復雜地質建模前處理方法在巖石力學數(shù)值實驗教學中的應用

楊文東，張艷美，俞然剛，程旭東，井文君

（中國石油大學（華東）儲運與建筑工程學院，山東 青島 266580）

實驗教學是巖石力學教學體系中的重要組成部分，主要有現(xiàn)場實驗和室內(nèi)物理實驗。現(xiàn)場實驗能比較真實地反映巖體的力學性質，但是費用較高，實驗數(shù)量也很有限；室內(nèi)物理實驗操作方便，但是僅限于測定巖石的基本力學性質，對于復雜工況則難以實現(xiàn)。隨著計算機的發(fā)展，計算機輔助教學手段逐步發(fā)展［1－3］。數(shù)值實驗是利用計算機仿真技術對巖石的變形和破裂進行分析，具有通用性強、方便靈活、具有可重復性等特點，而且可以通過數(shù)值實驗得到許多在常規(guī)實驗室實驗中難以觀測的重要信息。數(shù)值實驗已成為巖石力學物理實驗教學的重要補充［4－6］。

數(shù)值實驗時常常需要用多個軟件對計算結果進行相互驗證，這就需要實現(xiàn)同一個網(wǎng)格模型在不同軟件間進行轉換，否則需要進行多次前處理建模，是十分繁瑣和耗時的。因此，本文重點介紹了復雜地質建模前處理方法，實現(xiàn)網(wǎng)格模型在不同軟件間的轉換，為數(shù)值實驗的前處理教學提供借鑒。

1 常用巖土分析軟件前處理不足

FLAC3D軟件已成為我國巖土力學與工程界發(fā)展最快、最具影響的數(shù)值分析軟件之一。該軟件在解決巖土工程問題上具有很多的優(yōu)越性，已逐漸成為工程技術人員理想的三維數(shù)值模擬工具。盡管其計算能力非常強大，巖土本構模型也很豐富，然而FLAC3D軟件在模型建立以及單元網(wǎng)格剖分等前處理問題上卻存在種種不足，造成其建立復雜模型的不便性：

（1）FLAC3D軟件前處理沒有可視化界面，不像ANSYS或HYPERMESH等有限元軟件，具有比較強大的前處理功能。

（2）建立大型復雜的工程模型，特別是巖體富存有巖脈、斷層、破碎帶等復雜地質體時，F(xiàn)LAC3D需要用FISH語言編寫，甚至難于實現(xiàn)。

（3）建模工作量大，花費時間長，直接造成三維數(shù)值建模耗時長、效率低。

為解決FLAC3D軟件對于復雜地質體數(shù)值建模的不足，文獻［7］采用FORTRAN 語言專門編寫FLAC3D的前處理程序，對于巖層和地質結構較單一的地質體實現(xiàn)了快速、便捷的建模。文獻［8，9］研究了FLAC3D二維平面應變模型的快速建立，但對于采動影響下的礦山工程和地質結構分布錯綜復雜的邊坡、壩體等工程，其數(shù)值模型的建立及網(wǎng)格劃分仍然非常不便。文獻［10］利用已有的建模與網(wǎng)格劃分功能強大的ANSYS軟件對復雜工程地質體建立相應數(shù)值模型（包括網(wǎng)格劃分），再通過CALL命令實現(xiàn)FLAC3D模型的自動生成，但網(wǎng)格數(shù)量較多時，CALL命令運行時間慢、效率低。因此，本文基于FLAC3D3.0版本新增加的功能，采用ANSYS建模與網(wǎng)格劃分功能，經(jīng)過數(shù)據(jù)轉換，通過Import Grid命令實現(xiàn)FLAC3D模型的自動生成。模型轉換速度高，大大節(jié)省了工程數(shù)值建模的時間，為FLAC3D中模型的快速建立提供了有效途徑。

另外，此方法同樣適用于ANSYS到ABAQUS的數(shù)據(jù)轉換。盡管ABAQUS也有可視化的前處理界面，但是熟練掌握ANSYS的人員可以不必再花費精力去摸索熟悉另外一種軟件，節(jié)省寶貴時間。因兩種思路相同，故下列篇幅以ANSYS到FLAC3D的轉換為主進行介紹。

