基于SURPAC的ANSYS三维复杂模型的构建方法

基于SURPAC的ANSYS三维复杂模型的构建方法
李启月;郎秀权
【摘要】对大型数值分析软件FLAC3D、ANSYS进行了对比，发现ANSYS在对不规则模型进行网格划分方面优于FLAC3D ，并针对FLAC3D、ANSYS在建立不规则复杂模型时存在耗时耗力等问题，提出了基于SURPAC的ANSYS复杂模型的构建方法：采用JAVA语言编写了SURPAC⁃ANSYS接口程序，将SURPAC模型的点线面数据转换成ANSYS识别的数据格式，从而实现SURPAC模型到ANSYS模型的构建。

最后，通过新城金矿V＃矿体的工程实例，解决了SURPAC 模型到ANSYS的转换以及模型难重构等问题。

结果表明：此构建方法可行且高效。

%After comparison of numerical analysis software FLAC3D with ANSYS, it was found that ANSYS is preferable than FLAC3D in mesh generation for an irregular model. As for the difficulty in the establishment of irregular and complex model with FLAC3D and SNSYS, it was proposed to build a complex model with ANSYS based on SURPAC model. With a
SURPAC⁃ANSYS interface program in JAVA language, the data of points, lines and surfaces for the model in SURPAC were transferred into the data identified and used in the software ANSYS, resulting in a mode reconstruction in ANSYS. The orebody V# in Xincheng Gold Mine was taken as an example to testify such model construction method, verifying its effectiveness and feasibility.
【期刊名称】《矿冶工程》
【年(卷),期】2014(000)005
【总页数】6页(P1-5,9)
【关键词】数值模拟;构建方法;ANSYS计算模型;SURPAC实体模型;接口程序【作者】李启月;郎秀权
【作者单位】中南大学资源与安全工程学院，湖南长沙410083;中南大学资源与安全工程学院，湖南长沙410083
【正文语种】中文
【中图分类】TD852
近年来，数值模拟技术已作为一种重要的研究手段在采场参数优选、稳定性分析及评价中取得了相当大的成就。

然而，FLAC3D、ANSYS 等分析软件，对于规则的模型可以很快建立，但对于不规则的复杂模型(如矿体、地下工程等)的建立，就需先明确所建模型边界点的坐标和几何尺寸等参数，因此为了避免建模时花费大量的时间与精力，很多人在用这些分析软件时普遍存在的问题就是简化计算模型的几何形状，虽然这样可以在一定程度上模拟出结果，但并不能反应实际的情况，从而使模拟的可靠度降低。

为了解决分析软件简化模型的问题，很多人开始将建模专用软件与分析软件进行耦合［1-6］，其中以SURPAC 与FLAC3D为主。

如文献［1］、［2］中提出了基于SURPAC 的FLAC3D模型的构建方法，该方法在一定程度上解决了简化模型的问题，但FLAC3D 相对于ANSYS 在划分网格上有些不足:中间有空区同一模型在FLAC3D、ANSYS 中网格化后，FLAC3D模型中单元尺寸相同，一些单元的顶点则产生了错位、分离，使得单元节点大部分处于孤立状态，节点间的耦合关系也就没有了，这很可能会使计算无法进行。

然而ANSYS 模型网格化后，则不会出现此
现象，并且能够对网格的疏密及质量进行控制。

针对FLAC3D网格划分方面的不足，许杰［3］采用Visual Basic 语言编写了SURPAC-ANSYS 转换程序，取得了较好的效果，但对于SURPAC 模型特别复杂并且存在较多畸变点时，此程序则会
花费很长时间，并且当模型转到ANSYS 时，会出现模型难重构等问题。

分析总结前人的研究成果，本文采用JAVA 语言编写了SURPAC-ANSYS 转换程序，将SURPAC 建立的地质模型数据转换成ANSYS 能够识别的数据储存在另一
个文件中，然后在ANSYS 中调入此文件，进而能够快速得到符合实际的计算模型，并解决了上述相关问题。

1 SURPAC 到ANSYS 模型的构建方法
1.1 SURPAC 模型及储存文件
SURPAC 可建立块体模型和实体模型［7］。

块体模型［2，5-6］的构成单元是规则的六面体，其本质上就是数据库的一种，
一般结合地质统计学，利用数学方法建立某个约束条件下的品位模型。

利用所建立的块体模型可以相当精确地报告资源量及品级。

其构建步骤如图1 所示。

图1 构建块体模型的一般步骤
SURPAC 中采用三维实体模型来描述矿体、巷道等。

实体是由线上的点连成内外
封闭的三角网，而三角网则由若干三角面组成，三者的关系如图2 所示。

图2 实体、三角网、三角面关系示意图
而在SURPAC 软件中创建矿体等复杂的地质体，可以采用在SURPAC 中导入地
理勘探数据和测量数据的方法，通过二维的地质截面图或中段俯视图变换成真实的三维空间坐标，即可形成三维矿体模型［4］。

