復(fù)雜地質(zhì)建模前處理方法在巖石力學(xué)數(shù)值實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

楊文東，張艷美，俞然剛，程旭東，井文君

（中國(guó)石油大學(xué)（華東）儲(chǔ)運(yùn)與建筑工程學(xué)院，山東 青島 266580）

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是巖石力學(xué)教學(xué)體系中的重要組成部分，主要有現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)和室內(nèi)物理實(shí)驗(yàn)。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)?zāi)鼙容^真實(shí)地反映巖體的力學(xué)性質(zhì)，但是費(fèi)用較高，實(shí)驗(yàn)數(shù)量也很有限；室內(nèi)物理實(shí)驗(yàn)操作方便，但是僅限于測(cè)定巖石的基本力學(xué)性質(zhì)，對(duì)于復(fù)雜工況則難以實(shí)現(xiàn)。隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)手段逐步發(fā)展［1－3］。數(shù)值實(shí)驗(yàn)是利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)對(duì)巖石的變形和破裂進(jìn)行分析，具有通用性強(qiáng)、方便靈活、具有可重復(fù)性等特點(diǎn)，而且可以通過(guò)數(shù)值實(shí)驗(yàn)得到許多在常規(guī)實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)中難以觀測(cè)的重要信息。數(shù)值實(shí)驗(yàn)已成為巖石力學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要補(bǔ)充［4－6］。

數(shù)值實(shí)驗(yàn)時(shí)常常需要用多個(gè)軟件對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行相互驗(yàn)證，這就需要實(shí)現(xiàn)同一個(gè)網(wǎng)格模型在不同軟件間進(jìn)行轉(zhuǎn)換，否則需要進(jìn)行多次前處理建模，是十分繁瑣和耗時(shí)的。因此，本文重點(diǎn)介紹了復(fù)雜地質(zhì)建模前處理方法，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格模型在不同軟件間的轉(zhuǎn)換，為數(shù)值實(shí)驗(yàn)的前處理教學(xué)提供借鑒。

1 常用巖土分析軟件前處理不足

FLAC3D軟件已成為我國(guó)巖土力學(xué)與工程界發(fā)展最快、最具影響的數(shù)值分析軟件之一。該軟件在解決巖土工程問(wèn)題上具有很多的優(yōu)越性，已逐漸成為工程技術(shù)人員理想的三維數(shù)值模擬工具。盡管其計(jì)算能力非常強(qiáng)大，巖土本構(gòu)模型也很豐富，然而FLAC3D軟件在模型建立以及單元網(wǎng)格剖分等前處理問(wèn)題上卻存在種種不足，造成其建立復(fù)雜模型的不便性：

（1）FLAC3D軟件前處理沒(méi)有可視化界面，不像ANSYS或HYPERMESH等有限元軟件，具有比較強(qiáng)大的前處理功能。

（2）建立大型復(fù)雜的工程模型，特別是巖體富存有巖脈、斷層、破碎帶等復(fù)雜地質(zhì)體時(shí)，F(xiàn)LAC3D需要用FISH語(yǔ)言編寫(xiě)，甚至難于實(shí)現(xiàn)。

（3）建模工作量大，花費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)，直接造成三維數(shù)值建模耗時(shí)長(zhǎng)、效率低。

