CATIA－FLAC3D耦合建模方法及其應用

喬世范，謝濟仁，郭麒麟，許文龍

（1.中南大學 土木工程學院，長沙410075；2.長江委巖石工程總公司（武漢），武漢430010）

FLAC3D（Fast Lagrangian Analysis of Continua）是以拉格朗日法為基礎編寫的有限差分程序，三維快速拉格朗日法是基于三維顯式的一種有限差分法的數值分析方法，它可以模擬巖土或其他材料的三維力學行為。自20世紀90年代以來，已經在土建、交通、采礦、地質、水利等工業部門廣泛應用，逐漸成為巖土工程界的重要工具之一。

然而FLAC3D軟件在模型前處理上存在很大缺陷，主要表現為：建模過程不直觀、檢查不方便、工作量大耗費時間長。為了解決這些問題，一些學者做了一些工作：王樹仁等［1］基于 MIDAS／GTS軟件，采用 MATLAB語言編寫 MIDAS／GTS－FLAC3D接口程序。廖秋林等［2］基于 ANSYS軟件，采用ANSYS語言編寫了FLAC3D－ANSYS接口程序，借助有限元軟件ANSYS相對便捷的前處理功能，實現了層狀地質體FLAC3D模型的建立。胡斌等［3］采用FORTRAN語言編寫了FLAC3D的前處理程序，對于簡單地質體實現了快速、便捷的建模；Aringoli等利用Surfer和GID處理，建立地質體模型，通過Fish編 程 將 建 好 的 網 格 讀 入 到 FLAC3D中［4－7］。ANSYS、MIDAS／GTS等有限元計算軟件，針對規則的地質體能夠快速建立地質體的幾何模型和有限元模型，然而對于復雜的地質體，其建模過程復雜、工作量大、花費時間長［8－11］。法國 Dassault公司開發的CATIA軟件是集CAD／CAM／CAE于一體的優秀三維設計軟件，在機械、電子、航空、航天和汽車等行業獲得很廣泛應用。它從V5R19版本開始，增加了地形地質建模功能，用于土木工程的規劃與設計以及基礎工程等。一些單位在相關課題中已應用CATIA進行三維地質建模，開發了相應的地質插件，實現了地質點的轉換、鉆孔數據的導入、鉆孔信息的分層、平面圖的導入以及剖面圖的導入等操作，從而簡化了建模過程，具有比較好的實用性。然而，CATIA雖然有比較強的建模能力，但其有限元分析模塊比較薄弱，所以需要開發與巖土工程專業軟件FLAC3D的接口程序。

針對FLAC3D前處理建模存在的技術不足［12］，筆者借助CATIA進行復雜地質體及工程結構的幾何建模和網格劃分，通過編寫CATIA－FLAC3D數據轉換接口程序，將建好的模型導入到FLAC3D中，從而降低FLAC3D前處理建模的難度，實現復雜工程的FLAC3D三維模型快速、準確構建，彌補了CATIA在有限元計算方面的不足。

1 復雜地質體的建立和網格劃分

1.1 CATIA軟件簡介

CATIA軟件包括多個功能模塊，用于三維地質建模的模塊主要包括有數字曲面編輯（DSE）、創成式外形設計（GSD）、快速曲面重建（QSR）和雕刻（Shape Sculptor）模塊等。采用CATIA建立地質模型，建模方便，模型準確。

1.2 CATIA中建立地質模型

1.2.1 點云和地表Mesh面的形成 根據測繪部門所提供的工程地形圖，通過轉化軟件，生成地形圖等高線所有點的.asc文件。通過CATIA中DSE模塊導入，形成點云圖，見圖1。

將點云進行過濾、刪除明顯錯誤的數據點，通過mesh creation命令形成3D三角小網格面片組，采用DSE平臺中的網格面修改功能對三角網格面片組進行補點、刪點、修改網格形狀等操作，生成合理網格面，見圖2。

圖1 導入的點云

1.2.2 形成地表曲面 進入QSR模塊，點擊Power Fit命令，將網格面強制實體化，調整界面參數，生成接近真實情況的實體面。如圖3。

1.2.3 生成地質體模型 在地表面范圍內建立凸臺，進入零件設計模塊，點擊分割命令（插入／基于曲面的特征／分割），其中，分割元素為上步生成的地表面，生成的地質實體模型如圖4所示。

圖4 地質體模型

1.2.4 生成網格體模型 進入分析與模擬模塊的高級網格劃分工具（Advanced Meshing Tools）模塊，點擊 Meshing Methods工具欄下的網格劃分工具（OCTREE Tetrahedron Mesh）命令，設定單元體大小，最后生成地質體有限元網格模型［13－14］，如圖5所示。

圖5 網格體模型

2 CATIA－FLAC3D接口程序

CATIA有限元模型可采用采用四面體、六面體進行劃分，其單元形狀與FLAC3D所采用的四面體形網格和矩形網格形狀相似，但其每一單元節點編制的規則和節點坐標（單元數據）有差異。通過深入分析兩個軟件數據文件的內在聯系，在VS2010的平臺下，使用Visual Basic語言編寫了CATIA－FLAC3D接口程序，實現了在CATIA中建模和網格劃分，在FLAC3D中計算，使兩個軟件的優勢得到發揮。

