基于ANSYS平台复杂地质体FLAC3D模型的自动生产.pdf

第 24 卷 第 6 期 岩石力学与工程学报 Vol.24 No.6 2005 年3 月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering March，2005 收稿日期2003–11–08；修回日期2003–12–01 基金项目国家重点基础研究发展规划973项目2002CB412702；中国科学院知识创新工程资助项目KJCX2–SW–L1–1 作者简介廖秋林1977–，男，现为博士研究生，主要从事工程地质与地质灾害方面的研究工作。E- mailqiulinliao。 基于 ANSYS 平台复杂地质体 FLAC3D模型的自动生成 廖秋林 1，曾钱帮1，刘 彤1，路世豹2，侯哲生1 1. 中国科学院 地质与地球物理研究所工程地质力学重点实验室，北京 100029；2. 中国矿业大学 建筑工程学院，北京 100083 摘要由于 FLAC3D软件建模难度大，提出了一种快速建模方法，即以 ANSYS 有限元程序完成的复杂地质体建 模、网格划分为基础，采用 Visual Basic 语言编写了 FLAC3D- ANSYS 接口程序，实现了 FLAC3D软件建模的直观、 快速和自动化。通过新疆下坂地水库坝址区和北京地铁四号线车站三维建模实例检验了该方法的有效性和可行 性。该方法是运用不同程序优点解决复杂工程地质问题的典型范例。 关键词数值分析；接口程序；复杂地质体；自动生成 中图分类号O 241 文献标识码A 文章编号1000–6915200506–1010–04 AUTOMATIC MODEL GENERATION OF COMPLEX GEOLOGIC BODY WITH FLAC3D BASED ON ANSYS PLAT LIAO Qiu- lin1，ZENG Qian- bang1，LIU Tong1，LU Shi- bao2，HOU Zhe- sheng1 1. Key Laboratory of Engineering Geomechanics，Institute of Geology and Geophysics，The Chinese Academy of Sciences，Beijing 100029，China；2. School of Architecture，China University of Mining and Technology，Beijing 100083，China AbstractFor some complex geologic bodies，numerical models with FLAC3D are difficult to construct. While finite element programs，such as ANSYS，can easily fulfill since it has perfect pre- processors such as entity modeling，Boolean operation of geometric body，and free mesh. In this paper，a procedure is proposed to build numerical model of FLAC3D by using ANSYS，and the interface program of FLAC3D- ANSYS is compiled with visual basic language since there are some differences between the element data conducted by the two programs. So the automatic model generation of complex geologic body can be conducted as followsthe construction of numerical model by ANSYS，the transferring of element data and calling FLAC3D. Then three- dimensional numerical models of a dam and a subway are developed and the case study shows that the intuition，fastness，and automation of modeling，can be realized. The procedure gives an example to build complicated engineering geological model with the advantages of different programs. Key wordsnumerical analysis；interface program；complex geologic body；automatic generation 1 引 言 FLAC3D软件是率先将连续体的快速拉格朗日 分析应用于岩土工程问题的计算软件。该软件在解 决岩土工程问题上具有许多优越性[1]，已逐渐成为 工程技术人员理想的三维数值模拟工具。然而， FLAC3D软件在模型建立以及单元网格划分等前处 理问题上却存在以下不足，造成了其建模的不便性 1 模型的建立只能靠数据文件来实现，不是 第 24卷 第 6期 廖秋林等. 基于 ANSYS 平台复杂地质体FLAC3D模型的自动生成 1011 很直观，不能像ANSYS 或 ALGOR等有限元软件， 可以直接进行图形的处理。 2 对于比较复杂的工程模型，在建模时需要 各控制点详细的数据，容易出错，检查起来也不是 很容易。 