基于HYPERMESH 复杂地质体的FLAC3D实体建模

闫 龙 徐卫亚 张 强

（1.河海大学岩土工程科学研究所，南京 210098；2.河海大学岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室，南京 210098）

FLAC3D 是由美国Itasca公司开发的有限差分软件，是3－D Fast Lagrangian Analysis Code的简称，即三维快速拉格朗日分析程序.可以进行土质、岩石和其他材料的三维地下结构受力特性模拟和塑性流动分析，通过调整三维网格中的多面体单元来拟合实际结构（实体），采用线性或非线性本构模型表征单元材料，在外力作用下，当材料发生屈服流动后，网格能够相应地变形和移动（大变形模式）.由于FLAC3D采用“显式拉格朗日”算法和“混和－离散分区”技术，故而能够非常准确地模拟材料的塑性破坏和流动.此外，由于程序无需形成刚度矩阵，因此，基于较小内存空间就能够求解大范围的二维或三维地下工程问题.又因其采用了自动惯量和自动阻尼系数，克服了显式公式存在的小时间步长的限制以及阻尼问题，使得FLAC3D 软件在解决岩土工程问题上具有很大的优越性，也是求解岩土工程问题的最理想工具之一［1］.

FLAC3D 软件广泛应用于边坡稳定性评价、支护设计及评价、地下洞室、施工设计（开挖、填筑等）、河谷演化进程再现、拱坝稳定分析、隧道工程、矿山工程等多个领域［2］，在这些方面有其明显的优势.然而，由于FLAC3D 软件在建立计算模型时采用键入数据或读入命令行文件的方式，在建立复杂三维地质体模型以及网格划分等前处理方面存在一定的不足之处.

为了解决FLAC3D 软件在模型建立及网格划分等前处理方面的不足，许多学者采用不同方法弥补了FLAC3D 软件的缺陷.胡斌［3］等采用FORTRAN 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.李根［4］、廖秋林［5］、周先齐［6］等基于AUTOCAD 和ANSYS软件，利用ANSYS软件在前处理方面的优势建立复杂模型，并采用不同的语言编写了接口程序，将建立好的模型转换为FLAC3D 模型.徐卫亚、孟永东、郑文棠［7－9］等在三维地质可视化建模方面做了相关研究，并取得了一些成果.

HYPERMESH 是一个高性能的有限元前处理器，利用其强大的前处理功能对复杂地质体进行建模并划分网格，可以大大提高建模效率.本文基于HYPERMESH 软件进行复杂模型的建立，采用FORTRAN 语言编写了FLAC3D 前处理接口程序HYPERMESH＿TO＿FLAC3D，通过接口程序实现数据信息自动转换.并通过水电站地下洞室群三维建模实例检验了该方法的可行性和有效性.

1 FLAC3D前处理程序开发

HYPERMESH 软件是由是美国Altair公司开发的CAE 软件包，HYPERMESH 是一个高效的有限元前后处理器，能够建立各种复杂模型的有限元和有限差分模型，与多种CAD 和CAE软件有良好的接口并具有高效的网格划分功能［10］.但是在HYPERMESH 中建立的计算模型不能直接导入至有限差分软件FLAC3D 中进行分析计算，通常需要借助其他软件进行多次转换才能实现.为此，采用FORTRAN 语言编写FLAC3D 前处理接口程序，实现了将HYPERMESH 中建立的三维复杂地质体模型快速导入至FLAC3D 进行分析计算的目的.

1.1 HYPERMESH 模型的建立

HYPERMESH 模型是基于 AUTOCAD 和HYPERMESH 软件共同完成的.首先通过AUTOCAD 二维基础资料图建立基本控制点、线，并存为DXF文件，将DXF 文件导入至HYPERMESH 软件中，利用其强大的前处理功能进行面与体的生成，并利用几何清理、缝隙缝合、复杂曲面修补等功能完善实体模型；其次利用HPERMESH 高效的网格划分功能对实体模型进行网格划分，对划分好的网格进行调整、质量和连续性检查、优化等，以达到需要的精度要求；此外，还可在HYPERMESH 软件中对不同结构单元赋予相应的单元类型、材料等参数等；最后输出单元节点坐标和单元信息＊.txt文件.

1.2 FLAC3D与HYPERMESH 节点、单元数据关系

为了使HYPERMESH 所生成的节点、单元数据文件可以被FLAC3D 利用，因此必须了解FLAC3D与HYPERMESH 节点、单元数据之间的关系.通用的CAE前处理软件在实体模型单元生成时有一定的规则，虽然HYPERMESH 软件所采用的实体单元形状与有限差分软件FLAC3D 一致，但每个单元节点编号规则存在差异.因此，需对两种软件之间的对应关系进行转换.

二者在模拟对象的单元处理上，均提供了丰富的单元形状.根据三维地质体的实际特征、计算精度要求以及单元形状的空间展布特点，在此处分析仅考虑以下4种单元：块体单元（六面体网格单元）、楔形体单元、锥形体单元、四面体单元.基于上述4种单元体基本可以满足任何复杂地质体三维模型的建立.表1给出了HPYERMESH 与FLAC3D 软件各自在单元节点编制的对应关系.

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1.3 程序的实现及FLAC3D模型的自动生成

依据上述单元数据对应关系的分析，采用FORTRAN 语言编写了HYPERMESH 到FLAC3D 接口程序HYPERMESH＿TO＿FLAC3D.程序的关键在于将模型的单元节点数据从HYPERMESH 转换到FLAC3D，同时还可以将HYPERMESH 软件中赋予实体不同的单元类型遗传至FLAC3D，方便在FLAC3D 中进行材料赋值计算.最后通过接口程序直接生成FLAC3D 所需的数据文件.主要内容如下：

1）首先在HYPERMESH 软件安装目录…Altair＼hw10.0＼templates＼feoutput下建立名为flac3d的文件夹.利用 HYPERMESH 内部命令编写FLAC3D 输出模板文件Hypermesh＿to＿FLAC3D＿new.tpl，并将其放在上述路径下.