2 復雜地質建模的方法

2.1 ANSYS軟件平臺

ANSYS作為以有限元分析為基礎的大型通用CAE軟件，是建立復雜計算模型有效而又方便快捷的平臺。

ANSYS提供CAD導入／導出接口，方便地實現(xiàn)了CAD之間模型的轉換工作，避免了重復建模工作，并允許用戶通過布爾運算對實體模型進行修改。強大的布爾運算工具可以實現(xiàn)實體之間加、減、分類、搭接、粘接和分割等復雜運算，大大提高了建立復雜地質體三維模型的效率。ANSYS提供了功能強大的實體模型網(wǎng)格劃分控制工具，如單元大小和形狀的控制、網(wǎng)格的劃分類型（如自由網(wǎng)格、映射網(wǎng)格、智能尺寸網(wǎng)格、掃掠網(wǎng)格、自適應網(wǎng)格等）以及網(wǎng)格的清除和細化。

2.2 ANSYS和FLAC3D單元數(shù)據(jù)關系

FLAC3D和ANSYS所采用的單元體形狀大都相同，但其單元數(shù)據(jù)，即每一單元節(jié)點編制的規(guī)則和節(jié)點坐標，卻有一定的差別。要將ANSYS所生成的節(jié)點坐標和單元信息轉為FLAC3D所利用，有必要掌握ANSYS和FLAC3D單元數(shù)據(jù)之間的關系。在模擬對象的單元處理上，ANAYS和FLAC3D都提供了豐富的單元形狀。根據(jù)地質體的特征、計算精度要求以及單元形狀的空間展布特點，考慮以下4種單元體：六面體、五面楔形體、五面錐形體和四面體。這4種單元體基本能滿足各種地質體數(shù)值模型的建立。表1為ANSYS和FLAC3D這2種軟件所采用單元節(jié)點編制對應關系。

表1 ANSYS與FLAC3D單元數(shù)據(jù)關系對照

由表1可見，由于ANSYS存在單元退化和二次單元等問題，而FLAC3D則只能通過對ANSYS單元退化節(jié)點的判斷用低節(jié)點的單元替換退化的高節(jié)點單元。例如，六面體可退化為五面楔形體、五面錐形體和四面體。

2.3 ANSYS－FLAC3D數(shù)據(jù)轉換

根據(jù)以上對ANSYS與FLAC3D單元數(shù)據(jù)關系的分析，將ANSYS建模并轉化為FLAC3D模型的主要步驟包括：

（1）ANSYS模型的建立及數(shù)據(jù)導出。在ANSYS中建立模型體并剖分好網(wǎng)格。執(zhí)行 Write Node File，將節(jié)點信息寫入到node.dat文件中；同樣，執(zhí)行Write Element File，將單元信息寫入element.dat文件中。或者直接利用APDL，即ANSYS參數(shù)化設計語言，編寫命令文件，然后從Read Input From讀入運行，快速生成節(jié)點文件node.dat和單元信息文件element.dat。

（2）ANSYS和FLAC3D的數(shù)據(jù)轉換。根據(jù)這2種軟件單元形狀及其單元數(shù)據(jù)的關系編寫ANSYSFLAC3D數(shù)據(jù)轉換接口程序是FLAC3D復雜地質體數(shù)值建模的關鍵所在。為此作者利用Visual Fortran語言編寫了ANSYS－FLAC3D數(shù)據(jù)轉換接口程序。圖1是轉換程序的數(shù)據(jù)接口界面。

圖1 轉換程序的數(shù)據(jù)接口界面

首先，該程序將ANSYS單元節(jié)點坐標轉化成FLAC3D中單元的節(jié)點坐標。其次，根據(jù)ANSYS提供的單元信息element.dat文件的格式特點，自動判斷每一單元的形狀（六面體、五面楔形體、五面錐形體、四面體），并生成相應的FLAC3D單元。數(shù)據(jù)轉換接口程序除實現(xiàn)了2種軟件的單元數(shù)據(jù)轉換之外，還將ANSYS定義的不同實體的材料屬性遺傳到FLAC3D中，并形成相應的組ZGroup，方便了計算參數(shù)的賦值。最后，運行該程序產(chǎn)生FLAC3D所需要的計算數(shù)據(jù)文件flaczone.FLAC3D。

