FLAC_3D_复杂网格模型的构建及其工程应用

3D [ 2] 3D 3D
大, 制约其进一步推广应用的主要原因之一。 不过 , 一些有限元软件和专业建模软件在网格 建立方面却具有较大的优势, 它们一般是先通过布 尔加、 减操作实现复杂几何模型的建立 , 然后再进行 模型离散化并最终建立网格, 因而在网格建立方面 的通用性更强。所幸的是, 无论是有限元软件还是 专业建模软件所建立的网格都能以节点、 单元和组 ( 材料 ) 的数 据格式输 出, 为 这些软件 的网格 导入 FLAC 中提供了可能。因此, 本研究尝试借助有限 元软件 ( ANSYS) 在网格建模方面的优势 , 通过接口 程序 进 行 单 元 数 据 格 式 的 转 换, 最 终 建 立 可 供
合了 CAD, CAE, CAM 等图像处理工具的优点, 是建 立复杂计算模型有效而又快捷 的平台。 ANSYS 可 以自上而下直接建立实体模型 , 也可通过自下而上 依次生成点、 线、 面和体的方式建立实体模型。其内 置的强大的布尔运算工具可以实现几何实体之间的 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 和映射等 ) 以及网格的清除和 细化, 以保证剖分出 高质量的网格单元供数值计算之用; 此外 , 还可输出 各 单 元 节 点 坐 标 及 单 元 信 息 NODE DAT 和 ELE DAT 文件 , 供其它软件调用。因此 , 本研究选 用它进行复杂几何模型的建立和网格划分。 1 . 1 前期数据准备 对于目前的数据而言 , 一般需从设计单位或测 量单位提供的二维地质平面图中获取, 此类图形包 含的信息较多, 不能直接为建模所用。因此需对其 进行处理。此项工作的主要内容是对包含分析域的 CAD 图形进行清理 , 即将除表达三维地质信息的等 高线保留外 , 其它所有图层和有关图元信息均予以 删除, 并保存为可供数据交换的 . dx f格式的图件。 1 . 2 数据导出和整理 对于等高线数据 , 目前的导出方法有多种 , 既可 通过自身的命令输出 , 也可通过其它软件读取输出。 对于自身命令 ( list) 输出这一方法, 存在工作量大、 繁琐的缺 点, 并 且其 输出的 数据 格式 并不能 满足 ANSYS 直接 建模 的要 求。因 此, 需采 用他 法。对 此 , 可通过第三方软件对数据进行转换、 整理 , 以获 得可供 ANSYS 直接建模所用的数据。而对于第三 方软件 , 由于进行的只是数据的导入、 导出和整理 , 并不要求对其有较深层次的掌握, 采用其提供的试 用版本就可以实现, 因此, 该方法并没有增大建模的 工作量、 难度和成本。该方法的具体步骤如下。 ( 1) 数据输出。借助地质建模软件 Gocad 的试 用版导入. dxf图形 ( . dx f图形需保存在非中文路径 下 , 并取非中文名 ), 然后再导出等高线数据到 Excel ( 如图 1 和图 2 所示 ) ; 将 Exce l中点三维坐标数据 ( 2)数据整理。由于从 Gocad 导出的数据是等 高线 ( 一般为样条曲线 ) 拟合点的坐标 , 规 律性差, 尚需对其进行整理。将记事本研究件导入到 Surfer 软件中, 借助其对数据进行整理、 插值 ( 如图 3 和图 4 所示 ) , 以获得水平 2 个方向 ( 一般定义为 x, y 坐 标 ) 上等间距点的三维坐标信息 , 并保存为 . dat格 式的数据文件 , 数据的格式如表 1 所示 , 该表中所显 示的示例数据在 x, y 方向上间距均为 100 m。 1 . 3 网格模型的生成 获得 上 述 等 间 距 的 点 坐 标 数 据 后 , 即 可 在 ANSYS中遵循点、 线、 面、 体自下而上的建模方式, 建 立几何实体模型。首先通过这些点生成某一方向上
专门针对岩土工程问题开发的三维连续介质分 析软件 FLAC 已得到广泛的应用 , 但它对于复杂三 3D 维模型的建立仍然十分困难。尽管 FLAC 软件为 用户提供了 12种初始单元模型, 通过连接、 组合匹 配这些初始单元模型可方便快捷地建立规则的三维 工程地质体模型 , 同时, 也可通过内置语言 F ISH, 编 写命令来调整、 构建特殊的计算模型 , 使之更符合工 程实际, 但是, 由于 FLAC 在建立计算模型时采用 的是键入数据 /命 令行文件的方式, 加上 F IS H 语言 独特的源代码表达方式 , 直接扼杀了一般工程技术 人员运用 FLAC 进行复杂工程分析的想法
杂地质体网格模型在 AN SY S 中建立并导入 FLA C3D 中的目的 , 有效降低了 FLA C3D 复杂网格模型建立 的难度。采用 该方法建模时 , 先通过地质 建模 软件 GOCAD 获 取等 高线 的 三维 坐 标数 据 , 然 后将 这些 数 据输 入图 形 处理 软件 SU RFER 整理后输出为等间距的点坐标 , 接 着采用这些点在 ANSYS 中生成等间距样条曲线并最终建立实体模型并 网格剖分 , 尔后通过接口程序将 AN SY S 中的网格模型导入 FLA C3D 以实现 复杂岩土 工程的计算 分析。最后 以西南 某一水电站厂房边坡网 格模型的建立为例 , 说明了该方法既实用又高效。 关键词 复杂地质 体 接口程序 三维网格模型 FLA C3D ANSY S
3D
。即
使对于有相当数值模拟经验和能力 的分析人员来 说 , 建立较复杂的地质体模型, 也是一件费时费力的 3D 事。这也是造成 FLAC 三维模拟计算周期长、 难度
