CATIA－FLAC3D耦合建模方法及其應(yīng)用

喬世范，謝濟仁，郭麒麟，許文龍

（1.中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，長沙410075；2.長江委巖石工程總公司（武漢），武漢430010）

FLAC3D（Fast Lagrangian Analysis of Continua）是以拉格朗日法為基礎(chǔ)編寫的有限差分程序，三維快速拉格朗日法是基于三維顯式的一種有限差分法的數(shù)值分析方法，它可以模擬巖土或其他材料的三維力學(xué)行為。自20世紀(jì)90年代以來，已經(jīng)在土建、交通、采礦、地質(zhì)、水利等工業(yè)部門廣泛應(yīng)用，逐漸成為巖土工程界的重要工具之一。

然而FLAC3D軟件在模型前處理上存在很大缺陷，主要表現(xiàn)為：建模過程不直觀、檢查不方便、工作量大耗費時間長。為了解決這些問題，一些學(xué)者做了一些工作：王樹仁等［1］基于 MIDAS／GTS軟件，采用 MATLAB語言編寫 MIDAS／GTS－FLAC3D接口程序。廖秋林等［2］基于 ANSYS軟件，采用ANSYS語言編寫了FLAC3D－ANSYS接口程序，借助有限元軟件ANSYS相對便捷的前處理功能，實現(xiàn)了層狀地質(zhì)體FLAC3D模型的建立。胡斌等［3］采用FORTRAN語言編寫了FLAC3D的前處理程序，對于簡單地質(zhì)體實現(xiàn)了快速、便捷的建模；Aringoli等利用Surfer和GID處理，建立地質(zhì)體模型，通過Fish編 程 將 建 好 的 網(wǎng) 格 讀 入 到 FLAC3D中［4－7］。ANSYS、MIDAS／GTS等有限元計算軟件，針對規(guī)則的地質(zhì)體能夠快速建立地質(zhì)體的幾何模型和有限元模型，然而對于復(fù)雜的地質(zhì)體，其建模過程復(fù)雜、工作量大、花費時間長［8－11］。法國 Dassault公司開發(fā)的CATIA軟件是集CAD／CAM／CAE于一體的優(yōu)秀三維設(shè)計軟件，在機械、電子、航空、航天和汽車等行業(yè)獲得很廣泛應(yīng)用。它從V5R19版本開始，增加了地形地質(zhì)建模功能，用于土木工程的規(guī)劃與設(shè)計以及基礎(chǔ)工程等。一些單位在相關(guān)課題中已應(yīng)用CATIA進行三維地質(zhì)建模，開發(fā)了相應(yīng)的地質(zhì)插件，實現(xiàn)了地質(zhì)點的轉(zhuǎn)換、鉆孔數(shù)據(jù)的導(dǎo)入、鉆孔信息的分層、平面圖的導(dǎo)入以及剖面圖的導(dǎo)入等操作，從而簡化了建模過程，具有比較好的實用性。然而，CATIA雖然有比較強的建模能力，但其有限元分析模塊比較薄弱，所以需要開發(fā)與巖土工程專業(yè)軟件FLAC3D的接口程序。

針對FLAC3D前處理建模存在的技術(shù)不足［12］，筆者借助CATIA進行復(fù)雜地質(zhì)體及工程結(jié)構(gòu)的幾何建模和網(wǎng)格劃分，通過編寫CATIA－FLAC3D數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口程序，將建好的模型導(dǎo)入到FLAC3D中，從而降低FLAC3D前處理建模的難度，實現(xiàn)復(fù)雜工程的FLAC3D三維模型快速、準(zhǔn)確構(gòu)建，彌補了CATIA在有限元計算方面的不足。

1 復(fù)雜地質(zhì)體的建立和網(wǎng)格劃分

1.1 CATIA軟件簡介

CATIA軟件包括多個功能模塊，用于三維地質(zhì)建模的模塊主要包括有數(shù)字曲面編輯（DSE）、創(chuàng)成式外形設(shè)計（GSD）、快速曲面重建（QSR）和雕刻（Shape Sculptor）模塊等。采用CATIA建立地質(zhì)模型，建模方便，模型準(zhǔn)確。

