复杂地质建模前处理方法在岩石力学数值实验教学中的应用

杨文东，张艳美，俞然刚，程旭东，井文君

（中国石油大学（华东）储运与建筑工程学院，山东 青岛 266580）

实验教学是岩石力学教学体系中的重要组成部分，主要有现场实验和室内物理实验。现场实验能比较真实地反映岩体的力学性质，但是费用较高，实验数量也很有限；室内物理实验操作方便，但是仅限于测定岩石的基本力学性质，对于复杂工况则难以实现。随着计算机的发展，计算机辅助教学手段逐步发展［1－3］。数值实验是利用计算机仿真技术对岩石的变形和破裂进行分析，具有通用性强、方便灵活、具有可重复性等特点，而且可以通过数值实验得到许多在常规实验室实验中难以观测的重要信息。数值实验已成为岩石力学物理实验教学的重要补充［4－6］。

数值实验时常常需要用多个软件对计算结果进行相互验证，这就需要实现同一个网格模型在不同软件间进行转换，否则需要进行多次前处理建模，是十分繁琐和耗时的。因此，本文重点介绍了复杂地质建模前处理方法，实现网格模型在不同软件间的转换，为数值实验的前处理教学提供借鉴。

1 常用岩土分析软件前处理不足

FLAC3D软件已成为我国岩土力学与工程界发展最快、最具影响的数值分析软件之一。该软件在解决岩土工程问题上具有很多的优越性，已逐渐成为工程技术人员理想的三维数值模拟工具。尽管其计算能力非常强大，岩土本构模型也很丰富，然而FLAC3D软件在模型建立以及单元网格剖分等前处理问题上却存在种种不足，造成其建立复杂模型的不便性：

（1）FLAC3D软件前处理没有可视化界面，不像ANSYS或HYPERMESH等有限元软件，具有比较强大的前处理功能。

（2）建立大型复杂的工程模型，特别是岩体富存有岩脉、断层、破碎带等复杂地质体时，FLAC3D需要用FISH语言编写，甚至难于实现。

（3）建模工作量大，花费时间长，直接造成三维数值建模耗时长、效率低。

为解决FLAC3D软件对于复杂地质体数值建模的不足，文献［7］采用FORTRAN 语言专门编写FLAC3D的前处理程序，对于岩层和地质结构较单一的地质体实现了快速、便捷的建模。文献［8，9］研究了FLAC3D二维平面应变模型的快速建立，但对于采动影响下的矿山工程和地质结构分布错综复杂的边坡、坝体等工程，其数值模型的建立及网格划分仍然非常不便。文献［10］利用已有的建模与网格划分功能强大的ANSYS软件对复杂工程地质体建立相应数值模型（包括网格划分），再通过CALL命令实现FLAC3D模型的自动生成，但网格数量较多时，CALL命令运行时间慢、效率低。因此，本文基于FLAC3D3.0版本新增加的功能，采用ANSYS建模与网格划分功能，经过数据转换，通过Import Grid命令实现FLAC3D模型的自动生成。模型转换速度高，大大节省了工程数值建模的时间，为FLAC3D中模型的快速建立提供了有效途径。

另外，此方法同样适用于ANSYS到ABAQUS的数据转换。尽管ABAQUS也有可视化的前处理界面，但是熟练掌握ANSYS的人员可以不必再花费精力去摸索熟悉另外一种软件，节省宝贵时间。因两种思路相同，故下列篇幅以ANSYS到FLAC3D的转换为主进行介绍。

2 复杂地质建模的方法

2.1 ANSYS软件平台

ANSYS作为以有限元分析为基础的大型通用CAE软件，是建立复杂计算模型有效而又方便快捷的平台。

ANSYS提供CAD导入／导出接口，方便地实现了CAD之间模型的转换工作，避免了重复建模工作，并允许用户通过布尔运算对实体模型进行修改。强大的布尔运算工具可以实现实体之间加、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。ANSYS提供了功能强大的实体模型网格划分控制工具，如单元大小和形状的控制、网格的划分类型（如自由网格、映射网格、智能尺寸网格、扫掠网格、自适应网格等）以及网格的清除和细化。

2.2 ANSYS和FLAC3D单元数据关系

FLAC3D和ANSYS所采用的单元体形状大都相同，但其单元数据，即每一单元节点编制的规则和节点坐标，却有一定的差别。要将ANSYS所生成的节点坐标和单元信息转为FLAC3D所利用，有必要掌握ANSYS和FLAC3D单元数据之间的关系。在模拟对象的单元处理上，ANAYS和FLAC3D都提供了丰富的单元形状。根据地质体的特征、计算精度要求以及单元形状的空间展布特点，考虑以下4种单元体：六面体、五面楔形体、五面锥形体和四面体。这4种单元体基本能满足各种地质体数值模型的建立。表1为ANSYS和FLAC3D这2种软件所采用单元节点编制对应关系。

表1 ANSYS与FLAC3D单元数据关系对照

由表1可见，由于ANSYS存在单元退化和二次单元等问题，而FLAC3D则只能通过对ANSYS单元退化节点的判断用低节点的单元替换退化的高节点单元。例如，六面体可退化为五面楔形体、五面锥形体和四面体。

