关于ANSYS中初始地应力施加方法的介绍

        近日，水哥收到一粉丝对初始地应力施加这块的疑问，恰逢今天时间较多，便说说在ANSYS中如何施加初始地应力。

        针对岩土工程相关的分析而言，初始地应力这个概念比较重要，所谓初始地应力，也即是在我们对岩土进行任何外部操作之前，例如基坑开挖、边坡开挖、隧道开挖等，其本身内所存在的真实应力，也可称之为初始应力场。

        初始应力场是平衡的，这也是经常听到的一个概念，初始地应力平衡，更简单来讲，就是我们在进行分析之前的位移清零，应力不清零。

        为什么进行这样一步操作？

        答：为了使模型更加的符合实际。

        ANSYS中对于初始地应力的平衡没有类似设计软件那般（例如Midas NX）方便，也即是我们在做类似基坑开挖分析之前，首先要进行地应力平衡操作，ANSYS中主要分为两步进行：

        第一步：原始应力场计算，导出地应力文件；

        第二步：新建模型，导入地应力文件，施加重力，平衡地应力。

        关于导入与导出的命令流，ANSYS以前老版本是采用Iswrite与isfile命令，新版本可采用Inistate命令，但是Iswrite和isfile依然可以用，只是帮助文件已经没了这两个命令的解释，其用法同inistate，可具体查询Help。

        通过上两步操作，能达到位移清零，真实应力不清零的效果，下面以一个小例子来进行说明操作过程。

        某二维地块，长度50m，高度20m，需进行基坑开挖操作，操作之前，需进行初始地应力的平衡，材料为中风化砂质泥岩，弹性模量取1200Mpa,粘聚力取450Kpa，摩擦角取30度，采用DP材料模型。

        为详细对比每一步操作过程，本次分了三个模型进行操作演示：

        模型一：初始应力场计算，导出初始应力文件；

        模型二：导入初始应力文件，不施加重力荷载；

        模型三：导入初始应力文件，施加重力荷载。

一、模型一

只施加重力荷载，求解命令流如下，

!============

!建模

!============

/solu

nsel,s,loc,y,0

d,all,uy,0      

nsel,s,loc,x,0

nsel,a,loc,x,50

d,all,ux,0

allsel

acel,,10

ISWRITE,1     

solve 

计算结果如下：

位移云图：

应力云图：        

导出的初始应力文件位于工作目录下，其后缀名为ist，采用记事本即可打开。

二、模型二

只导入初始应力文件，求解命令流如下：

!============

!建模

!============

/solu

nsel,s,loc,y,0

d,all,uy,0    

nsel,s,loc,x,0

nsel,a,loc,x,50

d,all,ux,0

allsel

isfile,read,DY1,ist     

solve 

位移云图：

应力云图：

Y方向

X方向

从位移云图以及应力云图可知，

1）土体在初始地应力作用下，将产生向上膨胀的竖向位移。

2）土体在初始地应力作用下，不产生竖向应力，也不产生水平应力。说明ANSYS的初始地应力导入功能能保证土体应力自平衡；

 3）利用上述两点，可推导出，当模型同时在自重荷载和初始地应力作用下，将不会产生竖向位移，但会产生真实的土体应力。此结论可通过下面的模型三证明。

三、模型三

只导入初始应力文件，并施加重力荷载，求解命令流如下：

!============

!建模

!============

nsel,s,loc,y,0

d,all,uy,0       

nsel,s,loc,x,0

nsel,a,loc,x,50

d,all,ux,0

allsel

acel,,10

isfile,read,DY1,ist     

solve 

位移云图（最大值为1.2e-18，忽略不计）：

应力云图：

通过上述三个模型可看出，采用上述步骤可间接实现ANSYS当中初始地应力的施加。

祝好

ANSYS结构院

2019.06.14