為解決FLAC3D軟件對(duì)于復(fù)雜地質(zhì)體數(shù)值建模的不足，文獻(xiàn)［7］采用FORTRAN 語(yǔ)言專門(mén)編寫(xiě)FLAC3D的前處理程序，對(duì)于巖層和地質(zhì)結(jié)構(gòu)較單一的地質(zhì)體實(shí)現(xiàn)了快速、便捷的建模。文獻(xiàn)［8，9］研究了FLAC3D二維平面應(yīng)變模型的快速建立，但對(duì)于采動(dòng)影響下的礦山工程和地質(zhì)結(jié)構(gòu)分布錯(cuò)綜復(fù)雜的邊坡、壩體等工程，其數(shù)值模型的建立及網(wǎng)格劃分仍然非常不便。文獻(xiàn)［10］利用已有的建模與網(wǎng)格劃分功能強(qiáng)大的ANSYS軟件對(duì)復(fù)雜工程地質(zhì)體建立相應(yīng)數(shù)值模型（包括網(wǎng)格劃分），再通過(guò)CALL命令實(shí)現(xiàn)FLAC3D模型的自動(dòng)生成，但網(wǎng)格數(shù)量較多時(shí)，CALL命令運(yùn)行時(shí)間慢、效率低。因此，本文基于FLAC3D3.0版本新增加的功能，采用ANSYS建模與網(wǎng)格劃分功能，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，通過(guò)Import Grid命令實(shí)現(xiàn)FLAC3D模型的自動(dòng)生成。模型轉(zhuǎn)換速度高，大大節(jié)省了工程數(shù)值建模的時(shí)間，為FLAC3D中模型的快速建立提供了有效途徑。

另外，此方法同樣適用于ANSYS到ABAQUS的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。盡管ABAQUS也有可視化的前處理界面，但是熟練掌握ANSYS的人員可以不必再花費(fèi)精力去摸索熟悉另外一種軟件，節(jié)省寶貴時(shí)間。因兩種思路相同，故下列篇幅以ANSYS到FLAC3D的轉(zhuǎn)換為主進(jìn)行介紹。

2 復(fù)雜地質(zhì)建模的方法

2.1 ANSYS軟件平臺(tái)

ANSYS作為以有限元分析為基礎(chǔ)的大型通用CAE軟件，是建立復(fù)雜計(jì)算模型有效而又方便快捷的平臺(tái)。

ANSYS提供CAD導(dǎo)入／導(dǎo)出接口，方便地實(shí)現(xiàn)了CAD之間模型的轉(zhuǎn)換工作，避免了重復(fù)建模工作，并允許用戶通過(guò)布爾運(yùn)算對(duì)實(shí)體模型進(jìn)行修改。強(qiáng)大的布爾運(yùn)算工具可以實(shí)現(xiàn)實(shí)體之間加、減、分類(lèi)、搭接、粘接和分割等復(fù)雜運(yùn)算，大大提高了建立復(fù)雜地質(zhì)體三維模型的效率。ANSYS提供了功能強(qiáng)大的實(shí)體模型網(wǎng)格劃分控制工具，如單元大小和形狀的控制、網(wǎng)格的劃分類(lèi)型（如自由網(wǎng)格、映射網(wǎng)格、智能尺寸網(wǎng)格、掃掠網(wǎng)格、自適應(yīng)網(wǎng)格等）以及網(wǎng)格的清除和細(xì)化。

2.2 ANSYS和FLAC3D單元數(shù)據(jù)關(guān)系

FLAC3D和ANSYS所采用的單元體形狀大都相同，但其單元數(shù)據(jù)，即每一單元節(jié)點(diǎn)編制的規(guī)則和節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)，卻有一定的差別。要將ANSYS所生成的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)和單元信息轉(zhuǎn)為FLAC3D所利用，有必要掌握ANSYS和FLAC3D單元數(shù)據(jù)之間的關(guān)系。在模擬對(duì)象的單元處理上，ANAYS和FLAC3D都提供了豐富的單元形狀。根據(jù)地質(zhì)體的特征、計(jì)算精度要求以及單元形狀的空間展布特點(diǎn)，考慮以下4種單元體：六面體、五面楔形體、五面錐形體和四面體。這4種單元體基本能滿足各種地質(zhì)體數(shù)值模型的建立。表1為ANSYS和FLAC3D這2種軟件所采用單元節(jié)點(diǎn)編制對(duì)應(yīng)關(guān)系。

表1 ANSYS與FLAC3D單元數(shù)據(jù)關(guān)系對(duì)照

由表1可見(jiàn)，由于ANSYS存在單元退化和二次單元等問(wèn)題，而FLAC3D則只能通過(guò)對(duì)ANSYS單元退化節(jié)點(diǎn)的判斷用低節(jié)點(diǎn)的單元替換退化的高節(jié)點(diǎn)單元。例如，六面體可退化為五面楔形體、五面錐形體和四面體。

