基于Hypermesh的復雜巖質邊坡實體混合單元剖分

黃天成

摘 要：復雜巖質邊坡的數值分析往往受到地形條件、地質構造及加固措施等的限制，難以建立較為規則的網格模型，單純的四面體網格往往會增加計算時間，影響計算精度，因此，提高以六面體為主的混合單元剖分的靈活性及局部單元手動修改的能力成為一種改善上述局限的有效方法。文章以某電站壩肩高陡巖質邊坡為例，闡述利用Hypermesh軟件對三維邊坡進行實體網格剖分的思路，并提出薄層單元及flac3D七節點退化單元的生成方法。

關鍵詞：Hypermesh；flac3D；復雜巖質邊坡；網格剖分；薄層單元

中圖分類號：TP391.7 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）12-0027-02

Abstract： The numerical analysis of complex rock slope is often limited by the terrain conditions， geological structure and reinforcement measures， so it is difficult to establish a more regular mesh model. The simple tetrahedron grid often increases the calculation time and affects the calculation accuracy. It is an effective method to improve the flexibility of the hexahedron hybrid unit division and the ability to modify the local unit manually. Taking the high and steep rock slope of dam abutment of a certain power station as an example， this paper expounds the idea of using Hypermesh software to mesh 3D slope， and puts forward the method of generating thin layer element and flac3D seven-node degradation element.

Keywords： Hypermesh； flac3D； complex rock slope； mesh division； thin-layer element

1 Hypermesh軟件剖分實體單元的基本方法

第一步：前期準備。將Microstation、Rhinoceros等三維建模軟件構建的幾何體導入Hypermesh，利用“autocleanup”“defeature”等命令進行幾何清理及檢查[1]，對不規則的體可用“solid edit”進行切割與合并。綜合考慮計算精度及速度，確定采用的單元類型、尺寸、規模，對局部復雜的幾何形態做適當簡化，明確剖分的重點部位[2][3]。

第二步：單元剖分。在Hypermesh中建立實體單元的基本方法有以下三種：

（1）利用點、線等幾何要素生成面網格（“spline”、“spin”等命令），通過拉伸、旋轉等方式生成實體單元（“line drag”、“solid map”-“general”、“CFD tetramesh”、“tetramesh”-“tetra mesh”、“spin”等命令）。

（2）直接將體（solid）剖分成四面體（“tetramesh”-“volume tetra”命令），或先利用“solid edit”將其切割成規則體（mappable），再剖分成六面體或五面體（“solid map”-“multi solids”命令）。

（3）手動生成單元（“edit element”-“creat”命令）。

第三步：單元檢查。對于3D單元，利用“check element”中的“3-D”命令可根據不同的求解器選擇單元質量指標的限值（長寬比、內角、扭曲度、翹曲度、雅可比等）[4]。其中，雅克比（0～1）一般作為基本判斷指標。同時還可查找重復單元（“duplicates”），歸并節點（“faces”“edges”），檢查沖突單元（“penetration”）。

第四步：單元分組（可選擇定義單元類型、荷載、約束、集合等）后直接導入ansys，abaqus等求解軟件，也可通過編程[5]或設置模板文件（*.tpl）導入無內置接口的軟件，如flac3D。

2 工程剖分實例

2.1建模概況

本次建模對象為某大型電站左岸壩肩邊坡，坡高420m，表面自谷肩以下呈現陡壁與緩坡臺地相交替的地形。平面范圍：順河向690m，橫河向675m。

邊坡區域涉及的結構面包括：層間錯動帶C3-1，層內錯動帶LS337（層間設置置換洞進行加固），斷層F14、f114、f101、f102，卸荷裂隙J110、J101、J130、J139、J106、J115、J136、J134。

2.2 剖分思路

該模型地形與地質結構復雜，采用四面體自由剖分難以控制單元數量、計算精度及時長，因此考慮在重點研究的置換洞及水平錯動帶等部位采用六面體映射剖分，在地表及開挖區域采用自由剖分，局部如出現單元不協調，采用七節點退化單元（dbrick）、五面體單元（wedge、pyramid）進行過渡。

本次網格剖分考慮的主要因素有：（1）斷層、錯動帶等潛在滑動面及地表的概化；（2）根據計算經驗及工程區域綜合考慮模型的邊界范圍；（3）置換洞及開挖面分布；（4）巖石的風化類型，后期需按照不同類型對巖石的組別進行細分；（5）對分析過程（①天然自重→②一期置換→③坡面開挖→④二期置換）中材料屬性發生變化的單元進行區分。

最終網格見圖2，共43307個單元，其中，六面體占80.1%，五面體占18.7%，四面體占0.8%，七節點退化單元占0.4%，分組數為197。模型較好地控制了單元的數量（相同的單元尺寸采用四面體剖分，單元數將增加兩倍），且重點區域網格質量較高，置換洞均為規則的六面體單元。

經單元檢查，節點連續，雅克比滿足計算要求（80%的單元在0.7～1，最小值為0.26）。

2.3薄層單元及7節點退化單元的生成方法

薄層單元[6]作為模擬斷層及錯動帶的結構，在整體網格剖分后單獨生成較為便捷。假設在group1及group2公共面上生成薄層單元，先用“detach”命令將group1的節點從模型中分離，再用“translate”命令將分離出的節點沿該面法向按薄層厚度進行偏移，即在group1和group2間生成空隙，最后用“faces”“offset”命令在空隙中生成薄層單元，并使節點連續。在薄層單元的交叉處，一般會出現單元交錯現象，用“project”“align”命令可進行手動調整。

Flac3D中的7節點退化單元[7]往往出現在幾何體的尖角處，在Hypermesh中可手動生成，即先通過“detach”命令從相鄰單元分離出一個共用節點，再利用“edit element”中的選項“hex”生成八節點單元，最后合并節點，實現Hypermesh對該單元的支持。

3 結束語

（1）復雜邊坡模型的混合剖分需要從地形地質、分析步驟、計算效率等多個方面進行綜合考慮。

（2）在Hypermesh中生成模擬滑動面的薄層單元十分便捷、靈活，相比同類軟件具有明顯優勢。

（3）Hypermesh能生成7節點退化單元，為Flac3D模型的前處理提供了更全面的支持。

參考文獻：

[1]張萍，鄭東健，張獻法.基于Hypermesh軟件的復雜地質工程有限元建模[J].長江科學院院報，2008，25（2）：84-86.

[2]王鈺棟，等.Hypermesh&HyperView;應用技巧與高級實例[M].機械工程出版社，2013.

[3]古成中，吳新躍.有限元網格劃分及發展趨勢[J].計算機科學與探索，2008，2（3）：248-259.

[4]李海峰，吳冀川，等.有限元網格剖分與網格質量判定指標[J].中國機械工程，2012，3（3）：368-377.

[5]閆龍，徐衛亞，張強.基于Hypermesh復雜地質體的FLAC3D實體建模[J].三峽大學學報，2013，6（3）：368-377.

[6]姚緯明，李同春，任旭華，等.帶軟弱結構面巖體的彈塑性有限元分析[J].河海大學學報，1999，5（3）：40-44.

[7]陳育民，徐鼎平.FLAC/FLAC3D基礎與工程實例（第二版）[M].北京：中國水利水電出版社，2013.