基于ansys復(fù)雜地質(zhì)體網(wǎng)格模型的建立與導(dǎo)入

基于ansys復(fù)雜地質(zhì)體網(wǎng)格模型的建立與導(dǎo)入

flac3d是針對土木工程問題開發(fā)的三維連續(xù)介質(zhì)分析軟件，已經(jīng)廣泛使用，但復(fù)雜三維模型的構(gòu)建仍然存在困難。盡管FLAC3D軟件為用戶提供了12種初始單元模型,通過連接、組合匹配這些初始單元模型可方便快捷地建立規(guī)則的三維工程地質(zhì)體模型,同時,也可通過內(nèi)置語言FISH,編寫命令來調(diào)整、構(gòu)建特殊的計算模型,使之更符合工程實際,但是,由于FLAC3D在建立計算模型時采用的是鍵入數(shù)據(jù)/命令行文件的方式,加上FISH語言獨特的源代碼表達方式,直接扼殺了一般工程技術(shù)人員運用FLAC3D進行復(fù)雜工程分析的想法。即使對于有相當(dāng)數(shù)值模擬經(jīng)驗和能力的分析人員來說,建立較復(fù)雜的地質(zhì)體模型,也是一件費時費力的事。這也是造成FLAC3D三維模擬計算周期長、難度大,制約其進一步推廣應(yīng)用的主要原因之一。不過,一些有限元軟件和專業(yè)建模軟件在網(wǎng)格建立方面卻具有較大的優(yōu)勢,它們一般是先通過布爾加、減操作實現(xiàn)復(fù)雜幾何模型的建立,然后再進行模型離散化并最終建立網(wǎng)格,因而在網(wǎng)格建立方面的通用性更強。所幸的是,無論是有限元軟件還是專業(yè)建模軟件所建立的網(wǎng)格都能以節(jié)點、單元和組(材料)的數(shù)據(jù)格式輸出,為這些軟件的網(wǎng)格導(dǎo)入FLAC3D中提供了可能。因此,本研究嘗試借助有限元軟件(ANSYS)在網(wǎng)格建模方面的優(yōu)勢,通過接口程序進行單元數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換,最終建立可供FLAC3D分析之用的網(wǎng)格模型,以彌補其在復(fù)雜網(wǎng)格模型建立方面的不足,從而降低采用其進行巖土工程三維數(shù)值分析的門檻。1數(shù)值實體模型的建立ANSYS作為應(yīng)用廣泛的有限元軟件,充分綜合了CAD,CAE,CAM等圖像處理工具的優(yōu)點,是建立復(fù)雜計算模型有效而又快捷的平臺。ANSYS可以自上而下直接建立實體模型,也可通過自下而上依次生成點、線、面和體的方式建立實體模型。其內(nèi)置的強大的布爾運算工具可以實現(xiàn)幾何實體之間的加、減、分類、搭接、粘接和分割等復(fù)雜運算,大大提高了建立復(fù)雜地質(zhì)體三維模型的效率。對于實體模型的網(wǎng)格劃分,ANSYS提供功能強大的控制工具,如單元大小和形狀的控制、網(wǎng)格的劃分類型(自由和映射等)以及網(wǎng)格的清除和細(xì)化,以保證剖分出高質(zhì)量的網(wǎng)格單元供數(shù)值計算之用;此外,還可輸出各單元節(jié)點坐標(biāo)及單元信息NODE.DAT和ELE.DAT文件,供其它軟件調(diào)用。因此,本研究選用它進行復(fù)雜幾何模型的建立和網(wǎng)格劃分。1.1類圖形的處理對于目前的數(shù)據(jù)而言,一般需從設(shè)計單位或測量單位提供的二維地質(zhì)平面圖中獲取,此類圖形包含的信息較多,不能直接為建模所用。因此需對其進行處理。此項工作的主要內(nèi)容是對包含分析域的CAD圖形進行清理,即將除表達三維地質(zhì)信息的等高線保留外,其它所有圖層和有關(guān)圖元信息均予以刪除,并保存為可供數(shù)據(jù)交換的.dxf格式的圖件。1.2基于他法的他法對于等高線數(shù)據(jù),目前的導(dǎo)出方法有多種,既可通過自身的命令輸出,也可通過其它軟件讀取輸出。對于自身命令(list)輸出這一方法,存在工作量大、繁瑣的缺點,并且其輸出的數(shù)據(jù)格式并不能滿足ANSYS直接建模的要求。因此,需采用他法。對此,可通過第三方軟件對數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)換、整理,以獲得可供ANSYS直接建模所用的數(shù)據(jù)。而對于第三方軟件,由于進行的只是數(shù)據(jù)的導(dǎo)入、導(dǎo)出和整理,并不要求對其有較深層次的掌握,采用其提供的試用版本就可以實現(xiàn),因此,該方法并沒有增大建模的工作量、難度和成本。該方法的具體步驟如下。(1)xf圖形借助地質(zhì)建模軟件Gocad的試用版導(dǎo)入.dxf圖形(.dxf圖形需保存在非中文路徑下,并取非中文名),然后再導(dǎo)出等高線數(shù)據(jù)到Excel(如圖1和圖2所示);將Excel中點三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)復(fù)制到記事本中予以保存。(2)數(shù)據(jù)文件的整理由于從Gocad導(dǎo)出的數(shù)據(jù)是等高線(一般為樣條曲線)擬合點的坐標(biāo),規(guī)律性差,尚需對其進行整理。