flac3d建模方法

利用FLAC3D 进行数值分析的第一步便是如何将物理系统转化为由实体单元和结构单元所组合的网格模型（Modeling ），该模型与分析对象的几何外形特征相一致。

目前，FLAC3D 网格模型的建立方法可分为两种，即直接法及间接法，直接法是按照分析对象的几何形状利用FLAC3D 内置的网格生成器建模，网格和几何模型同时生成，该方法较适用于简单几何外形的物理系统；与之不同，间接法则适用于复杂的、单元数目较多的物理系统，该方法建立网格模型时，像一般计算机绘图软件一样，通过点、线、面、体，先建立对象的几何外形，再进行实体模型的分网（Meshing ），以完成网格模型的建立，FLAC3D 自身不具备间接法建模功能，读者可借助第三方软件与FLAC3D 的接入轻松实现。

本章主要介绍FLAC3D 的网格建模方法，包括利用网格生成器建立简单网格、利用第三方软件进行模型导入以及复杂模型的方法。

本章要点：z FLAC3D 网格单元的基本类型 z 网格的连接z FLAC3D 网格的数据格式z 常用有限元模型与FLAC3D 的接入 z复杂模型的建立5.1 简单网格的建立5.1.1 基本网格的形状FLAC3D 内置网格生成器中的基本形状网格有13种，通过匹配、连接这些基本形状网格单元，能够生成一些较为复杂的三维结构网格。

网格单元的基本类型和特征如表5-1所示，基本可以归为四大类，即六面块体网格、退化网格、放射网格和交叉网格。

5FLAC3D 建模方法表5-1 FLAC3D 基本形状网格的基本特征5.1.2 单元网格的生成生成块体网格（Brick ）的命令格式如下：generate zone brick p0 x0 y0 z0 p1 x1 y1 z1 …… p7 x7 y7 z7 size n1 n2 n3 ratio r1 r2 r3或者generate zone brick p0 x0 y0 z0 p1 add x1 y1 z1 …… p7 add x7 y7 z7 size n1 n2 n3 ratio r1 r2 r3在该命令中，generate 为“生成网格”之意，可以缩写为gen ，zone 表示该命令文件生成的是实体单元，brick 关键词表明建立的网格采用的是brick 基本形状，p0，p1……p7是块体单元的8个控制点，其后跟这些点的三维坐标值（xn, yn, zn ），含义是由8个点可确定一个六面体网格。

不过，p0～p7各点的定义需遵从“右手法则”，不能随意颠倒顺序。

如果采用全局坐标系，三维坐标值应为建模空间内的全局三维坐标值；若采用局部坐标系，则除p0点采用全局三维坐标值外，其他点的坐标值都必须取其相对于点p0的三维坐标值，且在点编号后加关键词add （见本节第2行命令）。

size 为定义坐标轴（x ，y ，z ）方向网格单元数目的关键词，其后跟划分的单元数目（n1，n2，n3）；ratio 为定义相邻单元尺寸大小比率的关键词，其后跟坐标轴方向相邻网格单元的比率（r1，r2，r3）。

如果生成的是长方体网格，前述命令可以简化为：generate zone brick p0 x0 y0 z0 p1 x1 y1 z1 p2 x2 y2 z2 p3 x3 y3 z3 size n1 n2 n3 ratio r1 r2 r3或者generate zone brick p0 x0 y0 z0 p1 add x1 y1 z1 p2 add x2 y2 z2 p3 add x3 y3 z3 & size n1 n2 n3 ratio r1 r2 r3即只需采用4个控制点即可确定该长方体。

此外，当网格的几何形状为立方体时，上述命令文件可以用下列命令替代，进一步简化，关键词edge 后跟的evalue 是立方体的边长。

generate zone brick p0 x0 y0 z0 edge evalue size n1 n2 n3 ratio r1 r2 r3111（a ）六面块体网格brick （b ）退化块体网格dbrick（c ）一般楔形体网格wedge （d ）均匀楔形体网格uwedge（e ）棱锥体网格pyramid （f ）四面体网格tetrahedron 图5-1 13种网格建模基本特性（续图）112（g ）柱体网格cylinder （h ）块体外围渐变放射网格单元radbrick（i ）平行六面体隧道外围渐变放射网格单元radtunnel （j ）柱形隧道外围渐变放射网格单元radcylinderk ）柱形壳体单元cshell （l ）柱形交叉隧道网格cylint5-1 13种网格建模基本特性（续图）113（m ）平行六面体交叉隧道网格tunint 图5-1 13种网格建模基本特性（续图）表5-2列出的是生成基本形状的网格时常用的关键词。

