復雜地質建模前處理方法在巖石力學數值實驗教學中的應用

楊文東，張艷美，俞然剛，程旭東，井文君

（中國石油大學（華東）儲運與建筑工程學院，山東 青島 266580）

實驗教學是巖石力學教學體系中的重要組成部分，主要有現場實驗和室內物理實驗?，F場實驗能比較真實地反映巖體的力學性質，但是費用較高，實驗數量也很有限；室內物理實驗操作方便，但是僅限于測定巖石的基本力學性質，對于復雜工況則難以實現。隨著計算機的發展，計算機輔助教學手段逐步發展［1－3］。數值實驗是利用計算機仿真技術對巖石的變形和破裂進行分析，具有通用性強、方便靈活、具有可重復性等特點，而且可以通過數值實驗得到許多在常規實驗室實驗中難以觀測的重要信息。數值實驗已成為巖石力學物理實驗教學的重要補充［4－6］。

數值實驗時常常需要用多個軟件對計算結果進行相互驗證，這就需要實現同一個網格模型在不同軟件間進行轉換，否則需要進行多次前處理建模，是十分繁瑣和耗時的。因此，本文重點介紹了復雜地質建模前處理方法，實現網格模型在不同軟件間的轉換，為數值實驗的前處理教學提供借鑒。

1 常用巖土分析軟件前處理不足

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

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

（2）建立大型復雜的工程模型，特別是巖體富存有巖脈、斷層、破碎帶等復雜地質體時，FLAC3D需要用FISH語言編寫，甚至難于實現。

（3）建模工作量大，花費時間長，直接造成三維數值建模耗時長、效率低。

為解決FLAC3D軟件對于復雜地質體數值建模的不足，文獻［7］采用FORTRAN 語言專門編寫FLAC3D的前處理程序，對于巖層和地質結構較單一的地質體實現了快速、便捷的建模。文獻［8，9］研究了FLAC3D二維平面應變模型的快速建立，但對于采動影響下的礦山工程和地質結構分布錯綜復雜的邊坡、壩體等工程，其數值模型的建立及網格劃分仍然非常不便。文獻［10］利用已有的建模與網格劃分功能強大的ANSYS軟件對復雜工程地質體建立相應數值模型（包括網格劃分），再通過CALL命令實現FLAC3D模型的自動生成，但網格數量較多時，CALL命令運行時間慢、效率低。因此，本文基于FLAC3D3.0版本新增加的功能，采用ANSYS建模與網格劃分功能，經過數據轉換，通過Import Grid命令實現FLAC3D模型的自動生成。模型轉換速度高，大大節省了工程數值建模的時間，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的數據轉換。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精力去摸索熟悉另外一種軟件，節省寶貴時間。因兩種思路相同，故下列篇幅以ANSYS到FLAC3D的轉換為主進行介紹。

2 復雜地質建模的方法

2.1 ANSYS軟件平臺

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

ANSYS提供CAD導入／導出接口，方便地實現了CAD之間模型的轉換工作，避免了重復建模工作，并允許用戶通過布爾運算對實體模型進行修改。強大的布爾運算工具可以實現實體之間加、減、分類、搭接、粘接和分割等復雜運算，大大提高了建立復雜地質體三維模型的效率。ANSYS提供了功能強大的實體模型網格劃分控制工具，如單元大小和形狀的控制、網格的劃分類型（如自由網格、映射網格、智能尺寸網格、掃掠網格、自適應網格等）以及網格的清除和細化。

2.2 ANSYS和FLAC3D單元數據關系

FLAC3D和ANSYS所采用的單元體形狀大都相同，但其單元數據，即每一單元節點編制的規則和節點坐標，卻有一定的差別。要將ANSYS所生成的節點坐標和單元信息轉為FLAC3D所利用，有必要掌握ANSYS和FLAC3D單元數據之間的關系。在模擬對象的單元處理上，ANAYS和FLAC3D都提供了豐富的單元形狀。根據地質體的特征、計算精度要求以及單元形狀的空間展布特點，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體數值模型的建立。表1為ANSYS和FLAC3D這2種軟件所采用單元節點編制對應關系。

表1 ANSYS與FLAC3D單元數據關系對照

由表1可見，由于ANSYS存在單元退化和二次單元等問題，而FLAC3D則只能通過對ANSYS單元退化節點的判斷用低節點的單元替換退化的高節點單元。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數據轉換

根據以上對ANSYS與FLAC3D單元數據關系的分析，將ANSYS建模并轉化為FLAC3D模型的主要步驟包括：

（1）ANSYS模型的建立及數據導出。在ANSYS中建立模型體并剖分好網格。執行 Write Node File，將節點信息寫入到node.dat文件中；同樣，執行Write Element File，將單元信息寫入element.dat文件中?；蛘咧苯永肁PDL，即ANSYS參數化設計語言，編寫命令文件，然后從Read Input From讀入運行，快速生成節點文件node.dat和單元信息文件element.dat。

