程青云(蚌埠市勘測設(shè)計(jì)研究院,安徽蚌埠 233000)

MSC．PATRAN工程地質(zhì)三維建模技術(shù)研究

程青云?
(蚌埠市勘測設(shè)計(jì)研究院,安徽蚌埠 233000)

摘 要:以某一深埋洞室為例,探討了采用MSC．PRTRAN軟件進(jìn)行三維實(shí)體幾何建模并劃分網(wǎng)格的方法以及模型導(dǎo)入FLAC3D的軟件的過程,分析了其中技術(shù)難點(diǎn),針對復(fù)雜地表面的擬合、巖土體的開挖、地下水位面的創(chuàng)建等問題,提出了行之有效的處理方法。實(shí)踐證明,相比其他軟件,MSC．PRTRAN軟件操作界面更友好,建模效率高,易入門。

關(guān)鍵詞:MSC．PATRAN;工程地質(zhì);建模;FLAC3D

1 引 言

當(dāng)前,巖土工程數(shù)值模擬應(yīng)用普遍。針對巖土體的大變形材料的特點(diǎn),FLAC3D由于采用“混合離散法”模擬其塑性破壞和塑性流動(dòng),表現(xiàn)得比有限元法中采用的“離散集成法”更為準(zhǔn)確、合理,受到更多推崇。FLAC3D軟件建模時(shí),一般是通過內(nèi)置的網(wǎng)格生成器使網(wǎng)格和幾何模型同時(shí)生成,但這不利于復(fù)雜形狀網(wǎng)格單元的連接、匹配和修改,一定程度上制約了其在復(fù)雜網(wǎng)格模型分析中的應(yīng)用。而采用其內(nèi)置的fish語言進(jìn)行建模對于初學(xué)者又較難入手。

針對這一現(xiàn)狀,通常是選擇MIDAS/ GTS、ANSYS、ABAQUS、HEPERMESH等前處理功能較強(qiáng)的通用有限元軟件建好模型,然后導(dǎo)入FLAC3D軟件進(jìn)行計(jì)算。

相比以上建模工具,MSC．PATRAN軟件采用符合open software foundation(osf)motif標(biāo)準(zhǔn)的全新圖形用戶界面,采用鼠標(biāo)驅(qū)動(dòng)菜單,友好的用戶界面顯得條理清晰,激發(fā)“事件”時(shí)菜單最多不超過三級,采用(行動(dòng))action→(目標(biāo))object→method(方法)的操作方式,使得建模過程變得直觀、高效。例如:要?jiǎng)?chuàng)建實(shí)體(solid),便可在geometry面板上的action、objection、method上分別選擇creat、solid、face即可。

2 建模準(zhǔn)備工作

建模前需要對前期的工程地質(zhì)勘察資料進(jìn)行整理,包括附有等高線和高程點(diǎn)的地質(zhì)平面圖,工程地質(zhì)縱、橫剖面圖,地下水位量測資料等。資料愈詳細(xì),所得計(jì)算模型也愈接近工程實(shí)際。

同ANSYS、ABAQUS等通用有限元軟件類似, PATRAN可以直接從AUTOCAD軟件中讀取二維或三維圖形,然后對其進(jìn)行編輯。例如,可以將dxf格式的CAD圖形通過MIDAS/ GTS轉(zhuǎn)存為igs格式,然后導(dǎo)入PATRAN。在導(dǎo)入之前需對CAD圖形做必要的修飾處理,刪除多余線條,跨分界面位置的多段線一般需打斷為線段。

3 MSC．PATRAN軟件實(shí)體建模

3．1幾何模型的建立

借助PATRAN界面上的geometry面板進(jìn)行幾何建模,如圖1所示。同ANSYS、ABAQUS等通用有限元軟件類似,PATRAN三維實(shí)體建模也是采用自下而上的方式,即點(diǎn)(point)→曲線(curve)→曲面(surface)→實(shí)體(solid)。借助軟件內(nèi)部的平面(plane)、矢量(vector)、坐標(biāo)系(coord)等輔助功能,可大大提高建模效率。

圖1　某水工硐室及圍巖實(shí)體建模

3．2有限元網(wǎng)格劃分

通過PATRAN界面上的elements面板進(jìn)行有限單元?jiǎng)澐?如圖2所示。PATRAN中的實(shí)體分為簡單體(Parametric Solid)和復(fù)雜體(Boundary representation Solid),簡單體可采用四面體、五面體和六面體劃分網(wǎng)格,復(fù)雜體則僅能采用四面體劃分。PATRAN附帶有mesh seed功能,通過在幾何邊界上均勻或等比撒設(shè)mesh seed,人為控制網(wǎng)格尺寸,同時(shí)提高數(shù)值計(jì)算的收斂速度和計(jì)算精度。