3 建模工作量大，花费时间长，直接造成了 三维模拟计算的周期长、难度大。 为解决 FLAC3D软件建模的不足，文[2]采用 FORTRAN 语言专门编写了 FLAC3D的前处理程序， 对于地表形态复杂、岩层和地质结构较单一的地质 体实现了快速、便捷的建模。文[3，4]研究了 FLAC3D 二维平面应变模型的快速建立。但是对于采动影响 下的矿山工程和地质结构错综复杂的边坡等地质 体，其 FLAC3D模型的建立及网格划分仍然非常不 便。 然而，许多有限元程序对于复杂工程地质体数 值模型的建立有明显优势。由于在所研究对象的前 处理上，有限元法和有限差分法基本一致，即将研 究对象划分为许多具有一定形状且有一定编制规则 的节点组成的单元体面。因此，作者试图利用已 有的建模与网格划分功能强大的 ANSYS 软件对 复杂工程地质体建立相应数值模型包括网格划 分，再通过数据转化实现 FLAC3D模型的自动生 成。 2 FLAC3D模型的自动生成 FLAC3D和ANSYS所采用的单元体形状大都相 同，但其每一单元节点编制的规则和节点坐标，即 单元数据，却有一定的差别。因此，根据这 2 种软 件单元形状及其单元数据的关系编写 FLAC3D- ANSYS 接口程序是本文建议建模方法的关键。 FLAC3D模型的自动生成主要由以下步骤组成 ANSYS 模型的建立、ANSYS 和 FLAC3D的数据转 换以及 FLAC3D调用生成的模型数据文件。 2.1 ANSYS 模型的建立 ANSYS 作为广泛应用的有限元软件，充分综合 了 CAD，CAE，CAM 等图像处理工具[5]，是建立 复杂计算模型有效而又方便快捷的平台。ANSYS 可以自上而下直接建立实体模型，还可通过自下而 上依次生成点、线、面和体，从而建立实体模型。 强大的布尔运算工具可以实现实体之间加、减、分 类、搭接、粘接和分割等复杂运算，大大提高了建 立复杂地质体三维模型的效率。对于实体模型的网 格划分，ANSYS 提供了功能强大的控制工具，如单 元大小和形状的控制、网格的划分类型自由和映射 以及网格的清除和细化；此外，还可对实体模型图 直接划分网格；最后，输出各单元节点坐标及单元 信息 NODE. DAT 和 ELE. DAT 文件。 2.2 FLAC3D与 ANSYS 单元数据关系 要将ANSYS所生成的单元数据文件为FLAC3D 所利用，有必要掌握 FLAC3D与 ANSYS 单元数据之 间的关系。在模拟对象的单元处理上，FLAC3D与 ANSYS 都提供了丰富的单元形状。根据地质体的 特征、计算精度要求以及单元形状的空间展布特 点，仅考虑以下 5 种单元体六面体、五面楔形体、 五面锥形体、四面体和圆柱体。这 5 种单元体基本 能满足各种地质体数值模型的建立。这 2 种软件所 采用单元节点编制对应关系如表 1 所示。此外，由 ANSYS 存在单元退化和二次单元等问题，而 FLAC3D则只能通过对 ANSYS 单元退化节点的判断 用低节点的单元替换退化的高节点单元。例如，六 面体可退化为五面楔形体、五面锥形体和四面体， 如表 1 所示。 表 1 ANSYS 与 FLAC3D单元数据关系对照 Table 1 Computation of element data between ANSYS and FLAC3D 单元数据 单元类型 ANSYS FLAC3D 备注 六面体 Brick 单元 五面楔形体 其 ANSYS 单元 为Brick退化单元 五面锥形体 其 ANSYS 单元 为Brick退化单元 四面体I 其 ANSYS 单元 为Brick退化单元 四面体II 根据以上对 FLAC3D与 ANSYS 单元数据关系 的分析，作者利用 Visual Basic 语言编写了 FLAC3D- ANSYS 接口程序包。首先，该程序将单元节点坐标 1012 岩石力学与工程学报 2005 转化成 FLAC3D单元节点坐标。其次，根据 ANSYS 提供的单元信息 ELE. DAT 文件的格式特点，该程序 自动判断其每一单元的形状也考虑了退化单元的 转换，并生成相应的 FLAC3D单元；该程序除实现 了 2 种软件的单元数据的转换之外，还将 ANSYS 定义的不同实体遗传到 FLAC3D中，并形成相应的 Group，方便了计算参数的赋值。最后，该程序直接 产生 FLAC3D计算所需的数据文件，其主要内容包 括 1 产生节点的命令，主要格式为 GEN POINT ID 1 0.000 0.000 414.075 2 产生单元的命令，主要格式为 GEN ZONE BRICKWEDGESIZE 1 1 1 P0 and POINT 5532 P1 POINT 5393 P2 POINT 719 P3 and POINT 5274 P4 POINT 580 P5 POINT 461 P6 and POINT 5511 P7 POINT 698 3 产生实体的命令，主要格式为 GROUP 5 RANGE ID 3591 2.3 模型的自动生成 最后，通过 FLAC3D命令“call”调入由接口程 序输出的数据文件，并加入边界条件、初始条件以 及岩土体的力学参数，即可生成数值模型。 3 应用实例 3.1 新疆下坂地水库坝址区三维数值模型 新疆下坂地水库坝址区，峡谷长约 1 200 m。峡 谷区岸坡陡峭，比高近 600 m，峡谷及其两侧斜坡 累计宽度达2 500 m，其岩层之间的接触关系比较复 杂。对于这样一个地表形态和地质结构复杂的坝 址，采用本文提出的建模方法可以很理想地建立其 三维模型，具体操作如下 1 准备几何图形数据。首先，将复杂地表划 分为一系列三角形面，以三角形的顶点作为主要地 表数据点；然后，根据岩层的产状，定义岩层接触 面控制点和模型边界点；最后，将这些数据做成 ANSYS 的脚本文件。 2 生成实体模型。先根据点数据生成图 1a 的表面形态，再沿三角形面向下生成一系列柱体， 利用布尔运算相加成4个体每一岩层为一个实体。 