（2）ANSYS和FLAC3D的數據轉換。根據這2種軟件單元形狀及其單元數據的關系編寫ANSYSFLAC3D數據轉換接口程序是FLAC3D復雜地質體數值建模的關鍵所在。為此作者利用Visual Fortran語言編寫了ANSYS－FLAC3D數據轉換接口程序。圖1是轉換程序的數據接口界面。

圖1 轉換程序的數據接口界面

首先，該程序將ANSYS單元節點坐標轉化成FLAC3D中單元的節點坐標。其次，根據ANSYS提供的單元信息element.dat文件的格式特點，自動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），并生成相應的FLAC3D單元。數據轉換接口程序除實現了2種軟件的單元數據轉換之外，還將ANSYS定義的不同實體的材料屬性遺傳到FLAC3D中，并形成相應的組ZGroup，方便了計算參數的賦值。最后，運行該程序產生FLAC3D所需要的計算數據文件flaczone.FLAC3D。

2.4 數據轉換接口程序產生的數據文件（以某水電站拱壩模型中的部分數據為例）

（1）產生節點的命令，主要格式為［11］：

（2）產生單元的命令，主要格式為：

（3）產生實體的命令，主要格式為：

其中“G”表示定義網格節點（GRIDPOINTS），后面是網格節點編號（ID number）和以浮點數形式表示的X，Y，Z坐標；

“Z”表示單元類型（ZONE TYPE），B8代表塊體單元，后面是單元的節點號。

下面是幾種單元類型：

“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（ZONE ID NUMBERS）。

2.5 地質模型的自動生成

通過FLAC3D命令“Import Grid”調入由接口程序輸出的數據文件flaczone.FLAC3D，并加入邊界條件、初始條件以及巖土體的力學參數，即可生成數值模型。

3 大崗山水電站拱壩三維數值建模工程應用

3.1 工程概況

大崗山水電站是大渡河干流近期開發的大型水電工程之一［12］，壩址處控制流域面積達6.27萬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。

壩區基巖以澄江期花崗巖類為主，此外，尚有輝綠巖脈、玢巖脈、花崗細晶巖脈、閃長巖脈等各類脈巖穿插發育于花崗巖中，尤以輝綠巖脈分布較多，并且伴有多處斷層發育，地質條件復雜。對于這樣一個地表形態復雜且壩肩、壩基富存復雜地質結構的拱壩來說，采用本文提出的數值建模方法可以快捷、有效地建立其三維模型。

3.2 雙曲拱壩三維數值建模過程

建模具體操作過程如下：

（1）準備幾何圖形數據。根據工程設計CAD圖中提供的坐標，分別建立壩體及周圍地表地貌的主要特征點。并采用自下而上的方式依次生成主要的線和面。

（2）生成實體模型。用ANSYS軟件依次生成壩體和周圍山體的實體模型。根據巖脈和斷層的產狀，考慮了走向，傾角和厚度，建立主要巖脈的體模型。通過布爾運算，建立起了包含巖脈、斷層在內的整個拱壩模型，見圖2。

圖2 大崗山拱壩整體計算模型

（3）劃分網格。ANSYS劃分網格主要選擇了計算精度高，運算速度快的六面體單元，在尖角處或某些過渡區采用了四面體單元，并根據計算需要進行網格密度和重點區域網格細化的控制。最終，該模型共劃分20 548個節點，39 481個單元，并根據巖性定義了17種材料。剖分完網格的壩體模型，見圖3。

圖3 大崗山拱壩三維數值模型

（4）生成FLAC3D三維模型。利用ANSYS生成的node.dat和element.dat文件和作者開發的數據轉換接口程序生成FLAC3D可調用的模型數據文件，最后生成FLAC3D三維數值模型。FLAC3D中拱壩三維數值模型，如圖4所示。ABAQUS中拱壩三維數值模型，如圖5所示。

圖4 FLAC3D中拱壩三維數值模型

圖5 ABAQUS中拱壩三維數值模型

4 體會與認識

數值實驗已成為巖石力學課程教學與科研的重要手段，是實驗教學與工程實踐的重要補充。計算模型的前處理是數值實驗的重要步驟，為了實現不同軟件針對同一問題的模擬并相互驗證，需要實現同一模型在不同軟件間的轉換，否則如果重新建模將耗時費力。本文針對不同軟件間網格模型的相互轉換為例進行了說明與講解，該教學內容在石油大學研究生課程“土木工程軟件分析與應用”的教學中取得了不錯的效果，學生由此掌握了不同軟件前處理模型相互轉換的方法，提高了前處理建模的效率，為后期進行數值實驗計算提供了基礎。

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