圖2　某水工硐室及圍巖單元?jiǎng)澐?/p>

4 模型導(dǎo)入FLAC3D

與大多數(shù)有限元軟件類似,FLAC3D遵循節(jié)點(diǎn)(GRIDPOINTS)、單元(ZONES)、組(GROUPS)的網(wǎng)格數(shù)據(jù)格式。模型在PATRAN中建好后,通過file→report命令,可將模型中所有節(jié)點(diǎn)和單元信息以文本文件輸出,該文件后綴默認(rèn)為．rpt格式,可用記事本打開并編輯。由于FLAC3D內(nèi)部網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)序號遵循右手法則,除非所有單元均為四面體單元,所輸出的節(jié)點(diǎn)需要按FLAC3D的規(guī)則調(diào)整排序,可以借助UltraEdit或excel快速完成。

排序結(jié)束后,將該文件保存為．FLAC3D后綴格式,對單元進(jìn)行分組(groups),通過FLAC3D中的import grid命令,即可將模型導(dǎo)入。

5 建模難點(diǎn)分析

5．1復(fù)雜地表面的生成

對于起伏較大的地表面,如山坡,建模需要高程點(diǎn)、等高線等信息量豐富的地形圖,以此創(chuàng)建地表面,如圖3所示。可采用以下兩種方法:

圖3　MIDAS/ GTS擬合某地表面

(1)從地形圖上采集高程點(diǎn),將高程點(diǎn)導(dǎo)入MIDAS/ GTS,借助該軟件的生成頂點(diǎn)面的功能擬合曲面,然后將該曲面的igs格式文件導(dǎo)入PATRAN。高程采集時(shí),可借助某些小工具,如CADASSIS工具,在點(diǎn)取坐標(biāo)點(diǎn)時(shí),各高程點(diǎn)三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)自動(dòng)記錄在Excel表格中,然后通過MIDAS/ GTS的生成頂點(diǎn)面功能調(diào)用Excel高程表格擬合出地表面,最后將地表面的igs文件導(dǎo)入PATRAN軟件。

(2)根據(jù)等高線,通過PATRAN的creat/ surface/ curve功能,在各相鄰等高線之間生成地表面,由多組曲面共同圍成地表面。

分析:第一種方法所得地表曲面為一擬合面,擬合階次越高,曲面越平滑,當(dāng)?shù)匦纹鸱^大時(shí),擬合地面局部誤差可能較大,并可能出現(xiàn)嚴(yán)重翹曲,不利于幾何體的生成和網(wǎng)格劃分。第二種方法則是由各個(gè)相鄰的曲面共同組成一個(gè)復(fù)雜地表面,等高線越密,曲面聯(lián)結(jié)越細(xì)碎,這也會(huì)給后期的網(wǎng)格劃分帶來不利影響,此時(shí),可借助PATRAN軟件中的creat/ surface/ composite功能,即根據(jù)已有的曲面創(chuàng)建新的復(fù)雜曲面。

5．2幾何體間的拓?fù)潢P(guān)系

洞室、管線等往往發(fā)生相交或有主洞、支洞之分,此時(shí),建模過程中相交部位的建模和網(wǎng)格劃分是關(guān)鍵。在PATRAN軟件中,復(fù)雜體的布爾運(yùn)算通常不易實(shí)現(xiàn),即使是復(fù)雜曲面的互相切割軟件也往往拒絕執(zhí)行。針對這一狀況,建模在PATRAN建模時(shí),當(dāng)存在相交(相貫)時(shí),通常做法是根據(jù)面的相交做出相交線(如圖4所示),在各相交線的基礎(chǔ)上借助PATRAN中的creat/ surface/ curve創(chuàng)建出相交面,然后由creat/ solid/ B-rep創(chuàng)建出幾何實(shí)體。

圖4　某水工硐室工程主洞、支洞、鋼管及圍巖位置關(guān)系

應(yīng)注意的是,相貫部分體的切割不能過于細(xì)碎,各方向尺寸不能過于懸殊,否則,網(wǎng)格劃分時(shí)質(zhì)量難以保證,影響數(shù)值計(jì)算效率和精度。

5．3巖土體的開挖

FLAC3D軟件中內(nèi)置了開挖模型(model null),對可能的開挖工況,PATRAN建模過程中需要進(jìn)行統(tǒng)籌考慮。例如,FLAC3D中對一個(gè)完全采用四面體單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格的模型執(zhí)行開挖時(shí),往往出現(xiàn)鋸齒狀臨空面,導(dǎo)致計(jì)算不能收斂。對此,通常做如下處理:①PATRAN幾何建模(geometry)過程中對各開挖部分進(jìn)行預(yù)分塊處理,例如采用edit/ solid/ plane的方式切割實(shí)體,如圖5所示。②在創(chuàng)建幾何體時(shí),盡量將模型分解為多個(gè)簡單體,以便采用五面體或者六面體單元?jiǎng)澐謹(jǐn)M開挖部分,保證開挖面為一平面。

