基于CATIA平臺(tái)的復(fù)雜地質(zhì)體三維建模研究

吳雙宇

（四川城市職業(yè)學(xué)院）

引言

巖土體的三維數(shù)值模型的快速、準(zhǔn)確建立一直是巖土工程數(shù)值分析中經(jīng)常遇到的問(wèn)題。然而，F(xiàn)LAC3D自身的建模能力較弱對(duì)于復(fù)雜三維模型的建立具有相當(dāng)?shù)碾y度。本文以CATIA-FLAC3D耦合技術(shù)為基礎(chǔ)，利用CATIA軟件的強(qiáng)大建模能力，實(shí)現(xiàn)了對(duì)復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境下地質(zhì)體的數(shù)值分析。

1　基于CATIA平臺(tái)的復(fù)雜地質(zhì)體三維模型建立

1.1　建模流程

利用CATIA軟件建立研究區(qū)域的三維地質(zhì)模型可分為四個(gè)部分的內(nèi)容，地質(zhì)數(shù)據(jù)的處理、構(gòu)建三維地質(zhì)實(shí)體、建立地質(zhì)界面、分割巖體。詳細(xì)的建模流程見(jiàn)圖1。

1.2　對(duì)應(yīng)關(guān)系

在CATIA的有限元單元網(wǎng)格劃分模塊中提供了兩種四面體網(wǎng)格、一種六面體網(wǎng)格。通過(guò)與FLAC3D中網(wǎng)格進(jìn)行分析與對(duì)比，發(fā)現(xiàn)兩種軟件中的網(wǎng)格形狀與構(gòu)成方式基本相同，僅僅在單元節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)的編制規(guī)則上存在區(qū)別，同時(shí)網(wǎng)格生成規(guī)則和網(wǎng)格分組編制規(guī)則上也有所不同。

1.3　基于MATLAB平臺(tái)的接口程序設(shè)計(jì)

根據(jù)CATIA和FLAC3D數(shù)據(jù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，采用MATLAB軟件編寫(xiě)CATIA-FLAC3D接口轉(zhuǎn)換程序。并利用UG設(shè)計(jì)了接口程序界面，將CATIA模型將CATIA中導(dǎo)出的網(wǎng)格數(shù)據(jù)dat格式文件保存在指定位置，在MATLAB中打開(kāi)接口程序并運(yùn)行，即可生成FLAC3D網(wǎng)格數(shù)據(jù)文件。在FLAC3D菜單中直接利用import命令調(diào)用網(wǎng)格文件，加入初始條件、巖土體參數(shù)以及邊界條件，便可生成三維地質(zhì)數(shù)值模型。

圖1　CATIA復(fù)雜三維地質(zhì)建模流程圖

2　實(shí)例

本文以雅康高速二郎山隧道區(qū)域以例，建立三維地質(zhì)模型。①生成地形網(wǎng)格面：利用CATIA軟件讀取asc格式坐標(biāo)數(shù)據(jù)文件，生成地形坐標(biāo)點(diǎn)云，并對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行一定的處理后，利用曲面擬合生成不規(guī)則地形網(wǎng)格面。②構(gòu)建三維地質(zhì)實(shí)體：利用CATIA菜單欄中的創(chuàng)成式外形設(shè)計(jì)模塊（GSD），生成研究區(qū)域地質(zhì)實(shí)體。③生成斷層破碎帶：利用造型雕刻模塊（ShapeSculptor），構(gòu)建斷層、巖層分界面、風(fēng)化等地質(zhì)界面。④劃分巖體與斷層：在CATIA軟件利用造型雕刻（Shape Sculptor）模塊中的Project Curve命令劃分得到巖層與斷層。⑤利用CATIA自帶的網(wǎng)格劃分器對(duì)模型進(jìn)行四面體網(wǎng)格劃分，并輸出網(wǎng)格文件。⑥利用接口轉(zhuǎn)換程序?qū)⒕W(wǎng)格文件轉(zhuǎn)換flac3d格式地質(zhì)建模文件。⑦在FLAC3D軟件中利用CALL命令讀取地質(zhì)建模文件，即能生成復(fù)雜的雅康高速二郎山隧道區(qū)域復(fù)雜的三維地質(zhì)FLAC3D模型。如圖2。⑧利用FLAC3D計(jì)算二郎山隧道工區(qū)自重應(yīng)力，得到自重應(yīng)力云圖（最小主應(yīng)力）如圖3所示。

圖2　二郎山隧道工區(qū)數(shù)值模型示意圖

圖3　二郎山隧道自重應(yīng)力云圖（最小主應(yīng)力）

3　小結(jié)

本文根據(jù)FLAC3D強(qiáng)大數(shù)值計(jì)算能力和CATIA軟件強(qiáng)大的曲面建模能力，提出基于CATIA-FLAC3D聯(lián)合使用的復(fù)雜三維地質(zhì)模型的建立方法，并依據(jù)數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)關(guān)系編寫(xiě)了接口程序，較好的解決了FLAC3D對(duì)于具有復(fù)雜地形與地質(zhì)界面三維地質(zhì)體的建模困難，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜三維地質(zhì)體快速準(zhǔn)確的構(gòu)建，該方法實(shí)際運(yùn)用于地形地質(zhì)極其復(fù)雜的新二郎山隧道區(qū)域的建模，證明了方法的可行性、適用性。

[1]王環(huán)玲，徐衛(wèi)亞.三維地質(zhì)建模技術(shù)在巖土工程數(shù)值模擬中的應(yīng)用[J].長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào)，2008（5）：125～129.

[2]韓旭，馮明權(quán)，蘇小寧，等.基于CATIA的地質(zhì)模型可視化仿真技術(shù)應(yīng)用研究[J].人民長(zhǎng)江，2013（22）：72～75.