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1、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 March2005 收稿日期20031108修回日期20031201 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(KJCX2SWL11)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- 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
2、球物理研究所工程地质力学重点实验室北京 1000292.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10006915(2005)
3、06101004 AUTOMATIC MODEL GENERATION OF COMPLEX GEOLOGIC BODY WITH FLAC3D BASED ON ANSYS PLATFORM LIAO Qiu-lin1ZENG Qian-bang1LIU Tong1LU Shi-bao2HOU Zhe-sheng1(1.Key Laboratory of Engineering GeomechanicsInstitute of Geology and GeophysicsThe Chinese Academy of SciencesBeijing 100029China2.School of
4、 ArchitectureChina University of Mining and TechnologyBeijing 100083China)AbstractFor some complex geologic bodiesnumerical models with FLAC3D are difficult to construct.While finite element programssuch as ANSYScan easily fulfill since it has perfect pre-processors such as entity modelingBoolean op
5、eration of geometric bodyand free mesh.In this papera procedure is proposed to build numerical model of FLAC3D by using ANSYSand 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
6、 automatic model generation of complex geologic body can be conducted as followsthe construction of numerical model by ANSYSthe 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 intuitionfastn
7、essand automation of modelingcan be realized.The procedure gives an example to build complicated engineering geological model with the advantages of different programs.Key wordsnumerical analysisinterface programcomplex geologic bodyautomatic 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
8、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万方数据第 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FORT
9、RAN 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
10、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 CADCAECAM 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
11、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FLAC
12、3D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 A
13、NSYS 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万方数据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
14、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 BRICK(WEDGE)SIZE 1 1 1 P0 and POINT 5532 P1 POINT 5393 P2 POINT 719 P3 and POINT
15、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
16、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 1(a)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 1(a)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 X
17、injiang 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 1(b)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
18、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)万方数据第 24卷 第 6期 廖秋林等.
19、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FLA
20、C3D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(Ref
21、erences)1 Itasca Consulting GroupInc.Fast Language Analysis of continua in three dimensionsR.s.l.Itasca Consulting GroupInc.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200221(9)1 3871 391.(Hu BinZhang ZhuoyuanHuang Runqiuet al.Development of pre-processing package for FLAC3D and verification o
22、f its simulating effectsJ.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering200221(9)1 3871 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 applicationPh.D.ThesisD.Beijing Northern Jiaotong University 2001.(in Chine
23、se)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 Baiyian ancient landslide in the Three Gorges District M.S.ThesisD.BeijingChina University of Mining and Technology2002.(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 programANSYS 5.7M.BeijingChina Mechanical Industry Press2002.(in Chinese)万方数据