具体的创建方法可分为3 种:剖面线法、合并发和相连段法［4］。

其中合并法一般在建立近水平矿体模型时使用，且在煤矿建立实体时常用。

此处主要介绍剖面线法创建实体。

剖面线法是根据矿体的分布趋势，利用相邻的勘探线，连成三角网，并将矿体两端封闭起来后形成的。

SURPAC 采用此法建立实体的基本思路如图3 所示。

图3 剖面线法建立实体基本思路
SURPAC 建立实体模型后生成的储存文件有两种:* .STR 文件和* .DTM 文件。

* .STR 文件是SURPAC 中最基础和最常用的线串文件。

它包含了若干个点的坐标信息以及每个点相关的信息描述。

STR 文件数据的结构如表1 所示。

表1 * .STR 文件数据结构
* .DTM 文件是生成线串(* .STR)文件后，SURPAC 自动形成的一个数字化的表面模型文件，因此任何一个* .DTM 文件，必须对应着一个* .STR文件。

* .DTM 文件用来描述各个三角面的构成，即“三角面代号”、“引用的点”、“相邻的面”等等，两个文件是同时存在的［7］。

它是由一系列的三角形组合而成，用来表示一个面。

* .DTM 文件数据结构见表2。

表2 * .DTM 文件数据结构
1.2 ANSYS 软件及APDL 语言
ANSYS 是目前通用的有限元分析软件之一，该软件是目前FEM(Finite Element Method)分析中唯一通过ISO9001 质量认证的CAE 设计分析类软件，它融合了结构、流体、声学、热力学等，具有强大的非线性分析功能。

该软件对系统的要求不高，操作界面较简单，容易学习，可进行建模、加载求解及输出分析结果等，受到了全世界70%以上的科研单位及高校的欢迎。

ANSYS 的APDL［8-10］是一种类似FORTRAN 的解释性语言，其全称为ANSYS Parametric Design Language(ANSYS 参数化设计语言)，它拥有一般程序语言的功能，如参数、宏、标量、向量及矩阵运算、循环、重复及访问ANSYS 有限元数据库等，另外还提供了一些简单界面定制的功能，能够方便实现参数交互输入、消息机制、界面驱动和程序的运行等功能［11-12］。

利用APDL 的参数设计语言与宏技术组织管理ANSYS 的有限元分析命令，就可以
实现参数化建模、载荷的施加与求解以及结果的显示，从而实现利用参数化语言进行有限元分析的全过程。

在APDL 的前处理命令中，自底向上创建实体模型时，命令操作有三:定义模型的关键点、创建面和创建任意体等。

1.3 数据转换原理及程序实现
基于以上对SURPAC 和ANSYS 数据文件特点的分析研究，找出耦合点后，利用JAVA 语言编写了SURPAC-ANSYS 接口程序，将SURPAC 的线、体两种文件中的数据转换成ANSYS 能够识别的数据储存在另一个文件中。

数据转换的原理如图4 所示。

SURPAC-ANSYS 接口转换程序界面如图5 所示，首先，在界面中点击“打开”按钮分别导入SURPAC 线文件、面文件，点击“执行转换”按钮，接口程序自动提取SURPAC 线文件中的所有点的坐标、面文件中的所有三角网面及对应顶点坐标并记录在一个临时文件中，然后将这些点、面及体信息等经过APDL 语言格式重新生成一个ANSYS 能够识别的数据格式储存在另一个文本文件中，从而接口程序实现了SURPAC 模型到ANSYS 模型的转换。

图4 JAVA 数据转换接口程序原理
图5 SURPAC-ANSYS 接口转换程序窗口
1.4 SURPAC 到ANSYS 实体的自动构建
由接口程序完成数据转换后，将生成一个ANSYS可以识别的* .txt 格式的命令流文件，然后再在ANSYS 命令窗口中输入格式为“/INPUT，文件名加后缀名”的命令调用该文件，即可完成ANSYS 模型的快速构建。

模型建立完成，再对其进行单元类型和材料属性的定义、分配属性和划分网格后，即可得到更加符合实际的有限元计算模型。

2 工程实例
本文利用自编的SURPAC-ANSYS 接口程序转换的方法建立了新城金矿V#矿体ANSYS 数值模拟的计算模型。

2.1 V#矿体的SURPAC 模型
将收集来的钻孔勘探数据进行整理后按照图3 的思路在SURPAC 中建立的V#矿体实体模型，如图6所示。

图6 新城金矿V#矿体SURPAC 模型
2.2 V#矿体的ANSYS 模型
将矿体SURPAC 模型储存文件输入接口程序，完成后将产生的demo.txt 文件复制到ANSYS 工作目录文件夹下，在ANSYS 命令窗口中输入/input，demo.txt 命令，调用此文件，则V#矿体的ANSYS 实体模型自动构建完毕。