表5-2 使用generate zone 生成基本形状网格的常用关键词关键词 用途关键词 用途add 用于以p0为原点的局部坐标系建模group定义某一范围内的网格组名 dimension 定义内部区域的尺寸 p0～p16 建立各种形状网格的控制点 edge 定义网格边长 ratio 定义相邻网格单元的尺寸大小比率 fill 定义网格内部填充区域 size 定义网格在各坐标方向上的单元数目 copy复制网格reflect镜像网格（dd 、dip 或normal 、origin ）其中dimension 是定义radtun 、rancyl 、radbr 、cshell 、cylint 、tunint 寸的关键词，但要注意并不是所有的基本网格都需要用到dimension 。

fill 关键词是填充radtun 、rancyl 、radbr 、cshell 、cylint 、tunint 内部区域不包括单元。

ratio 如果未给定，默认值为1。

size 如果未给定，默认值为10。

gen zone reflect 网格生成命令中要用到dd 、dip 或normal 、origin 一节要重点介绍这个命令的应用。

5.1.3 网格的连接建立复杂几何形状的网格时，单一采用某一基本形状网格有时候难以达到目的，本网格进行匹配、连接，才能得到与分析对象相符的网格形状。

使用generate zone 生成网格时，统会自动检测连接处的节点，如果已有节点和将要生成的节点的坐标值不超过1×10-7时，它们为相同的点，生成新网格时，在连接处直接使用基本网格节点，不再生成新的节点。

如果已有节点和将要生成的节点的坐标值差别较大，超过1×10-7时，可借助命令attach 和generate merge 来实现基本形状网格的连接。

命令attach 可以用来连接单元大小不同的基本网格，但对各网格连接面上的单元尺寸有限制，要求它们之间的比率成整数倍，以使得不影响计算结果的精确性。

建议正式计算前，先将模型在弹性条件下试运行以检测比率是否合适。

如果在连接的网格节点上的位移或应力分布不连续，那么应调整连接面上单元尺寸的比率；如果不连续范围是微小的，或者远远小于计算模型的大小，那么这对计算结果的影响有限，可不进行调整。

使用命令attach 连接网格的常用形式如下：attach face range <……>命令中range 后跟定义范围的关键词，用来确定连接面的范围。

需注意的是，命令attach 有一定的适用范围，采用它连接后的网格的信息不能为镜像（命令generate reflect ）操作所复制。

attach face 命令常用来检查网格模型建立的正确性。

如果模型中没有设置接触面，也没有设置特定的单元不连续的情况，直接运行attach face 命令可以输出网格中被连接的节点个数，若输出个数为0，则模型基本上不存在单元不连续的情况；若输出被连接的节点个数不为0，则要特别注意，很可能建模过程中存在一些错误，比如相邻基本形状的网格个数不匹配等，需要读者仔细检查。

115apply szz -1e6 range z 3.9 4.1 x 0,2 y 0,2 hist unbal solve save noatt.sav两种情况下的模拟结果如图5-2和图5-3所示。

由两个图可见，z方向的位移云图分布基本一致，证明attach 关键词连接不同单元网格是正确的。

图5-2用attach 关键词连接不同单元网格位移云图图5-3 连续网格的位移云图命令generate merge 也可以用来连接相邻的基本网格。

与attach 不同的是，generate merge 是合并某一容差范围内的节点，即相邻点间的距离小于设定的容差，它们就会合并成一个点。

使用generate zone 生成基本网格后，输入如下命令：generate merge vtol即可实现基本网格间的连接，vtol 为容差，用户可以根据分析需要自行设定。

gen merge 命令也可以用来检查网格模型的正确性。

设置一个较小的容差，查看命令的运行结果，如果存在被合并的节点，则说明模型中某些节点的位置很接近，建模时设置的节点坐标可能存在错误，这种情况常常出现在将其他软件生成的网格文件导入到FLAC3D 后形成的网格模型中，由于不同的软件输出的网格信息的精度不同，在导入过程中某些节点的位置坐标有所偏差，从而在FLAC3D 读入时造成网格错误。

因此，使用其他软件生成的网格模型必须要采用gen merge 命令来检查其正确性。

5.1.4 简单网格模型的建立先建立一个简单的柱形隧道外围渐变放射网格，命令如下：gen zone radcyl size 5 10 6 12 fill显示结果如图5-4所示，内部网格已经被填充。

gen zone radcyl size 5 10 6 12 rat 1 1 1 1.2 p0 0,0,0 p1 100,0,0 p2 0,200,0 p3 0,0,100 gen zone radtun size 5 10 5 12 rat 1 1 1 1.2 p0 0,0,0 p1 0,0,-100 p2 0,200,0 p3 100,0,0图5-5 柱形隧道外围渐变放射网格的建立图5-7 用reflect 关键词生成巷道完整网格5.2 其他网格模型的导入FLAC3D 内置的网格生成器使网格和几何模型同时生成，这不利于复杂形状网格单元的连接、匹配和修改，一定程度上制约了其在复杂网格模型分析中的应用。

很多读者基于FLAC3D 网格的数据格式自行编制了其他网格，如ANSYS 、ABAQUS 、ANSA 、HyperMesh 等导入到FLAC3D 的接口程序，大大提升了FLAC3D 的前处理功能。