基于HYPERMESH 復(fù)雜地質(zhì)體的FLAC3D實(shí)體建模

閆 龍 徐衛(wèi)亞 張 強(qiáng)

（1.河海大學(xué)巖土工程科學(xué)研究所，南京 210098；2.河海大學(xué)巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210098）

FLAC3D 是由美國(guó)Itasca公司開發(fā)的有限差分軟件，是3－D Fast Lagrangian Analysis Code的簡(jiǎn)稱，即三維快速拉格朗日分析程序.可以進(jìn)行土質(zhì)、巖石和其他材料的三維地下結(jié)構(gòu)受力特性模擬和塑性流動(dòng)分析，通過調(diào)整三維網(wǎng)格中的多面體單元來擬合實(shí)際結(jié)構(gòu)（實(shí)體），采用線性或非線性本構(gòu)模型表征單元材料，在外力作用下，當(dāng)材料發(fā)生屈服流動(dòng)后，網(wǎng)格能夠相應(yīng)地變形和移動(dòng)（大變形模式）.由于FLAC3D采用“顯式拉格朗日”算法和“混和－離散分區(qū)”技術(shù)，故而能夠非常準(zhǔn)確地模擬材料的塑性破壞和流動(dòng).此外，由于程序無需形成剛度矩陣，因此，基于較小內(nèi)存空間就能夠求解大范圍的二維或三維地下工程問題.又因其采用了自動(dòng)慣量和自動(dòng)阻尼系數(shù)，克服了顯式公式存在的小時(shí)間步長(zhǎng)的限制以及阻尼問題，使得FLAC3D 軟件在解決巖土工程問題上具有很大的優(yōu)越性，也是求解巖土工程問題的最理想工具之一［1］.

FLAC3D 軟件廣泛應(yīng)用于邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)、支護(hù)設(shè)計(jì)及評(píng)價(jià)、地下洞室、施工設(shè)計(jì)（開挖、填筑等）、河谷演化進(jìn)程再現(xiàn)、拱壩穩(wěn)定分析、隧道工程、礦山工程等多個(gè)領(lǐng)域［2］，在這些方面有其明顯的優(yōu)勢(shì).然而，由于FLAC3D 軟件在建立計(jì)算模型時(shí)采用鍵入數(shù)據(jù)或讀入命令行文件的方式，在建立復(fù)雜三維地質(zhì)體模型以及網(wǎng)格劃分等前處理方面存在一定的不足之處.

為了解決FLAC3D 軟件在模型建立及網(wǎng)格劃分等前處理方面的不足，許多學(xué)者采用不同方法彌補(bǔ)了FLAC3D 軟件的缺陷.胡斌［3］等采用FORTRAN 語言專門編寫了FLAC3D 的前處理程序，對(duì)于地表形態(tài)復(fù)雜、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.李根［4］、廖秋林［5］、周先齊［6］等基于AUTOCAD 和ANSYS軟件，利用ANSYS軟件在前處理方面的優(yōu)勢(shì)建立復(fù)雜模型，并采用不同的語言編寫了接口程序，將建立好的模型轉(zhuǎn)換為FLAC3D 模型.徐衛(wèi)亞、孟永東、鄭文棠［7－9］等在三維地質(zhì)可視化建模方面做了相關(guān)研究，并取得了一些成果.

HYPERMESH 是一個(gè)高性能的有限元前處理器，利用其強(qiáng)大的前處理功能對(duì)復(fù)雜地質(zhì)體進(jìn)行建模并劃分網(wǎng)格，可以大大提高建模效率.本文基于HYPERMESH 軟件進(jìn)行復(fù)雜模型的建立，采用FORTRAN 語言編寫了FLAC3D 前處理接口程序HYPERMESH＿TO＿FLAC3D，通過接口程序?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)信息自動(dòng)轉(zhuǎn)換.并通過水電站地下洞室群三維建模實(shí)例檢驗(yàn)了該方法的可行性和有效性.

1 FLAC3D前處理程序開發(fā)

HYPERMESH 軟件是由是美國(guó)Altair公司開發(fā)的CAE 軟件包，HYPERMESH 是一個(gè)高效的有限元前后處理器，能夠建立各種復(fù)雜模型的有限元和有限差分模型，與多種CAD 和CAE軟件有良好的接口并具有高效的網(wǎng)格劃分功能［10］.但是在HYPERMESH 中建立的計(jì)算模型不能直接導(dǎo)入至有限差分軟件FLAC3D 中進(jìn)行分析計(jì)算，通常需要借助其他軟件進(jìn)行多次轉(zhuǎn)換才能實(shí)現(xiàn).為此，采用FORTRAN 語言編寫FLAC3D 前處理接口程序，實(shí)現(xiàn)了將HYPERMESH 中建立的三維復(fù)雜地質(zhì)體模型快速導(dǎo)入至FLAC3D 進(jìn)行分析計(jì)算的目的.