矿体模型建立完毕后，再在ANSYS 中建立周围的岩体的实体模型(可根据后续开挖尺寸大小建立岩体模型尺寸)包裹此矿体，然后进行布尔运算。

岩体、矿体实体模型建立完毕后，要建立其有限元模型。

新城金矿矿岩的物理力学参数的取值如表3 所示。

对实体模型进行网格划分后，得到的计算模型如图7 所示。

表3 矿岩的物理力学参数
图7 新城金矿V#矿体ANSYS 有限元模型
由V#矿体的SURPAC 模型可知，其埋深范围在400～800 m 之间，埋深较深，除考虑上覆岩石的自重外，还需考虑水平应力的作用。

根据中国科学院武汉岩土力学研究所“金川二矿区深部地应力测量报告”［13］，据此计算出初始地应力理论值后，并参照文献［14］对其施加符合实际的三向应力，最后得到开挖之前矿体实际的初始应力分布图，如图8 所示。

图8 新城金矿V#矿体三维梯度x 向应力分布图
计算模型建立完成后，选取-680 m 中段68632采场为研究对象，采场垂直走向
布置，即采场长度为矿体厚度。

采用杀死单元的方法模拟采场不同跨度对采场顶板的影响。

选用的方案如表4 所示。

表4 四种采场跨度模拟方案
以顶板下沉量(Y 向位移)为指标，4 个方案Y 向位移模拟结果及其对比分别如图9 和图10 所示。

图9 不同采场跨度Y 向位移模拟结果图
图10 不同采场跨度顶板下沉量对比图
由图9～10 可知，顶板下沉量随跨度的增大而相应的增大，其中跨度为18 m 时，即方案4，其顶板最小下沉量约为23 mm，最大达32 mm，最有可能发生冒顶
事故，应排除此方案。

其他3 个方案还需进一步模拟优选。

除了采场跨度对采场顶板下沉量有影响外，二步采采场宽度(间柱宽度)对顶板下沉亦有影响。

根据上面模拟结果，一步采场跨度均选9 m，模拟方案见表5。

表5 不同二步采场跨度模拟方案
图11 不同二步采场跨度Y 向位移模拟结果图
图12 不同二步采场跨度顶板下沉量对比图
同样以顶板下沉量为指标，4 个方案Y 向位移模拟结果及其对比见图11 和图12。

由图11～12 可知，两个一步采场同时开挖时，二步采场(或间柱)宽度对采场顶板下沉量的影响虽没有跨度对其影响大，但影响的单位级别是同等的，跨度为十至几十个毫米，二步采场或矿柱为几毫米至十几毫米，也是不容忽视的。

当二步采跨度(或间柱宽度)，如方案1，则两个一步采场开挖会受到影响，使得采场顶板靠近二
步采场(或间柱)一侧下沉量要大于另一侧(大几个毫米)而更易发生冒顶事故，使采
场顶板一侧过高，不便下一步的钻孔施工等，本次68632 试验采场临近的二步采
场宽为8 m，加之顶板围岩不很稳固，就出现了这种情况;当二步采场跨度大于等
于一步采场跨度时，如方案3～4，这种影响可以忽略。

因此，在采矿时，二步采
场(或间柱)宽度不应选得过小。

3 结论
1)通过JAVA 语言编写了SURPAC-ANSYS 接口程序，成功实现了基于SURPAC 的ANSYS 三维模型的自动生成，与Visual Basic 语言编写的程序相比，ANSYS 建模效率更高，且解决了SURPAC 模型导入到ANSYS 过程中出现的模型难重构等问题。

2)将此转换方法应用于建立新城金矿V#矿体的计算模型，结果表明:提出的SURPAC-ANSYS 接口程序能够实现SUPAC 模型到ANSYS 模型的自动转换，并能够快速地建立更加符合实际的有限元模型，从而对其进行数值模拟时能得出更加符合实际的应力分布，充分地验证了该转换方法的可行性及有效性。

3)对计算模型进行开挖模拟，在开挖高度为14 m 时，得出当开挖跨度大于18 m 时是不可行的;一步采场跨度一定，两个临近一步采场同时开挖时，二步采场的跨度(或间柱宽度)对顶板下沉量的影响也是不容忽视的，选择时应尽量大于等于一步采场的跨度。

参考文献:
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