2.4 數(shù)據(jù)轉換接口程序產(chǎn)生的數(shù)據(jù)文件（以某水電站拱壩模型中的部分數(shù)據(jù)為例）

（1）產(chǎn)生節(jié)點的命令，主要格式為［11］：

（2）產(chǎn)生單元的命令，主要格式為：

（3）產(chǎn)生實體的命令，主要格式為：

其中“G”表示定義網(wǎng)格節(jié)點（GRIDPOINTS），后面是網(wǎng)格節(jié)點編號（ID number）和以浮點數(shù)形式表示的X，Y，Z坐標；

“Z”表示單元類型（ZONE TYPE），B8代表塊體單元，后面是單元的節(jié)點號。

下面是幾種單元類型：

“ZGROUP”表示由單元組成的組（GROUP），后面是組名（GROUP NAME）和組中的單元號（ZONE ID NUMBERS）。

2.5 地質模型的自動生成

通過FLAC3D命令“Import Grid”調入由接口程序輸出的數(shù)據(jù)文件flaczone.FLAC3D，并加入邊界條件、初始條件以及巖土體的力學參數(shù)，即可生成數(shù)值模型。

3 大崗山水電站拱壩三維數(shù)值建模工程應用

3.1 工程概況

大崗山水電站是大渡河干流近期開發(fā)的大型水電工程之一［12］，壩址處控制流域面積達6.27萬km2，占全流域的80%，多年平均流量約1 010m3／s，電站正常蓄水位1 130m，大壩壅水高度約180m，最大壩高約210m。

壩區(qū)基巖以澄江期花崗巖類為主，此外，尚有輝綠巖脈、玢巖脈、花崗細晶巖脈、閃長巖脈等各類脈巖穿插發(fā)育于花崗巖中，尤以輝綠巖脈分布較多，并且伴有多處斷層發(fā)育，地質條件復雜。對于這樣一個地表形態(tài)復雜且壩肩、壩基富存復雜地質結構的拱壩來說，采用本文提出的數(shù)值建模方法可以快捷、有效地建立其三維模型。

3.2 雙曲拱壩三維數(shù)值建模過程

建模具體操作過程如下：

（1）準備幾何圖形數(shù)據(jù)。根據(jù)工程設計CAD圖中提供的坐標，分別建立壩體及周圍地表地貌的主要特征點。并采用自下而上的方式依次生成主要的線和面。

（2）生成實體模型。用ANSYS軟件依次生成壩體和周圍山體的實體模型。根據(jù)巖脈和斷層的產(chǎn)狀，考慮了走向，傾角和厚度，建立主要巖脈的體模型。通過布爾運算，建立起了包含巖脈、斷層在內(nèi)的整個拱壩模型，見圖2。

圖2 大崗山拱壩整體計算模型

（3）劃分網(wǎng)格。ANSYS劃分網(wǎng)格主要選擇了計算精度高，運算速度快的六面體單元，在尖角處或某些過渡區(qū)采用了四面體單元，并根據(jù)計算需要進行網(wǎng)格密度和重點區(qū)域網(wǎng)格細化的控制。最終，該模型共劃分20 548個節(jié)點，39 481個單元，并根據(jù)巖性定義了17種材料。剖分完網(wǎng)格的壩體模型，見圖3。

圖3 大崗山拱壩三維數(shù)值模型

（4）生成FLAC3D三維模型。利用ANSYS生成的node.dat和element.dat文件和作者開發(fā)的數(shù)據(jù)轉換接口程序生成FLAC3D可調用的模型數(shù)據(jù)文件，最后生成FLAC3D三維數(shù)值模型。FLAC3D中拱壩三維數(shù)值模型，如圖4所示。ABAQUS中拱壩三維數(shù)值模型，如圖5所示。

圖4 FLAC3D中拱壩三維數(shù)值模型

圖5 ABAQUS中拱壩三維數(shù)值模型

4 體會與認識

數(shù)值實驗已成為巖石力學課程教學與科研的重要手段，是實驗教學與工程實踐的重要補充。計算模型的前處理是數(shù)值實驗的重要步驟，為了實現(xiàn)不同軟件針對同一問題的模擬并相互驗證，需要實現(xiàn)同一模型在不同軟件間的轉換，否則如果重新建模將耗時費力。本文針對不同軟件間網(wǎng)格模型的相互轉換為例進行了說明與講解，該教學內(nèi)容在石油大學研究生課程“土木工程軟件分析與應用”的教學中取得了不錯的效果，學生由此掌握了不同軟件前處理模型相互轉換的方法，提高了前處理建模的效率，為后期進行數(shù)值實驗計算提供了基礎。

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