1.1 HYPERMESH 模型的建立

HYPERMESH 模型是基于 AUTOCAD 和HYPERMESH 軟件共同完成的.首先通過AUTOCAD 二維基礎(chǔ)資料圖建立基本控制點(diǎn)、線，并存為DXF文件，將DXF 文件導(dǎo)入至HYPERMESH 軟件中，利用其強(qiáng)大的前處理功能進(jìn)行面與體的生成，并利用幾何清理、縫隙縫合、復(fù)雜曲面修補(bǔ)等功能完善實(shí)體模型；其次利用HPERMESH 高效的網(wǎng)格劃分功能對(duì)實(shí)體模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，對(duì)劃分好的網(wǎng)格進(jìn)行調(diào)整、質(zhì)量和連續(xù)性檢查、優(yōu)化等，以達(dá)到需要的精度要求；此外，還可在HYPERMESH 軟件中對(duì)不同結(jié)構(gòu)單元賦予相應(yīng)的單元類型、材料等參數(shù)等；最后輸出單元節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)和單元信息＊.txt文件.

1.2 FLAC3D與HYPERMESH 節(jié)點(diǎn)、單元數(shù)據(jù)關(guān)系

為了使HYPERMESH 所生成的節(jié)點(diǎn)、單元數(shù)據(jù)文件可以被FLAC3D 利用，因此必須了解FLAC3D與HYPERMESH 節(jié)點(diǎn)、單元數(shù)據(jù)之間的關(guān)系.通用的CAE前處理軟件在實(shí)體模型單元生成時(shí)有一定的規(guī)則，雖然HYPERMESH 軟件所采用的實(shí)體單元形狀與有限差分軟件FLAC3D 一致，但每個(gè)單元節(jié)點(diǎn)編號(hào)規(guī)則存在差異.因此，需對(duì)兩種軟件之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系進(jìn)行轉(zhuǎn)換.

二者在模擬對(duì)象的單元處理上，均提供了豐富的單元形狀.根據(jù)三維地質(zhì)體的實(shí)際特征、計(jì)算精度要求以及單元形狀的空間展布特點(diǎn)，在此處分析僅考慮以下4種單元：塊體單元（六面體網(wǎng)格單元）、楔形體單元、錐形體單元、四面體單元.基于上述4種單元體基本可以滿足任何復(fù)雜地質(zhì)體三維模型的建立.表1給出了HPYERMESH 與FLAC3D 軟件各自在單元節(jié)點(diǎn)編制的對(duì)應(yīng)關(guān)系.

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1.3 程序的實(shí)現(xiàn)及FLAC3D模型的自動(dòng)生成

依據(jù)上述單元數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)關(guān)系的分析，采用FORTRAN 語言編寫了HYPERMESH 到FLAC3D 接口程序HYPERMESH＿TO＿FLAC3D.程序的關(guān)鍵在于將模型的單元節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)從HYPERMESH 轉(zhuǎn)換到FLAC3D，同時(shí)還可以將HYPERMESH 軟件中賦予實(shí)體不同的單元類型遺傳至FLAC3D，方便在FLAC3D 中進(jìn)行材料賦值計(jì)算.最后通過接口程序直接生成FLAC3D 所需的數(shù)據(jù)文件.主要內(nèi)容如下：

1）首先在HYPERMESH 軟件安裝目錄…Altair＼hw10.0＼templates＼feoutput下建立名為flac3d的文件夾.利用 HYPERMESH 內(nèi)部命令編寫FLAC3D 輸出模板文件Hypermesh＿to＿FLAC3D＿new.tpl，并將其放在上述路徑下.

2）在HYPERMESH 軟件輸出面板中，把劃分好的網(wǎng)格模型（節(jié)點(diǎn)、單元信息）按照如圖1所示的方法輸出至＊.txt文件，可根據(jù)分析計(jì)算需要對(duì)網(wǎng)格信息按組進(jìn)行部分或全部輸出.在輸出單元信息之前利用HYPERMESH 中renumber工具對(duì)nodes（節(jié)點(diǎn)）、elems（單元）和comps（組）進(jìn)行重新排序.輸出的文件信息如下：

圖1 HYRPERMESH 輸出面板示意圖

3）將節(jié)點(diǎn)單元數(shù)據(jù)文件＊.txt 和 HYPERMESH＿

TO＿FLAC3D.exe接口程序放到同一目錄下，執(zhí)行接口程序HYPERMESH＿TO＿FLAC3D.exe，生成FLAC3D 支持的＊.flac3d文件，該文件包括節(jié)點(diǎn)信息（GRIDPOINTS）、單元信息（ZONES）以及分組信息（GROUPS），文件信息如下：

4）運(yùn)行FLAC3D，執(zhí)行file→import grid，將＊.flac3d文件導(dǎo)入至FLAC3D，此時(shí)FLAC3D 模型自動(dòng)生成.在FLAC3D 中施加邊界條件、初始條件及材料物理力學(xué)參數(shù)后方可進(jìn)行相關(guān)分析計(jì)算.