將記事本研究件導(dǎo)入到Surfer軟件中,借助其對數(shù)據(jù)進行整理、插值(如圖3和圖4所示),以獲得水平2個方向(一般定義為x,y坐標(biāo))上等間距點的三維坐標(biāo)信息,并保存為.dat格式的數(shù)據(jù)文件,數(shù)據(jù)的格式如表1所示,該表中所顯示的示例數(shù)據(jù)在x,y方向上間距均為100m。1.3幾何模型建立步驟獲得上述等間距的點坐標(biāo)數(shù)據(jù)后,即可在ANSYS中遵循點、線、面、體自下而上的建模方式,建立幾何實體模型。首先通過這些點生成某一方向上等間距的樣條曲線,然后采用蒙皮(ASKIN)技術(shù)生成空間曲面(地表面、地層分界面以及較大的結(jié)構(gòu)面等);接著通過拖拽(VDRAG)地表面拉伸成總的幾何實體;最后采用地質(zhì)界面切割幾何實體,從而獲得表征主要地質(zhì)構(gòu)造幾何特征的實體模型。網(wǎng)格模型的建立步驟如下:首先依分析的實際情況,對需剖分的幾何實體部分分別賦予不同的材料屬性,以便進行分組;接著通過掃略(sweep)、映射(map)、自由剖分等網(wǎng)格剖分方式,對幾何實體模型進行離散化,最終獲得包含分組信息的網(wǎng)格模型。2flac3d網(wǎng)格模型的構(gòu)建2.1單元網(wǎng)格模型FLAC3D遵從的是點(GRIDPOINT)、單元(ZONE)、組(GROUP)自下而上的網(wǎng)格建立模式,即在建立實體模型同時,軟件自動完成該實體的剖分,并以點、單元和組的形式予以保存下來。點是其最低一級的圖元,組是其最高級別的圖元,點構(gòu)成單元,單元構(gòu)成組。表2為某一簡單網(wǎng)格模型的單元數(shù)據(jù)形式。表中,第1段表示節(jié)點的生成,格式為:節(jié)點標(biāo)志、節(jié)點序號、節(jié)點(x,y,z)坐標(biāo);第2段表示單元的生成,格式為:單元標(biāo)志、單元類型、單元中的節(jié)點號,其中B8代表的單元類型為brick單元;第3段標(biāo)明單元所屬的組。除本表所述的B8外,FLAC3D的網(wǎng)格數(shù)據(jù)格式還規(guī)定,W6表示wedge單元,P5表示pyramid單元,T4代表tetrahedral單元。2.2ansys與flac3的網(wǎng)格單元轉(zhuǎn)換接口設(shè)計將其它軟件網(wǎng)格導(dǎo)入FLAC3D時,只要將這些軟件網(wǎng)格數(shù)據(jù)中的單元節(jié)點,按FLAC3D單元的節(jié)點編號順序重新組合,就可轉(zhuǎn)換為符合FLAC3D網(wǎng)格數(shù)據(jù)形式的文件。ANSYS與FLAC3D之間的網(wǎng)格單元之間的關(guān)系如表3所示。依據(jù)前述ANSYS網(wǎng)格單元與FLAC3D網(wǎng)格單元之間的聯(lián)系,采用FORTRAN開發(fā)了二者單元數(shù)據(jù)之間轉(zhuǎn)換的接口程序。該程序不僅可以將ANSYS中的一階四、五、六面體網(wǎng)格轉(zhuǎn)換為FLAC3D所需要網(wǎng)格數(shù)據(jù)(.FLAC3D格式),還可以將在ANSYS中事先賦予材料屬性的網(wǎng)格信息予以保留以作為在FLAC3D生成Group的判別條件,最后通過命令impgrid直接調(diào)用該網(wǎng)格數(shù)據(jù),即可快速地在FLAC3D中生成網(wǎng)格模型。3建立網(wǎng)格模型金沙江上某水電站壩址區(qū),金沙江總體由南向北流,江面左岸谷坡總體上呈斜坡,由上游至下游逐漸增高;右岸谷坡呈陡壁,上游至下游漸次增高;河谷呈不對稱的“V”型。兩岸巖層之間的接觸關(guān)系比較復(fù)雜,巖層間夾多個層間錯動帶。對于這樣一個地表形態(tài)和地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的地質(zhì)體,根據(jù)本研究提出的建模方法和步驟,可以很方便地建立其三維網(wǎng)格模型如圖5所示,該網(wǎng)格模型由四、五、六面體混合單元組成,共包含181712個節(jié)點,540249個單元。圖6為檢驗網(wǎng)格連接情況時,進行自重作用下的彈性求解時獲得的豎向應(yīng)力云圖。從圖6可以看出,整個應(yīng)力云圖分布均勻且連續(xù),證明網(wǎng)格單元質(zhì)量較好。整個建模過程從數(shù)據(jù)準(zhǔn)備到網(wǎng)格剖分和彈性計算,只花費3d左右的時間,簡單,快捷,而且還實現(xiàn)了單元的優(yōu)化,提高了分析的頻次。4基于er軟件的flac3分析(1)FLAC3D盡管分析功能強大、應(yīng)用廣泛,但由于它在前處理上存在的巨大不足,制約了其在巖土工程中的進一步應(yīng)用推廣,因此需借助其它方法對其前處理進行改進。(2)本研究提出的通過GOCAD,SURFER軟件獲取CAD圖件等高線三維坐標(biāo)信息,利用ANSYS在建立實體模型和網(wǎng)格劃分方面的優(yōu)勢,最終實現(xiàn)巖土工程復(fù)雜模型的FLAC3D分析的方法,具有操作簡單,效率高的優(yōu)點。這一流程盡管涉及軟件較多,但均只需粗加掌握其數(shù)據(jù)導(dǎo)入、導(dǎo)出和整理等操作即可,并