基于ansys复杂地质体网格模型的建立与导入

基于ansys复杂地质体网格模型的建立与导入

flac3d是针对土木工程问题开发的三维连续介质分析软件，已经广泛使用，但复杂三维模型的构建仍然存在困难。尽管FLAC3D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FISH,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FLAC3D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FISH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FLAC3D进行复杂工程分析的想法。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事。这也是造成FLAC3D三维模拟计算周期长、难度大,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FLAC3D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FLAC3D分析之用的网格模型,以弥补其在复杂网格模型建立方面的不足,从而降低采用其进行岩土工程三维数值分析的门槛。1数值实体模型的建立ANSYS作为应用广泛的有限元软件,充分综合了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类图形的处理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.dxf格式的图件。1.2基于他法的他法对于等高线数据,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)xf图形借助地质建模软件Gocad的试用版导入.dxf图形(.dxf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Excel中点三维坐标数据复制到记事本中予以保存。(2)数据文件的整理由于从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100m。1.3几何模型建立步骤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等间距的样条曲线,然后采用蒙皮(ASKIN)技术生成空间曲面(地表面、地层分界面以及较大的结构面等);接着通过拖拽(VDRAG)地表面拉伸成总的几何实体;最后采用地质界面切割几何实体,从而获得表征主要地质构造几何特征的实体模型。网格模型的建立步骤如下:首先依分析的实际情况,对需剖分的几何实体部分分别赋予不同的材料属性,以便进行分组;接着通过扫略(sweep)、映射(map)、自由剖分等网格剖分方式,对几何实体模型进行离散化,最终获得包含分组信息的网格模型。2flac3d网格模型的构建2.1单元网格模型FLAC3D遵从的是点(GRIDPOINT)、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,FLAC3D的网格数据格式还规定,W6表示wedge单元,P5表示pyramid单元,T4代表tetrahedral单元。2.2ansys与flac3的网格单元转换接口设计将其它软件网格导入FLAC3D时,只要将这些软件网格数据中的单元节点,按FLAC3D单元的节点编号顺序重新组合,就可转换为符合FLAC3D网格数据形式的文件。ANSYS与FLAC3D之间的网格单元之间的关系如表3所示。依据前述ANSYS网格单元与FLAC3D网格单元之间的联系,采用FORTRAN开发了二者单元数据之间转换的接口程序。该程序不仅可以将ANSYS中的一阶四、五、六面体网格转换为FLAC3D所需要网格数据(.FLAC3D格式),还可以将在ANSYS中事先赋予材料属性的网格信息予以保留以作为在FLAC3D生成Group的判别条件,最后通过命令impgrid直接调用该网格数据,即可快速地在FLAC3D中生成网格模型。3建立网格模型金沙江上某水电站坝址区,金沙江总体由南向北流,江面左岸谷坡总体上呈斜坡,由上游至下游逐渐增高;右岸谷坡呈陡壁,上游至下游渐次增高;河谷呈不对称的“V”型。两岸岩层之间的接触关系比较复杂,岩层间夹多个层间错动带。对于这样一个地表形态和地质结构复杂的地质体,根据本研究提出的建模方法和步骤,可以很方便地建立其三维网格模型如图5所示,该网格模型由四、五、六面体混合单元组成,共包含181712个节点,540249个单元。图6为检验网格连接情况时,进行自重作用下的弹性求解时获得的竖向应力云图。从图6可以看出,整个应力云图分布均匀且连续,证明网格单元质量较好。整个建模过程从数据准备到网格剖分和弹性计算,只花费3d左右的时间,简单,快捷,而且还实现了单元的优化,提高了分析的频次。4基于er软件的flac3分析(1)FLAC3D尽管分析功能强大、应用广泛,但由于它在前处理上存在的巨大不足,制约了其在岩土工程中的进一步应用推广,因此需借助其它方法对其前处理进行改进。(2)本研究提出的通过GOCAD,SURFER软件获取CAD图件等高线三维坐标信息,利用ANSYS在建立实体模型和网格划分方面的优势,最终实现岩土工程复杂模型的FLAC3D分析的方法,具有操作简单,效率高的优点。这一流程尽管涉及软件较多,但均只需粗加掌握其数据导入、导出和整理等操作即可,并