2 應(yīng)用實(shí)例——烏東德水電站地下洞室群三維數(shù)值模型

烏東德水電站是金沙江下游河段4 個(gè)水電梯級(jí)——烏東德、白鶴灘、溪洛渡和向家壩中的最上游梯級(jí)電站，壩址所處河段左岸隸屬四川省會(huì)東縣，右岸隸屬云南省昆明市祿勸縣.電站廠房采用地下式廠房，布置于壩址兩岸山體內(nèi)，主要建筑物由進(jìn)水口、引水洞、主廠房、安裝場(chǎng)、母線洞、主變室、調(diào)壓室、尾水洞、尾水出口等組成.主廠房、主變室、調(diào)壓室3大洞室依次平行布置，其中主廠房尺寸310m×31.8m×84.2m（長(zhǎng)×寬×高）、主變室尺寸251.2m×18.5m×34.2m（長(zhǎng)×寬×高）、調(diào)壓室尺寸215.74m×27m×108m（長(zhǎng)×寬×高）.壩址區(qū)河谷呈狹窄的“V”型，地形地貌及地質(zhì)條件較為復(fù)雜.

烏東德水電站地下洞室群三維數(shù)值模型以平行于主廠房的軸線并指向河谷向?yàn)閄 軸，垂直于廠房軸線并指向金沙江上游為Y 軸，Z 軸豎直向上.模型取X 軸向長(zhǎng)650m，Y 軸向?qū)?00m，Z 軸埋深700m.模型建立主要通過以下幾個(gè)步驟完成：

1）基礎(chǔ)圖件資料的整理.結(jié)合工程實(shí)際的平面圖、剖面圖等資料，利用AUTOCAD 軟件進(jìn)行地層界線、地質(zhì)構(gòu)造、等高線以及洞室邊界等控制點(diǎn)線的繪制.將數(shù)據(jù)文件存為＊.dxf格式文件.

2）實(shí)體模型的生成.將上述＊.dxf文件導(dǎo)入至HYPERMESH 軟件中，利用HYPERMESH 強(qiáng)大的前處理功能生成相應(yīng)的面，對(duì)生成的面進(jìn)行幾何清理、縫隙縫合、復(fù)雜曲面修補(bǔ)等.接著生成實(shí)體模型并進(jìn)行洞室開挖步的切割，如圖2所示.

3）網(wǎng)格劃分.網(wǎng)格劃分的關(guān)鍵是確定網(wǎng)格的劃分次序和合理的網(wǎng)格，按照從復(fù)雜部位到簡(jiǎn)單部位、從里到外的原則劃分.該模型采用四面體單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格，在劃分過程中，對(duì)斷層附近及洞室采用較密的網(wǎng)格，而對(duì)外部山體采用稀疏網(wǎng)格以便減少計(jì)算量.

圖2 HYPERMESH 三維數(shù)值模型

4）網(wǎng)格質(zhì)量和連續(xù)性檢查.網(wǎng)格質(zhì)量的高低直接影響計(jì)算結(jié)果的精度，在HYPERMESH 中可用細(xì)長(zhǎng)比、內(nèi)角、翹曲量、雅可比等指標(biāo)來衡量網(wǎng)格質(zhì)量的好壞.此處對(duì)本模型采用雅可比和翹曲量來控制網(wǎng)格的質(zhì)量，在劃分過程適時(shí)檢查網(wǎng)格質(zhì)量及連續(xù)性，調(diào)整或重新劃分不達(dá)標(biāo)的網(wǎng)格.經(jīng)修改后，模型共有366 312個(gè)單元，88 979個(gè)節(jié)點(diǎn)，所有單元均滿足指標(biāo)要求，HYPERMESH 網(wǎng)格模型如圖3（a）所示.

5）生成FLAC3D 三維模型.按照1.3 節(jié)敘述的方法，利用開發(fā)的接口程序HYPERMESH＿TO＿FLAC3D 生成FLAC3D 三維數(shù)值模型，如圖3（b）、（c）所示.

圖3 網(wǎng)格模型

3 結(jié) 論

1）FLAC3D 是巖土工程等領(lǐng)域?qū)I(yè)數(shù)值分析軟件，但其在復(fù)雜三維模型建立方面存在明顯不足，而HYPERMESH 具有強(qiáng)大的前處理功能和網(wǎng)格劃分功能.提出了基于HYPERMESH 建立模型、網(wǎng)格劃分，并通過接口程序?qū)YPERMESH 生成的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)單元數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)換為FLAC3D 模型的方法.該方法充分發(fā)揮了HYPERMESH 在前處理方面的優(yōu)勢(shì)，彌補(bǔ)了FLAC3D 在前處理方面的不足.實(shí)現(xiàn)在FLAC3D 中快速精確建立三維復(fù)雜地質(zhì)模型的目的，為工程技術(shù)人員節(jié)省了使用FLAC3D 軟件進(jìn)行模型建立時(shí)所需時(shí)間和精力.

2）將本文提出的方法應(yīng)用于烏東德水電站地下洞室群三維數(shù)值模型建立中，結(jié)果表明：提出的方法以及相應(yīng)的接口程序能夠?qū)崿F(xiàn)HYPERMESH 模型到FLAC3D 模型的轉(zhuǎn)換，使得FLAC3D 建模方便快捷，從而檢驗(yàn)了該方法的可行性和有效性.

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