈服强度MPa s 395=σ，伸长率%175=δ，断面收缩率%45=ψ， 冲击韧度2/47cm J A kU =。本分析还要使用到的参数：泊松比25.0=μ，抗剪模量G=7.938GPa ，弹性模量E=207GPa ，密度23/108.7m N ?=ρ。 螺栓联接受力分析 螺纹联接根据载荷性质不同，其失效形式也不同。受静载荷螺栓的失效形式多为螺纹部分的塑性变形或螺栓被拉断；受变向载荷螺栓的失效形式多为螺栓的疲劳断裂；对于受横向载荷的绞制孔用螺栓联接，其失效形式主要为螺栓杆被剪断，螺栓杆或连接孔接触面被挤压破坏。 对于10.9级M12的普通螺栓，屈服强度MPa s 900=σ，拧紧力矩T=120N.m 。 为了增强螺纹连接的刚性、防松能力及防止受载螺栓的滑动，装配时需要预紧。 其拧紧扳手力矩T 用于克服螺纹副的阻力矩T1及螺母与被连接件支撑面间的摩擦力矩T2，装配时可用力矩扳手法控制力矩。 公式： d * F *K =T2+T1=T 0 拧紧扳手力矩T=120N.m ，其中K 为拧紧力矩系数，0 F 为预紧力N ，d 为螺 纹公称直径12mm 。 摩擦表面状态 K 值 有润滑 无润滑 精加工表面 0.1 0.12 一般工表面 0.13-0.15 0.18-0.21 表面氧化 0.2 0.24 镀锌 0.18 0.22 粗加工表面 - 0.26-0.3

压力容器接管应力分析ansys命令流

! ***************环境设置************************ finish /clear /filn, E42 /title, FEA of connecting zone of nozzle to cylinder /units,si !采用国际单位制 ! ********* 参数设定********* Rci=1000 ! 筒体内半径 tc=30 ! 筒体厚度 Rco=Rci+tc ! 筒体外半径 Lc=4000 ! 筒体长度 Rno=530 ! 接管外半径 tn=15 ! 接管厚度 Rni=Rno-tn ! 接管内半径 Li=193 ! 接管内伸长度 Ln=500 ! 接管外伸长度 rr1=30 ! 焊缝外侧过渡圆角半径 rr2=15 ! 焊缝内侧过渡圆角半径 pi=1.2 ! 内压 pc=pi*Rci**2/(Rco**2-Rci**2) ! 筒体端部轴向平衡面载荷 !****************前处理*************************** /prep7 et,1,95 ! 定义单元类型 mp,ex,1,2e5 ! 定义材料的弹性模量 mp,nuxy,1,0.3 ! 定义材料的泊松比 !****************建立模型*************************** cylind,Rco,Rci,0,-Lc/2,90,270, ! 生成筒体 wpoff,0,0,-Lc/2 ! 将工作面沿-Z向移动Lc/2 wprot,0,90, ! 将工作面沿yz旋转90度 cylind,Rno,Rni,-Ln-Rci-tc,-Rci+Li,90,180, ! 生成接管 vovlap,all ! 体overlap布尔运算 vsel,s,,,7 ! 选择筒体 *afun,deg ! 设定角度函数中单位为角度 ang1=2*nint(asin(Rno/Rci)) ! 计算接管区切割角度 wprot,0,0,-90+ang1 ! 旋转坐标系 vsbw,all ! 切割筒体 afillt,21,12,rr1 ! 筒体与接管外表面圆角 afillt,23,35,rr2 ! 筒体内表面与接管外表面圆角 afillt,14,25,rr2 ! 生成下辅助过渡圆角 afillt,13,19,rr1 ! 生成上辅助过渡圆角 alls askin,91,64 ! 根据接管外过渡圆角在接管内外表面上的交线蒙面vsba,4,13 ! 切割外伸接管 askin,83,72 ! 根据接管内过渡圆角在接管内外表面上的交线蒙面

