FLAC3D 復(fù)雜模型interface 建模方法探討

鄭文華

(中國(guó)建筑科學(xué)研究院地基基礎(chǔ)研究所，北京 100013)

1 前言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，巖土工程數(shù)值分析軟件在大型水利、土建、礦山、交通、市政、石油等工程中的設(shè)計(jì)分析中起著越來越重要的作用。在巖土工程數(shù)值分析過程中，為了更好的模擬巖土體之間的接觸問題不可避免的要用到接觸單元［1］。

Interface 作為FLAC3D 中的接觸面單元，是FLAC3D 中自帶的一種無厚度單元，其本構(gòu)模型采用庫(kù)侖剪切模型，可用于分析一定受力條件下兩個(gè)接觸的表面上的錯(cuò)動(dòng)滑移、分開與閉合，能很好地模擬巖錨梁體與周圍巖體的接觸變形［2］。

可用于模擬節(jié)理、斷層以及不同塊體間的接觸面等界面的滑移或分離問題。FLAC3D 中已有的interface 建模方法［3］“分離法”和“移動(dòng)組合法”難以滿足復(fù)雜模型的建模需要，因此，國(guó)內(nèi)學(xué)者在實(shí)際模擬分析中也探討了部分新的interface 建模方法，如文獻(xiàn)［4］中提到的“依次建模法”。但是該方法仍只局限于接觸問題的簡(jiǎn)單分析，即在模型建立之初就必須進(jìn)行interface 單元的建模，且僅適用于可以依次建模的分析問題。

對(duì)于類似隧道開挖支護(hù)過程，接觸面由無到有的全過程復(fù)雜模型interface 建模方法，國(guó)內(nèi)文獻(xiàn)中至今仍無詳細(xì)論述。因此，本文從FLAC3D 建模方法的角度出發(fā)，探討了適用于巖土工程全過程數(shù)值模擬分析的復(fù)雜模型interface 建模方法，以期為今后的FLAC3D 中interface 的建模方法提供一種參考。

2 interface 單元已有的建模方法

2.1 FLAC3D 軟件簡(jiǎn)介［5］

2.2 interface 界面單元

如圖1 所示，在FLAC3D 中interface 接觸單元是由一系列三角形單元組成的，每個(gè)單元由3 個(gè)節(jié)點(diǎn)來定義。一般而言，interface 接觸單元是依附于固定的面，兩個(gè)三角形單元可用來定義任意四邊形的接觸面。在每個(gè)接觸單元的頂點(diǎn)處會(huì)自動(dòng)生成接觸節(jié)點(diǎn)。接觸節(jié)點(diǎn)會(huì)自動(dòng)探測(cè)接觸的發(fā)生過程，并通過法向剛度、剪切剛度或滑動(dòng)性質(zhì)等來表達(dá)這種接觸關(guān)系。具體表達(dá)方式見圖2。

圖1 接觸單元模型

圖2 接觸單元本構(gòu)模型［3］

其力學(xué)方程為:

2.3 FLAC3D 中已有的interface 單元建模方法

(1)分離法

先建立兩個(gè)完整的模型，將需要建立接觸面的模型網(wǎng)格分離開，最后設(shè)置接觸面單元。

(2)移來移去法

將有接觸面的兩個(gè)模型分開建立在不同的位置，然后在其中一個(gè)模型上建立接觸單元，最后將另一塊模型移動(dòng)到該模型的對(duì)應(yīng)位置，實(shí)現(xiàn)接觸關(guān)系的建立。

圖4 移來移去法模型示例

(3)依次建模法［4］

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按照先后順序，先建立模型一，然后進(jìn)行接觸面單元的建立與設(shè)置，最后建立另一塊模型。

以上三種方法都可以建立簡(jiǎn)單模型的interface單元，但是對(duì)于大型曲面的interface 單元的建立則難以實(shí)現(xiàn)。

圖5 依次建模法模型示例

3 復(fù)雜模型中interface 建模方法

針對(duì)復(fù)雜模型的接觸面單元建立過程困難的問題，需借助于其他的FLAC3D 前處理軟件在接觸部位先建立曲面，然后進(jìn)入FLAC3D 的操作界面，進(jìn)行interface 單元的建立，即“先實(shí)體面后接觸面法”。