2.3 ANSYS－FLAC3D數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

根據(jù)以上對(duì)ANSYS與FLAC3D單元數(shù)據(jù)關(guān)系的分析，將ANSYS建模并轉(zhuǎn)化為FLAC3D模型的主要步驟包括：

（1）ANSYS模型的建立及數(shù)據(jù)導(dǎo)出。在ANSYS中建立模型體并剖分好網(wǎng)格。執(zhí)行 Write Node File，將節(jié)點(diǎn)信息寫(xiě)入到node.dat文件中；同樣，執(zhí)行Write Element File，將單元信息寫(xiě)入element.dat文件中。或者直接利用APDL，即ANSYS參數(shù)化設(shè)計(jì)語(yǔ)言，編寫(xiě)命令文件，然后從Read Input From讀入運(yùn)行，快速生成節(jié)點(diǎn)文件node.dat和單元信息文件element.dat。

（2）ANSYS和FLAC3D的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。根據(jù)這2種軟件單元形狀及其單元數(shù)據(jù)的關(guān)系編寫(xiě)ANSYSFLAC3D數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口程序是FLAC3D復(fù)雜地質(zhì)體數(shù)值建模的關(guān)鍵所在。為此作者利用Visual Fortran語(yǔ)言編寫(xiě)了ANSYS－FLAC3D數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口程序。圖1是轉(zhuǎn)換程序的數(shù)據(jù)接口界面。

圖1 轉(zhuǎn)換程序的數(shù)據(jù)接口界面

首先，該程序?qū)NSYS單元節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)化成FLAC3D中單元的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)。其次，根據(jù)ANSYS提供的單元信息element.dat文件的格式特點(diǎn)，自動(dòng)判斷每一單元的形狀（六面體、五面楔形體、五面錐形體、四面體），并生成相應(yīng)的FLAC3D單元。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口程序除實(shí)現(xiàn)了2種軟件的單元數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換之外，還將ANSYS定義的不同實(shí)體的材料屬性遺傳到FLAC3D中，并形成相應(yīng)的組ZGroup，方便了計(jì)算參數(shù)的賦值。最后，運(yùn)行該程序產(chǎn)生FLAC3D所需要的計(jì)算數(shù)據(jù)文件flaczone.FLAC3D。

2.4 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口程序產(chǎn)生的數(shù)據(jù)文件（以某水電站拱壩模型中的部分?jǐn)?shù)據(jù)為例）

（1）產(chǎn)生節(jié)點(diǎn)的命令，主要格式為［11］：

（2）產(chǎn)生單元的命令，主要格式為：

（3）產(chǎn)生實(shí)體的命令，主要格式為：

其中“G”表示定義網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)（GRIDPOINTS），后面是網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)編號(hào)（ID number）和以浮點(diǎn)數(shù)形式表示的X，Y，Z坐標(biāo)；

“Z”表示單元類(lèi)型（ZONE TYPE），B8代表塊體單元，后面是單元的節(jié)點(diǎn)號(hào)。

下面是幾種單元類(lèi)型：

“ZGROUP”表示由單元組成的組（GROUP），后面是組名（GROUP NAME）和組中的單元號(hào)（ZONE ID NUMBERS）。

2.5 地質(zhì)模型的自動(dòng)生成

通過(guò)FLAC3D命令“Import Grid”調(diào)入由接口程序輸出的數(shù)據(jù)文件flaczone.FLAC3D，并加入邊界條件、初始條件以及巖土體的力學(xué)參數(shù)，即可生成數(shù)值模型。

3 大崗山水電站拱壩三維數(shù)值建模工程應(yīng)用

3.1 工程概況

大崗山水電站是大渡河干流近期開(kāi)發(fā)的大型水電工程之一［12］，壩址處控制流域面積達(dá)6.27萬(wàn)km2，占全流域的80%，多年平均流量約1 010m3／s，電站正常蓄水位1 130m，大壩壅水高度約180m，最大壩高約210m。