管道应力分析

管道应力分析 应力分析 1. 进行应力分析的目的是 1) 使管道应力在规范的许用范围内； 2) 使设备管口载荷符合制造商的要求或公认的标准； 3) 计算出作用在管道支吊架上的荷载； 4) 解决管道动力学问题； 5) 帮助配管优化设计。 2. 管道应力分析主要包括哪些内容？各种分析的目的是什么？ 答：管道应力分析分为静力分析和动力分析。 1) 静力分析包括： (l)压力荷载和持续荷载作用下的一次应力计算――防止塑性变形破坏； (2)管道热胀冷缩以及端点附加位移等位移荷载作用下的二次应力计算――防止疲劳破坏； (3)管道对设备作用力的计算――防止作用力太大，保证设备正常运行； (4)管道支吊架的受力计算――为支吊架设计提供依据； (5)管道上法兰的受力计算――防止法兰泄漏；

(6)管系位移计算――防止管道碰撞和支吊点位移过大。 2) 动力分析包括： (l)管道自振频率分析――防止管道系统共振； (2)管道强迫振动响应分析――控制管道振动及应力； (3)往复压缩机气柱频率分析――防止气柱共振； (4)往复压缩机压力脉动分析――控制压力脉动值。 3. 管道应力分析的方法 管道应力分析的方法有：目测法、图表法、公式法、和计算机分析方法。选用什么分析方法，应根据管道输送的介质、管道操作温度、操作压力、公称直径和所连接的设备类型等设计条件确定。 4. 对管系进行分析计算 1) 建立计算模型（编节点号），进行计算机应力分析时，管道轴测图上需要提供给计算机软件数据的部位和需要计算机软件输出数据的部位称作节点： (1) 管道端点 (2) 管道约束点、支撑点、给定位移点 (3) 管道方向改变点、分支点 (4) 管径、壁厚改变点 (5) 存在条件变化点（温度、压力变化处）

压力容器ansys有限元分析设计实例

ANSYS 应力分析报告 Stress Analysis Report # 学生姓名 学号 任课教师 导师

目录 一. 设计分析依据 (2) 设计参数 (2) 计算及评定条件 (2) 二. 结构壁厚计算 (3) 三. 结构有限元分析 (4) 有限元模型 (5) 单元选择 (5) 边界条件 (6) 四. 应力分析及评定 (7) 应力分析 (7) 应力强度校核 (8) 疲劳分析校核 (11) 五. 分析结论 (11) 附录1设计载荷作用下结构应力沿路径线性化结果 (A) (11) 附录2设计载荷作用下结构应力沿路径线性化结果 (B) (13) 附录3设计载荷作用下结构应力沿路径线性化结果 (C) (14) 附录4设计载荷作用下结构应力沿路径线性化结果 (D) (15) 附录5设计载荷作用下结构应力沿路径线性化结果 (E) (17) 附录6设计载荷作用下结构应力沿路径线性化结果 (F) (18) 附录7设计载荷作用下结构应力沿路径线性化结果 (G) (19) 附录8设计载荷作用下结构应力沿路径线性化结果 (H) (21)

一. 设计分析依据 （1）《压力容器安全技术监察规程》 （2）JB4732-1995《钢制压力容器——分析设计标准》（2005确认版） 设计参数 表1 设备基本设计参数 计算及评定条件 (1) 静强度计算条件 表2 设备载荷参数

注：在计算包括二次应力强度的组合应力强度时，应选用工作载荷进行计算，本报告中分别选用设计载荷进行进行计算，故采用设计载荷进行强度分析结果是偏安全的。 (2) 材料性能参数 材料性能参数见表3，其中弹性模量取自JB4732-95表G-5，泊松比根据JB4732-95的公式（5-1）计算得到，设计应力强度分别根据JB4732-95的表6-2和表6-6确定。 表3 材料性能参数性能 (3) 疲劳计算条件 此设备接管a 、c 上存在弯矩，接管载荷数据如表4所示。 表4 接管载荷数据表 二. 结构壁厚计算 按照静载荷条件，根据JB4732-95第七章（公式与图号均为标准中的编号）确定设备各元件壁厚，因介质密度较小，不考虑介质静压，同时忽略设备自重。 1.筒体厚度 因P c =<=×1×=，故选用JB4732-95公式（7-1）计算筒体厚度： 计算厚度： c m i c P KS D P -= 2δ=97 .28.134********.2-???= 设计厚度： 12C C d ++=δδ=++=