3.1 Ansys 中復(fù)雜模型實(shí)體面的建立

利用Ansys 的強(qiáng)大功能，在需要進(jìn)行接觸面模擬的界面兩側(cè)建立體模型，劃分網(wǎng)格。給接觸面兩側(cè)的體模型賦不同的材料屬性，隨后將模型信息導(dǎo)入FLAC3D 中。在此過程中最好保證接觸面部位存在實(shí)體面。

圖6 ansys 中的實(shí)體面

3.2 FLAC3D 中接觸面單元(interface)的建立

將Ansys 中已建好的模型導(dǎo)入FLAC3D 中，可先進(jìn)行接觸問題之前的其他力學(xué)問題的模擬分析。當(dāng)需要進(jìn)行接觸分析時(shí)，針對(duì)需建立interface 單元的模型:

(1)進(jìn)行接觸面兩側(cè)模型的分組

語(yǔ)句:gro contact1 range gro 5

gro contact2 range gro 6

(2)將接觸面所在的模型分離

語(yǔ)句:gen separate contact1

(3)進(jìn)行接觸面單元的設(shè)置

語(yǔ)句:interface 1 wrap contact1 contact2

在完成接觸面模型的建立后，進(jìn)行相關(guān)參數(shù)設(shè)置及下一步工作。

4 應(yīng)用實(shí)例簡(jiǎn)介

4.1 工程簡(jiǎn)介

某隧道工程，采用盾構(gòu)施工法。上部為軟土層，下部為全風(fēng)化硬層。在模擬隧道開挖施工的過程中，需考慮盾構(gòu)管片之間以及管片與圍巖之間的接觸問題，需建立interface 接觸單元［6-10］。

4.2 地鐵隧道模型

首先利用Ansys 軟件建立隧道模型，建模過程中保證了在接觸面處存在實(shí)體面。如圖7 所示。

圖7 隧道模型

4.3 interface 界面單元建模

在模型導(dǎo)入FLAC3D 軟件以后，對(duì)于接觸面兩側(cè)的模型進(jìn)行分組(在圖中以不同顏色表示)，然后進(jìn)行模型分離以及接觸單元的設(shè)置。建模結(jié)果如下:

(1)管片縱向接觸面

圖8 縱向接觸面模型

(2)環(huán)向接觸面

圖9 環(huán)向接觸面模型

5 結(jié)束語(yǔ)

本文從FLAC3D 軟件的實(shí)際運(yùn)用角度出發(fā)，在總結(jié)現(xiàn)有interface 建模方法的基礎(chǔ)上，提出了基于Ansys 的FLAC3D 復(fù)雜模型interface 建模方法。同時(shí)，將該方法運(yùn)用到實(shí)際的工程數(shù)值計(jì)算過程中，驗(yàn)證了該建模方法的有效性、實(shí)用性，對(duì)今后的FLAC3D 的接觸方法建模具有重要的參考價(jià)值。

［1］劉波，韓彥輝.FLAC 原理、實(shí)例與應(yīng)用指南［M］.北京:人民交通出版社，2005.

［2］馬震岳，凌影，金長(zhǎng)宇，江權(quán).某水電站地下廠房巖錨吊車梁三期澆筑可行性分析［J］.水電能源科學(xué)，2010，28(3):66-69.

［3］FLAC3D User's Manual.

［4］姜慶紅，范慧鶴，李紅英，李利彬.FLAC3D 中INTERFACE 建模新方法在采空區(qū)模擬中的應(yīng)用［J］.計(jì)算機(jī)與現(xiàn)代化，2008，(10):113-115.

［5］彭文斌.FLAC3D 實(shí)用教程［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

［6］黃建明.盾構(gòu)管片計(jì)算模型的選擇［J］.鐵道建筑，2004，(6):29-31.

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