壩區(qū)基巖以澄江期花崗巖類(lèi)為主，此外，尚有輝綠巖脈、玢巖脈、花崗細(xì)晶巖脈、閃長(zhǎng)巖脈等各類(lèi)脈巖穿插發(fā)育于花崗巖中，尤以輝綠巖脈分布較多，并且伴有多處斷層發(fā)育，地質(zhì)條件復(fù)雜。對(duì)于這樣一個(gè)地表形態(tài)復(fù)雜且壩肩、壩基富存復(fù)雜地質(zhì)結(jié)構(gòu)的拱壩來(lái)說(shuō)，采用本文提出的數(shù)值建模方法可以快捷、有效地建立其三維模型。

3.2 雙曲拱壩三維數(shù)值建模過(guò)程

建模具體操作過(guò)程如下：

（1）準(zhǔn)備幾何圖形數(shù)據(jù)。根據(jù)工程設(shè)計(jì)CAD圖中提供的坐標(biāo)，分別建立壩體及周?chē)乇淼孛驳闹饕卣鼽c(diǎn)。并采用自下而上的方式依次生成主要的線和面。

（2）生成實(shí)體模型。用ANSYS軟件依次生成壩體和周?chē)襟w的實(shí)體模型。根據(jù)巖脈和斷層的產(chǎn)狀，考慮了走向，傾角和厚度，建立主要巖脈的體模型。通過(guò)布爾運(yùn)算，建立起了包含巖脈、斷層在內(nèi)的整個(gè)拱壩模型，見(jiàn)圖2。

圖2 大崗山拱壩整體計(jì)算模型

（3）劃分網(wǎng)格。ANSYS劃分網(wǎng)格主要選擇了計(jì)算精度高，運(yùn)算速度快的六面體單元，在尖角處或某些過(guò)渡區(qū)采用了四面體單元，并根據(jù)計(jì)算需要進(jìn)行網(wǎng)格密度和重點(diǎn)區(qū)域網(wǎng)格細(xì)化的控制。最終，該模型共劃分20 548個(gè)節(jié)點(diǎn)，39 481個(gè)單元，并根據(jù)巖性定義了17種材料。剖分完網(wǎng)格的壩體模型，見(jiàn)圖3。

圖3 大崗山拱壩三維數(shù)值模型

（4）生成FLAC3D三維模型。利用ANSYS生成的node.dat和element.dat文件和作者開(kāi)發(fā)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口程序生成FLAC3D可調(diào)用的模型數(shù)據(jù)文件，最后生成FLAC3D三維數(shù)值模型。FLAC3D中拱壩三維數(shù)值模型，如圖4所示。ABAQUS中拱壩三維數(shù)值模型，如圖5所示。

圖4 FLAC3D中拱壩三維數(shù)值模型

圖5 ABAQUS中拱壩三維數(shù)值模型

4 體會(huì)與認(rèn)識(shí)

數(shù)值實(shí)驗(yàn)已成為巖石力學(xué)課程教學(xué)與科研的重要手段，是實(shí)驗(yàn)教學(xué)與工程實(shí)踐的重要補(bǔ)充。計(jì)算模型的前處理是數(shù)值實(shí)驗(yàn)的重要步驟，為了實(shí)現(xiàn)不同軟件針對(duì)同一問(wèn)題的模擬并相互驗(yàn)證，需要實(shí)現(xiàn)同一模型在不同軟件間的轉(zhuǎn)換，否則如果重新建模將耗時(shí)費(fèi)力。本文針對(duì)不同軟件間網(wǎng)格模型的相互轉(zhuǎn)換為例進(jìn)行了說(shuō)明與講解，該教學(xué)內(nèi)容在石油大學(xué)研究生課程“土木工程軟件分析與應(yīng)用”的教學(xué)中取得了不錯(cuò)的效果，學(xué)生由此掌握了不同軟件前處理模型相互轉(zhuǎn)換的方法，提高了前處理建模的效率，為后期進(jìn)行數(shù)值實(shí)驗(yàn)計(jì)算提供了基礎(chǔ)。

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