2.1 FLAC3D與CATIA單元數據關系

CATIA主要提供四面體（Ⅰ）、四面體（Ⅱ）和六面體3種實體單元，可分別對應于FLAC3D中的Tetrahedron和Brick單元［15］，其單元節點編號對應關系見表1（以四面體（Ⅰ）為例）。

表1 CATIA與FLAC3D單元數據關系對照

CATIA導出的節點、單元數據格式與FLAC3D可識別的節點、單元數據格式對照分別見表2（以四面體（I）為例）和表3（以四面體（I）為例）所列內容。

表2 CATIA與FLAC3D節點數據格式對照表

表3 CATIA與FLAC3D單元數據格式對照表

2.2 CATIA與FLAC3D數據轉換思路

基于CATIA與FLAC3D單元數據關系，應用Visual Basic編寫了CATIA－FLAC3D接口程序。將CATIA導出的節點、單元數據通過編程存儲到幾個動態數組中，再利用CATIA－FLAC3D數據轉換接口程序轉換成FLAC3D可識別的數據文件，并存入一個.txt文件中，通過調用這個文件，在FLAC3D中生成有限元模型；依次施加邊界條件和初始條件、對材料參數賦值等，進行計算［13－15］。

2.3 CATIA與FLAC3D數據轉換實現過程

CATIA與FLAC3D數據轉換接口程序實現過程如下：

2.3.1 節點數據轉換 將CATIA的節點數據轉換為FLAC3D數據文件，需刪掉非數據列（即“GRID＊”列）以及多余的節點號列，當遇到關鍵字“GR”，開始存儲節點數據，將節點號和節點坐標分別存儲到動態數組node number（）和axis（）數組中。部分關鍵代碼如下：

2.3.2 單元數據轉換 將CATIA的單元數據轉換為FLAC3D數據文件。主要流程如下：

1）讀取單元編號，將單元編號存儲到動態數組element number（）。

2）讀取單元的所有節點，將這些節點存入動態數組element contact（）。

3）將網格組存入動態數組element group（）。

部分關鍵代碼如下：

2.3.3 單元分組 FLAC3D可識別的單元分組信息格式為GROUP組名。由表3可見，CATIA導出的單元數據中包括單元所屬的網格組信息。每個單元都會與網格組類型對應，此信息存儲于數組element group（）內，由此，可以通過網格組信息對單元進行分組，這樣就可實現單元分組信息的識別。筆者利用Visual Basic編寫的轉換程序，對每個單元進行分組，知道所有單元分組完成，程序終止。部分關鍵代碼如下：

2.3.4 轉換接口的流程圖及界面 執行完以上操作后，將轉換完畢的節點、單元數據及單元分組信息輸出到一個.txt文 件中，在 FLAC3D調用［16－18］。流程見圖6。CATIA－FLAC3D的接口程序界面如圖7所示。

圖6 算法流程圖

圖7 CATIA－FLAC3D接口程序界面

3 應用實例

3.1 工程背景

以某已建成的偏壓隧道為依托，驗證該方法的可行性和有效性。該地區的特點是地表形態比較復雜，巖層主要以石灰巖為主，其力學參數見表4。

表4 巖石參數

使用ANASYS，MIDAS等軟件建模，工程量大，建模繁瑣，而直接使用FLAC3D建模，建模周期長，費時費力［16，19］。采用該方法，能夠方便快速的建立幾何模型和有限元模型，利用CATIA－FLAC3D接口程序很方便的將模型導入FLAC3D中進行分析。

3.2 有限元計算模型及計算結果

根據以上流程，在CATIA中生成的有限元模型如圖8。導入到FLAC3D中的有限元模型如圖9。該模型上表面為自由面，不需要施加約束，其他5個面都施加法向約束，施加重力場，材料參數如表4所示，本構模型采用摩爾庫倫，見圖10。

圖8 CATIA有限元計算模型

圖9 FLAC3D有限元計算模型

圖10 Mohr－Coulomb屈服面

式中：c為凝聚力；φ為內摩擦角；s和θf分別為破壞面上的剪切應力和法向應力。

如果用主應力表示，式（1）可以改寫為：

式中：θ1和θ3分別為第一主應力和第三主應力；c表示凝聚力；φ為內摩擦角。計算結果如圖11［12，15］所示。

圖11 Z方向應力云圖

工程實例驗證表明，CATIA－FLAC3D耦合建模方法是有效、可行的。

4 結 論

1）基于CATIA平臺進行三維建模，生成有限元模型，通過 Visual Basic語言編寫了 CATIAFLAC3D的接口程序，實現了在CATIA中建模，在FLAC3D中進行有限元計算的功能。

2）CATIA作為一款優秀的設計建模軟件，但它的有限元分析計算模塊并不強大；FLAC3D是巖土方向的專業有限元計算軟件，它在前期處理上存在著一定的缺陷；通過CATIA－FLAC3D接口程序，能夠利用CATIA方便、快速、準確地建立地質模型，并利用FLAC3D進行有限元計算，減少了建模所需要的時間和精力，提高了效率，縮短了計算周期。

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