圖5　地下水位面的生成

相比四面體單元而言,采用6節(jié)點(diǎn)五面體或者8節(jié)點(diǎn)六面體單元?jiǎng)澐帜Ｐ?其計(jì)算效率和精度高。簡單體的創(chuàng)建一般可通過geometry面板中的create/ solid/ surface、edit/ solid/ refit等操作實(shí)現(xiàn),也可借助element面板中的transform對已有網(wǎng)格移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)、鏡像得出,此外element面板中的sweep對基網(wǎng)格拉伸、滑動(dòng),也可以方便地生成參數(shù)化網(wǎng)格。但對于工程地質(zhì)模型而言,其形狀往往很不規(guī)則,需要盡可能將模型分解為各簡單體,由于簡單體只能為四面體五面體或六面體,分解難度往往很大,甚至是無法實(shí)現(xiàn)。相比而言,第一種方法較易于實(shí)現(xiàn),但工作量較大,建模效率較低。

地下水位面通常為一曲面,直接在FLAC3D中創(chuàng)建與勘察資料一致的地下水位面有較大難度?？筛鶕?jù)FLAC3D中界面單元能夠自動(dòng)依附于指定范圍內(nèi)模型表面生成的特性,按以下思路生成水面:①根據(jù)勘察資料,在PATRAN中按點(diǎn)→線→面的方式生成地下水面(類似ANSYS軟件建模方法中的蒙皮技術(shù));②根據(jù)地下水面切割幾何實(shí)體,保留地下水面及其下部幾何實(shí)體并導(dǎo)入FLAC3D,在FLAC3D中生成與地下水面空間形態(tài)一致的界面單元。③以界面單元為輔助單元,采用fish語言遍歷界面節(jié)點(diǎn)單元,生成依附于水下部分表面的水面,同時(shí)生成靜水壓力,如圖6所示。④導(dǎo)入原來的三維實(shí)體工程地質(zhì)模型,并刪除作為水面載體的網(wǎng)格模型。

圖6　基于界面單元采用遍歷節(jié)點(diǎn)法生成的地下水位面

6 結(jié) 論

相比ABAQUS、ANSYS等其他通用有限元軟件,采用MSC．PATRAN軟件進(jìn)行三維實(shí)體建模其界面更友好,建模過程層次清晰,軟件中的復(fù)制、移動(dòng)、鏡像、等編輯功能強(qiáng)大。同其他通用有限元軟件建模一樣,單元網(wǎng)格劃分的質(zhì)量直接關(guān)系著數(shù)值計(jì)算的成敗,而網(wǎng)格劃分的質(zhì)量又取決于之前的三維幾何實(shí)體建模,PATRAN軟件優(yōu)秀的前處理功能使其能夠便捷地處理建模中的大多數(shù)問題。對地表面復(fù)雜的情況,可以借助MIDAS/ GTS、HEPERMESH等工具處理并導(dǎo)入PATRAN,PATRAN中的“蒙皮”技術(shù)結(jié)合FLAC3D中的遍歷節(jié)點(diǎn)法可以方便地生成地下水位面。對于難以劃分映射網(wǎng)格的模型,采用10節(jié)點(diǎn)四面體單元可以部分解決計(jì)算精度不高的問題。實(shí)踐表明,采用PATRAN軟件進(jìn)行工程地質(zhì)三維建模其思路清晰,效率高。

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Study on Method of 3D Modeling of Engineering Geology by Software MSC. PATRAN

Cheng Qingyun
(Bengbu Survey and Design Research Institute,Bengbu 233000,China)

Abstract:In the case of some deep buried tunnels,the method of 3D modeling of engineering geology by software MSC．PATRAN was discussed,the process of 3d model imported to flac3d software was also involved．For complex surface fitting,rock and soil mass excavation and generation of groundwater level etc,some effective treatment was put forward．The practice shows that,MSC．PATRAN has an more friendly operation interface and higher efficiency in 3D modeling of engineering geology compared to other tools,these features make it easy to start with．

Key words:MSC．PATRAN;engineering geology;modeling;FLAC3D

文章編號:1672-8262(2015)06-162-04中圖分類號:P628

文獻(xiàn)標(biāo)識碼:B

收稿日期:?2015—01—07

作者簡介:程青云(1984—),男,碩士,工程師,主要從事巖土工程技術(shù)工作。