2）在HYPERMESH 软件输出面板中，把划分好的网格模型（节点、单元信息）按照如图1所示的方法输出至＊.txt文件，可根据分析计算需要对网格信息按组进行部分或全部输出.在输出单元信息之前利用HYPERMESH 中renumber工具对nodes（节点）、elems（单元）和comps（组）进行重新排序.输出的文件信息如下：

图1 HYRPERMESH 输出面板示意图

3）将节点单元数据文件＊.txt 和 HYPERMESH＿

TO＿FLAC3D.exe接口程序放到同一目录下，执行接口程序HYPERMESH＿TO＿FLAC3D.exe，生成FLAC3D 支持的＊.flac3d文件，该文件包括节点信息（GRIDPOINTS）、单元信息（ZONES）以及分组信息（GROUPS），文件信息如下：

4）运行FLAC3D，执行file→import grid，将＊.flac3d文件导入至FLAC3D，此时FLAC3D 模型自动生成.在FLAC3D 中施加边界条件、初始条件及材料物理力学参数后方可进行相关分析计算.

2 应用实例——乌东德水电站地下洞室群三维数值模型

乌东德水电站是金沙江下游河段4 个水电梯级——乌东德、白鹤滩、溪洛渡和向家坝中的最上游梯级电站，坝址所处河段左岸隶属四川省会东县，右岸隶属云南省昆明市禄劝县.电站厂房采用地下式厂房，布置于坝址两岸山体内，主要建筑物由进水口、引水洞、主厂房、安装场、母线洞、主变室、调压室、尾水洞、尾水出口等组成.主厂房、主变室、调压室3大洞室依次平行布置，其中主厂房尺寸310m×31.8m×84.2m（长×宽×高）、主变室尺寸251.2m×18.5m×34.2m（长×宽×高）、调压室尺寸215.74m×27m×108m（长×宽×高）.坝址区河谷呈狭窄的“V”型，地形地貌及地质条件较为复杂.

乌东德水电站地下洞室群三维数值模型以平行于主厂房的轴线并指向河谷向为X 轴，垂直于厂房轴线并指向金沙江上游为Y 轴，Z 轴竖直向上.模型取X 轴向长650m，Y 轴向宽600m，Z 轴埋深700m.模型建立主要通过以下几个步骤完成：

1）基础图件资料的整理.结合工程实际的平面图、剖面图等资料，利用AUTOCAD 软件进行地层界线、地质构造、等高线以及洞室边界等控制点线的绘制.将数据文件存为＊.dxf格式文件.

2）实体模型的生成.将上述＊.dxf文件导入至HYPERMESH 软件中，利用HYPERMESH 强大的前处理功能生成相应的面，对生成的面进行几何清理、缝隙缝合、复杂曲面修补等.接着生成实体模型并进行洞室开挖步的切割，如图2所示.

3）网格划分.网格划分的关键是确定网格的划分次序和合理的网格，按照从复杂部位到简单部位、从里到外的原则划分.该模型采用四面体单元划分网格，在划分过程中，对断层附近及洞室采用较密的网格，而对外部山体采用稀疏网格以便减少计算量.

图2 HYPERMESH 三维数值模型

4）网格质量和连续性检查.网格质量的高低直接影响计算结果的精度，在HYPERMESH 中可用细长比、内角、翘曲量、雅可比等指标来衡量网格质量的好坏.此处对本模型采用雅可比和翘曲量来控制网格的质量，在划分过程适时检查网格质量及连续性，调整或重新划分不达标的网格.经修改后，模型共有366 312个单元，88 979个节点，所有单元均满足指标要求，HYPERMESH 网格模型如图3（a）所示.

5）生成FLAC3D 三维模型.按照1.3 节叙述的方法，利用开发的接口程序HYPERMESH＿TO＿FLAC3D 生成FLAC3D 三维数值模型，如图3（b）、（c）所示.

图3 网格模型

3 结 论

1）FLAC3D 是岩土工程等领域专业数值分析软件，但其在复杂三维模型建立方面存在明显不足，而HYPERMESH 具有强大的前处理功能和网格划分功能.提出了基于HYPERMESH 建立模型、网格划分，并通过接口程序将HYPERMESH 生成的网格节点单元数据信息转换为FLAC3D 模型的方法.该方法充分发挥了HYPERMESH 在前处理方面的优势，弥补了FLAC3D 在前处理方面的不足.实现在FLAC3D 中快速精确建立三维复杂地质模型的目的，为工程技术人员节省了使用FLAC3D 软件进行模型建立时所需时间和精力.

2）将本文提出的方法应用于乌东德水电站地下洞室群三维数值模型建立中，结果表明：提出的方法以及相应的接口程序能够实现HYPERMESH 模型到FLAC3D 模型的转换，使得FLAC3D 建模方便快捷，从而检验了该方法的可行性和有效性.

［1］ Itasca Consulting Group，Inc.FLAC3D，Fast Lagrangian Analysis of Continua in 3Dimensions，version 3.0，user＇s manual［R］.USA：Itasca Consulting Group，Inc.FLAC3D，2005.

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［5］ 廖秋林，曾钱帮，刘 彤，等.基于ANSYS平台复杂地质体FLAC3D 模型的自动生成［J］.岩石力学与工程学报，2005，24（6）：1010－1013.

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