108
刘心庭 ( 1973 ) , 男 , 中国地质大学 ( 武汉 ) 工程 学院 , 博士 研究生 ; 三峡大学水利与环境学院 , 讲师 ; 430074 湖北省武汉市。

2 . 1
FLAC 网格模型的建立
FLAC 的网格数据格式
3D 3D
3D
FLAC 遵 从 的 是 点 ( GRIDPO I NT )、单 元 ( ZONE) 、 组 ( GROUP )自下而上的网格建立模式, 即 在建立实体模型同时, 软件自动完成该实体的剖分, 并以点、 单元和组的形式予以保存下来 。点是其 最低一级的图元, 组是其最高级别的图元, 点构成单 元, 单元构成组。表 2 为某一简单网格模型的单元 数据形式。表中, 第 1 段表示节点的生成, 格式为: 节点标志、 节点序号、 节点 (x, y, z ) 坐标; 第 2 段表 示单元的生成 , 格式为: 单元标志、 单元类型、 单元中 的节点号, 其中 B8 代表的单元类型为 brick 单元; 第 3 段标明单元所属 的组。除本表所述 的 B8 外, FLAC 的网格数据 格式还规定, W 6 表示 w edge 单 元, P5 表示 py ra m id 单元 , T 4 代表 tetrahedra l单元。
表 2
编号 图形单元 * G 0 . G 0 . G 0 .
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FLAC3D网 格单元的数据形式
Se ries N o . 413 N ov e mber 2010
金
属
矿
山
M ETAL M I NE
总 第 413 期 2010年第 11 期
FLAC 复杂网格模型的构建及其工程应用
刘心庭
摘 要
1, 2
3D
唐辉明
1
( 1. 中国地质大学 ( 武汉 ); 2. 三峡大学 ) 借助通用 有限元软件 ANSYS 在 复杂网格模型建立方面的优势 , 通过开 发的数据接 口软件 , 实现了复
FLAC
3D
Com p lex Grid M ode l C on struction and Its Engin eering App lication L iu X in ting
1, 2
T ang H uim ing
1
( 1. China University of G eosciences; 2. China T hree Gorges Univers ity ) Abstrac t By m eans o f advantage of genera l finite e lem ent ana lysis so ftware AN SY S in build comp lex gr id m ode,l the ob jective to bu ild a g rid model fo r co m plex g eo log ic body by ANSY S and i m port it into FLA C3D v ia a data interface prog ram developed is i m p lemented . T he d ifficu lty o f bu ilding co m plex g rid m ode l for FLAC3D is effective ly reduced consequen tly . In the mode ling process , the three di m ens iona l coord inates o f contour is ob tained firstly v ia GOCAD, and these three di m en s iona l coordinates are inpu t in to SUR FER and a series of equ idistant three di m ens iona l coordinates is output . T hen these e qu id istant three d i m ensiona l coo rdina tes are input into AN SY S, wh ich g enerate a set o f equidistant sp line cu rves to build a entity m odel for comp lex geo log ic body . F ina lly , the entity mode l is bu ilt and i m po rted to FLAC 3D via the da ta interface pro g ram to pe rfo r m co m plex geotechn ica l eng ineer ing co m puta tiona l ana lysis . The grid model for a hydropo w er sta tion pow er house slope in southw est Ch ina is illustra ted to show the utility and effic iency of the approach presented . K eywords Co m plex geolog ic body , Interface prog ram, T hree di m ensional gr id m ode , l FLAC3D, AN SYS