应力分析报告

C型PMWD扶正器轴应力分析报告 一、背景 C型扶正器轴频繁出现断裂或裂缝，裂缝或者断裂位置如图1所示： 图1 出现问题的扶正器轴 为了分析此问题的原因，对扶正器轴进行应力分析，看其应力分布情况。 二、有限元应力分析 断裂或出现裂缝的扶正器轴规格是：硬度为HRC37~42，端部壁厚为4mm，与10芯插

座连接处根部为直角，如图2所示： 图1 扶正器轴规格 用ANSYS 软件对扶正器轴进行应力分析，轴的模型为原始状态，即壁厚4mm, 根部为直角，加载荷为扭矩1500Nm，约束和载荷的位置如图2所示： 图2 扶正器轴载荷图 分析的结果如图3，4所示： 图3 加载端应力分布图

图4 约束端应力分布图 经过观察轴应力集中位置恰好处于与10芯插座连接处根部，为了消除应力集中，采取在应力集中处（即为根部倒圆角），分为轴向圆角和偏向圆角。 1.而轴向圆角又分为R1.5和R 2.5；分别对以上2种情况做有限元应力分析，结果如图5~8 所示： （1）轴向圆角R1.5，壁厚4.5mm 图5 加载端应力分布图

图6 约束端应力分布图（2）轴向圆角R2.5，厚4.5mm 图7 加载端应力分布图

图8 约束端应力分布图 对比上述2种情况的应力分布图观察，发现轴向圆角R2.5比R1.5所受应力明显偏小；所以我们采取选择圆角为R2.5的再进行分析，现在对位置进行分析，如果以根部直角为圆心，轴向中心线方向为x轴，偏向圆角圆心位置又分为三种，分别为（0.5,0.5）、（-1,1）和（1,2）。见下图 2.三种偏向圆角分析结果如图9~14所示： （1）偏向圆角R2.5，厚4.5mm，圆心（0.5,1.5）

压力管道应力分析报告部分

压力管道应力分析部分 第一章任务与职责 1.管道柔性设计的任务 压力管道柔性设计的任务是使整个管道系统具有足够的柔性，用以防止由于管系的温度、自重、压和外载或因管道支架受限和管道端点的附加位移而发生下列情况； 1)因应力过大或金属疲劳而引起管道破坏； 2)管道接头处泄漏； 3)管道的推力或力矩过大，而使与管道连接的设备产生过大的应力或变形，影响设备正常运行； 4)管道的推力或力矩过大引起管道支架破坏； 2.压力管道柔性设计常用标准和规 1) GB 50316-2000《工业金属管道设计规》 2) SH/T 3041-2002《石油化工管道柔性设计规》 3) SH 3039-2003《石油化工非埋地管道抗震设计通则》 4) SH 3059-2001《石油化工管道设计器材选用通则》 5) SH 3073-95《石油化工企业管道支吊架设计规》 6) JB/T 8130.1-1999《恒力弹簧支吊架》 7) JB/T 8130.2-1999《可变弹簧支吊架》 8) GB/T 12777-1999《金属波纹管膨胀节通用技术条件》 9) HG/T 20645-1998《化工装置管道机械设计规定》 10)GB 150-1998《钢制压力容器》 3.专业职责 1) 应力分析(静力分析动力分析） 2) 对重要管线的壁厚进行计算 3) 对动设备管口受力进行校核计算 4) 特殊管架设计 4.工作程序 1) 工程规定 2) 管道的基本情况 3) 用固定点将复杂管系划分为简单管系，尽量利用自然补偿 4) 用目测法判断管道是否进行柔性设计 5) L型 U型管系可采用图表法进行应力分析 6) 立体管系可采用公式法进行应力分析 7) 宜采用计算机分析方法进行柔性设计的管道 8) 采用CAESAR II 进行应力分析 9) 调整设备布置和管道布置