之后，以模型底面为基础向上生成一个长方体。最 后，将前面生成的 4 个体与长方体相减，即得到 图 1a。 图 1 新疆下坂地水库坝址区三维数值模型 Fig.1 Numerical model in the Xiabandi reservoir area， Xinjiang Autonomous Region 3 划分网格。该模型选择了四面体单元划分 网格并根据岩性定义了 3 种材料。在网格划分时， 根据计算需要进行网格密度和重点研究区网格细化 的控制，并通过 ANSYS 网格检验达到网格最优 化。最终，该模型共划分 2 357 个节点，9 987 个单 元。 4 生成 FLAC3D三维模型。利用ANSYS 生成 的NODE. DAT 和ELE. DAT文件和作者开发的接口 程序生成 FLAC3D可调用的脚本文件，最后生成 FLAC3D三维数值模型，如图 1b所示。 整个建模从数据采集到模型开始计算，共用时 不到 2 d，且实现了单元的最优化。 3.2 北京地铁四号线车站数值模型 北京地铁四号线车站为一大型地下硐室群结 构，其两边隧道与车站的衔接处是三维数值模型建 立的难点。该模型若用 FLAC3D所提供的基本单元 如 radcylinder或 cylinder来处理这一复杂硐室群， 而且要保证圆弧之间的衔接和实体之间网格的数目 匹配FLAC3D要求数目一致或成倍数关系，以免计 算得出结果在此处不连续，难度很大。即使利用 FLAC3D中的 FISH语言来处理这一复杂硐室群，其 结果也并不理想，且耗时达一周之久。 而根据本文所提出的建模方法，在获得该模型 的任一横截面的几何数据坐标后，直接利用 ANSYS 绘制出模型的横截面图，再对该截面划分网格形成 a 河谷 基岩 斜坡 b 第 24卷 第 6期 廖秋林等. 基于 ANSYS 平台复杂地质体 FLAC3D模型的自动生成 1013 二维模型，之后利用 ANSYS 中的 Vdrag 命令将该 截面沿指定方向拉成体， 即完成了 ANSYS 的建模， 并生成了相应的数据文件。最后，利用接口程序生 成的 FLAC3D数据文件，建立三维数值模型，如图 2 所示。该模型建立的每一环节都简单、易操作，整 个建模时间不到半天。而且，该模型既美观，又符 合 FLAC3D的要求，其计算结果也令人满意。 图 2 北京地铁四号线车站三维数值模型 Fig.2 Numerical model of a station of Beijing subway No.4 4 结 论 本文基于分析功能强大的岩土工程计算软件 FLAC3D，提出了基于 ANSYS 平台复杂地质体 FLAC3D数值模型的自动生成方法。该方法不仅克 服了建立复杂计算模型的困难，而且实现了建模的 自动化。其流程的每一个操作均简单、易行，所要 求的基本数据仅为几何图形数据点，大大减少了建 模所需的时间、精力，提高了数值模拟的频度，有 利于充分发挥 FLAC3D解决工程地质问题的强大功 能，也促进了 FLAC3D在岩土工程领域的普及和应 用。 该方法的主要思路着眼于发挥和结合 FLAC3D 与 ANSYS 软件的优点，并开发了 FLAC3D- ANSYS 接口程序，解决了复杂工程地质体的建模难题。在 科技手段发达且种类繁多的当今社会，对于复杂工 程地质问题的数值模拟，本文提出的方法值得借 鉴。 参考文献References [1] Itasca Consulting Group，Inc.. Fast Language Analysis of continua in three dimensions[R]. [s.l.]Itasca Consulting Group，Inc.，1997. [2] 胡 斌，张倬元，黄润秋等. FLAC3D前处理程序的开发及仿真效 果检验[J]. 岩石力学与工程学报，2002，2191 387–1 391.Hu Bin，Zhang Zhuoyuan，Huang Runqiu，et al. Development of pre- processing package for FLAC3D and verification of its simulating effects[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering， 2002，2191 387–1 391.in Chinese [3] 油新华. 土石混合体随机结构模型及其应用研究[博士学位论 文][D]. 北方交通大学，2001.You Xinhua. Stochastic structural model of the earth- rock aggregate and its application[Ph. D. Thesis][D]. Beijing Northern Jiaotong University， 2001.in Chinese [4] 吴剑波. 三峡库区白衣庵滑坡稳定性研究[硕士学位论文][D]. 北 京中国矿业大学，2002.Wu Jianbo. Study of the stability on Baiyi′an ancient landslide in the Three Gorges District [M. S. Thesis][D]. BeijingChina University of Mining and Technology， 2002.in Chinese [5] 边 萌. ANSYS 5.7 有限元实例分析教程[M]. 北京机械工业出 版社，2002.Bian Meng. The case- analysing tutorial by the finite element program，ANSYS 5.7[M]. BeijingChina Mechanical Industry Press，2002.in Chinese