基于Hypermesh的復(fù)雜巖質(zhì)邊坡實(shí)體混合單元剖分

黃天成

摘 要：復(fù)雜巖質(zhì)邊坡的數(shù)值分析往往受到地形條件、地質(zhì)構(gòu)造及加固措施等的限制，難以建立較為規(guī)則的網(wǎng)格模型，單純的四面體網(wǎng)格往往會(huì)增加計(jì)算時(shí)間，影響計(jì)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(dòng)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(zhì)邊坡為例，闡述利用Hypermesh軟件對(duì)三維邊坡進(jìn)行實(shí)體網(wǎng)格剖分的思路，并提出薄層單元及flac3D七節(jié)點(diǎn)退化單元的生成方法。

關(guān)鍵詞：Hypermesh；flac3D；復(fù)雜巖質(zhì)邊坡；網(wǎng)格剖分；薄層單元

中圖分類號(hào)：TP391.7 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：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(shí)體單元的基本方法

第一步：前期準(zhǔn)備。將Microstation、Rhinoceros等三維建模軟件構(gòu)建的幾何體導(dǎo)入Hypermesh，利用“autocleanup”“defeature”等命令進(jìn)行幾何清理及檢查[1]，對(duì)不規(guī)則的體可用“solid edit”進(jìn)行切割與合并。綜合考慮計(jì)算精度及速度，確定采用的單元類型、尺寸、規(guī)模，對(duì)局部復(fù)雜的幾何形態(tài)做適當(dāng)簡(jiǎn)化，明確剖分的重點(diǎn)部位[2][3]。

第二步：?jiǎn)卧史帧Ｔ贖ypermesh中建立實(shí)體單元的基本方法有以下三種：

（1）利用點(diǎn)、線等幾何要素生成面網(wǎng)格（“spline”、“spin”等命令），通過拉伸、旋轉(zhuǎn)等方式生成實(shí)體單元（“l(fā)ine 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(guī)則體（mappable），再剖分成六面體或五面體（“solid map”-“multi solids”命令）。

（3）手動(dòng)生成單元（“edit element”-“creat”命令）。

第三步：?jiǎn)卧獧z查。對(duì)于3D單元，利用“check element”中的“3-D”命令可根據(jù)不同的求解器選擇單元質(zhì)量指標(biāo)的限值（長(zhǎng)寬比、內(nèi)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(biāo)。同時(shí)還可查找重復(fù)單元（“duplicates”），歸并節(jié)點(diǎn)（“faces”“edges”），檢查沖突單元（“penetration”）。

第四步：?jiǎn)卧纸M（可選擇定義單元類型、荷載、約束、集合等）后直接導(dǎo)入ansys，abaqus等求解軟件，也可通過編程[5]或設(shè)置模板文件（*.tpl）導(dǎo)入無內(nèi)置接口的軟件，如flac3D。

2 工程剖分實(shí)例

2.1建模概況

本次建模對(duì)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(xiàn)陡壁與緩坡臺(tái)地相交替的地形。平面范圍：順河向690m，橫河向675m。

邊坡區(qū)域涉及的結(jié)構(gòu)面包括：層間錯(cuò)動(dòng)帶C3-1，層內(nèi)錯(cuò)動(dòng)帶LS337（層間設(shè)置置換洞進(jìn)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(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，采用四面體自由剖分難以控制單元數(shù)量、計(jì)算精度及時(shí)長(zhǎng)，因此考慮在重點(diǎn)研究的置換洞及水平錯(cuò)動(dòng)帶等部位采用六面體映射剖分，在地表及開挖區(qū)域采用自由剖分，局部如出現(xiàn)單元不協(xié)調(diào)，采用七節(jié)點(diǎn)退化單元（dbrick）、五面體單元（wedge、pyramid）進(jìn)行過渡。

本次網(wǎng)格剖分考慮的主要因素有：（1）斷層、錯(cuò)動(dòng)帶等潛在滑動(dòng)面及地表的概化；（2）根據(jù)計(jì)算經(jīng)驗(yàn)及工程區(qū)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(fēng)化類型，后期需按照不同類型對(duì)巖石的組別進(jìn)行細(xì)分；（5）對(duì)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(fā)生變化的單元進(jìn)行區(qū)分。

最終網(wǎng)格見圖2，共43307個(gè)單元，其中，六面體占80.1%，五面體占18.7%，四面體占0.8%，七節(jié)點(diǎn)退化單元占0.4%，分組數(shù)為197。模型較好地控制了單元的數(shù)量（相同的單元尺寸采用四面體剖分，單元數(shù)將增加兩倍），且重點(diǎn)區(qū)域網(wǎng)格質(zhì)量較高，置換洞均為規(guī)則的六面體單元。

經(jīng)單元檢查，節(jié)點(diǎn)連續(xù)，雅克比滿足計(jì)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(jié)點(diǎn)退化單元的生成方法

薄層單元[6]作為模擬斷層及錯(cuò)動(dòng)帶的結(jié)構(gòu)，在整體網(wǎng)格剖分后單獨(dú)生成較為便捷。假設(shè)在group1及group2公共面上生成薄層單元，先用“detach”命令將group1的節(jié)點(diǎn)從模型中分離，再用“translate”命令將分離出的節(jié)點(diǎn)沿該面法向按薄層厚度進(jìn)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(jié)點(diǎn)連續(xù)。在薄層單元的交叉處，一般會(huì)出現(xiàn)單元交錯(cuò)現(xiàn)象，用“project”“align”命令可進(jìn)行手動(dòng)調(diào)整。

Flac3D中的7節(jié)點(diǎn)退化單元[7]往往出現(xiàn)在幾何體的尖角處，在Hypermesh中可手動(dòng)生成，即先通過“detach”命令從相鄰單元分離出一個(gè)共用節(jié)點(diǎn)，再利用“edit element”中的選項(xiàng)“hex”生成八節(jié)點(diǎn)單元，最后合并節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)Hypermesh對(duì)該單元的支持。

3 結(jié)束語

（1）復(fù)雜邊坡模型的混合剖分需要從地形地質(zhì)、分析步驟、計(jì)算效率等多個(gè)方面進(jìn)行綜合考慮。

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

（3）Hypermesh能生成7節(jié)點(diǎn)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(xiàn)：

[1]張萍，鄭東健，張獻(xiàn)法.基于Hypermesh軟件的復(fù)雜地質(zhì)工程有限元建模[J].長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào)，2008，25（2）：84-86.

[2]王鈺棟，等.Hypermesh&HyperView;應(yīng)用技巧與高級(jí)實(shí)例[M].機(jī)械工程出版社，2013.

[3]古成中，吳新躍.有限元網(wǎng)格劃分及發(fā)展趨勢(shì)[J].計(jì)算機(jī)科學(xué)與探索，2008，2（3）：248-259.

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

[5]閆龍，徐衛(wèi)亞，張強(qiáng).基于Hypermesh復(fù)雜地質(zhì)體的FLAC3D實(shí)體建模[J].三峽大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，6（3）：368-377.

[6]姚緯明，李同春，任旭華，等.帶軟弱結(jié)構(gòu)面巖體的彈塑性有限元分析[J].河海大學(xué)學(xué)報(bào)，1999，5（3）：40-44.

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