2.3 ANSYS－FLAC3D数据转换

根据以上对ANSYS与FLAC3D单元数据关系的分析，将ANSYS建模并转化为FLAC3D模型的主要步骤包括：

（1）ANSYS模型的建立及数据导出。在ANSYS中建立模型体并剖分好网格。执行 Write Node File，将节点信息写入到node.dat文件中；同样，执行Write Element File，将单元信息写入element.dat文件中。或者直接利用APDL，即ANSYS参数化设计语言，编写命令文件，然后从Read Input From读入运行，快速生成节点文件node.dat和单元信息文件element.dat。

（2）ANSYS和FLAC3D的数据转换。根据这2种软件单元形状及其单元数据的关系编写ANSYSFLAC3D数据转换接口程序是FLAC3D复杂地质体数值建模的关键所在。为此作者利用Visual Fortran语言编写了ANSYS－FLAC3D数据转换接口程序。图1是转换程序的数据接口界面。

图1 转换程序的数据接口界面

首先，该程序将ANSYS单元节点坐标转化成FLAC3D中单元的节点坐标。其次，根据ANSYS提供的单元信息element.dat文件的格式特点，自动判断每一单元的形状（六面体、五面楔形体、五面锥形体、四面体），并生成相应的FLAC3D单元。数据转换接口程序除实现了2种软件的单元数据转换之外，还将ANSYS定义的不同实体的材料属性遗传到FLAC3D中，并形成相应的组ZGroup，方便了计算参数的赋值。最后，运行该程序产生FLAC3D所需要的计算数据文件flaczone.FLAC3D。

2.4 数据转换接口程序产生的数据文件（以某水电站拱坝模型中的部分数据为例）

（1）产生节点的命令，主要格式为［11］：

（2）产生单元的命令，主要格式为：

（3）产生实体的命令，主要格式为：

其中“G”表示定义网格节点（GRIDPOINTS），后面是网格节点编号（ID number）和以浮点数形式表示的X，Y，Z坐标；

“Z”表示单元类型（ZONE TYPE），B8代表块体单元，后面是单元的节点号。

下面是几种单元类型：

“ZGROUP”表示由单元组成的组（GROUP），后面是组名（GROUP NAME）和组中的单元号（ZONE ID NUMBERS）。

2.5 地质模型的自动生成

通过FLAC3D命令“Import Grid”调入由接口程序输出的数据文件flaczone.FLAC3D，并加入边界条件、初始条件以及岩土体的力学参数，即可生成数值模型。

3 大岗山水电站拱坝三维数值建模工程应用

3.1 工程概况

大岗山水电站是大渡河干流近期开发的大型水电工程之一［12］，坝址处控制流域面积达6.27万km2，占全流域的80%，多年平均流量约1 010m3／s，电站正常蓄水位1 130m，大坝壅水高度约180m，最大坝高约210m。

坝区基岩以澄江期花岗岩类为主，此外，尚有辉绿岩脉、玢岩脉、花岗细晶岩脉、闪长岩脉等各类脉岩穿插发育于花岗岩中，尤以辉绿岩脉分布较多，并且伴有多处断层发育，地质条件复杂。对于这样一个地表形态复杂且坝肩、坝基富存复杂地质结构的拱坝来说，采用本文提出的数值建模方法可以快捷、有效地建立其三维模型。

3.2 双曲拱坝三维数值建模过程

建模具体操作过程如下：

（1）准备几何图形数据。根据工程设计CAD图中提供的坐标，分别建立坝体及周围地表地貌的主要特征点。并采用自下而上的方式依次生成主要的线和面。

（2）生成实体模型。用ANSYS软件依次生成坝体和周围山体的实体模型。根据岩脉和断层的产状，考虑了走向，倾角和厚度，建立主要岩脉的体模型。通过布尔运算，建立起了包含岩脉、断层在内的整个拱坝模型，见图2。

图2 大岗山拱坝整体计算模型

（3）划分网格。ANSYS划分网格主要选择了计算精度高，运算速度快的六面体单元，在尖角处或某些过渡区采用了四面体单元，并根据计算需要进行网格密度和重点区域网格细化的控制。最终，该模型共划分20 548个节点，39 481个单元，并根据岩性定义了17种材料。剖分完网格的坝体模型，见图3。

图3 大岗山拱坝三维数值模型

（4）生成FLAC3D三维模型。利用ANSYS生成的node.dat和element.dat文件和作者开发的数据转换接口程序生成FLAC3D可调用的模型数据文件，最后生成FLAC3D三维数值模型。FLAC3D中拱坝三维数值模型，如图4所示。ABAQUS中拱坝三维数值模型，如图5所示。

图4 FLAC3D中拱坝三维数值模型

图5 ABAQUS中拱坝三维数值模型

4 体会与认识

数值实验已成为岩石力学课程教学与科研的重要手段，是实验教学与工程实践的重要补充。计算模型的前处理是数值实验的重要步骤，为了实现不同软件针对同一问题的模拟并相互验证，需要实现同一模型在不同软件间的转换，否则如果重新建模将耗时费力。本文针对不同软件间网格模型的相互转换为例进行了说明与讲解，该教学内容在石油大学研究生课程“土木工程软件分析与应用”的教学中取得了不错的效果，学生由此掌握了不同软件前处理模型相互转换的方法，提高了前处理建模的效率，为后期进行数值实验计算提供了基础。

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