1.2 CATIA中建立地質(zhì)模型

1.2.1 點云和地表Mesh面的形成 根據(jù)測繪部門所提供的工程地形圖，通過轉(zhuǎn)化軟件，生成地形圖等高線所有點的.asc文件。通過CATIA中DSE模塊導(dǎo)入，形成點云圖，見圖1。

將點云進行過濾、刪除明顯錯誤的數(shù)據(jù)點，通過mesh creation命令形成3D三角小網(wǎng)格面片組，采用DSE平臺中的網(wǎng)格面修改功能對三角網(wǎng)格面片組進行補點、刪點、修改網(wǎng)格形狀等操作，生成合理網(wǎng)格面，見圖2。

圖1 導(dǎo)入的點云

1.2.2 形成地表曲面 進入QSR模塊，點擊Power Fit命令，將網(wǎng)格面強制實體化，調(diào)整界面參數(shù)，生成接近真實情況的實體面。如圖3。

1.2.3 生成地質(zhì)體模型 在地表面范圍內(nèi)建立凸臺，進入零件設(shè)計模塊，點擊分割命令（插入／基于曲面的特征／分割），其中，分割元素為上步生成的地表面，生成的地質(zhì)實體模型如圖4所示。

圖4 地質(zhì)體模型

1.2.4 生成網(wǎng)格體模型 進入分析與模擬模塊的高級網(wǎng)格劃分工具（Advanced Meshing Tools）模塊，點擊 Meshing Methods工具欄下的網(wǎng)格劃分工具（OCTREE Tetrahedron Mesh）命令，設(shè)定單元體大小，最后生成地質(zhì)體有限元網(wǎng)格模型［13－14］，如圖5所示。

圖5 網(wǎng)格體模型

2 CATIA－FLAC3D接口程序

CATIA有限元模型可采用采用四面體、六面體進行劃分，其單元形狀與FLAC3D所采用的四面體形網(wǎng)格和矩形網(wǎng)格形狀相似，但其每一單元節(jié)點編制的規(guī)則和節(jié)點坐標(biāo)（單元數(shù)據(jù)）有差異。通過深入分析兩個軟件數(shù)據(jù)文件的內(nèi)在聯(lián)系，在VS2010的平臺下，使用Visual Basic語言編寫了CATIA－FLAC3D接口程序，實現(xiàn)了在CATIA中建模和網(wǎng)格劃分，在FLAC3D中計算，使兩個軟件的優(yōu)勢得到發(fā)揮。

2.1 FLAC3D與CATIA單元數(shù)據(jù)關(guān)系

CATIA主要提供四面體（Ⅰ）、四面體（Ⅱ）和六面體3種實體單元，可分別對應(yīng)于FLAC3D中的Tetrahedron和Brick單元［15］，其單元節(jié)點編號對應(yīng)關(guān)系見表1（以四面體（Ⅰ）為例）。

表1 CATIA與FLAC3D單元數(shù)據(jù)關(guān)系對照

CATIA導(dǎo)出的節(jié)點、單元數(shù)據(jù)格式與FLAC3D可識別的節(jié)點、單元數(shù)據(jù)格式對照分別見表2（以四面體（I）為例）和表3（以四面體（I）為例）所列內(nèi)容。

表2 CATIA與FLAC3D節(jié)點數(shù)據(jù)格式對照表

表3 CATIA與FLAC3D單元數(shù)據(jù)格式對照表

2.2 CATIA與FLAC3D數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換思路

基于CATIA與FLAC3D單元數(shù)據(jù)關(guān)系，應(yīng)用Visual Basic編寫了CATIA－FLAC3D接口程序。將CATIA導(dǎo)出的節(jié)點、單元數(shù)據(jù)通過編程存儲到幾個動態(tài)數(shù)組中，再利用CATIA－FLAC3D數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口程序轉(zhuǎn)換成FLAC3D可識別的數(shù)據(jù)文件，并存入一個.txt文件中，通過調(diào)用這個文件，在FLAC3D中生成有限元模型；依次施加邊界條件和初始條件、對材料參數(shù)賦值等，進行計算［13－15］。

2.3 CATIA與FLAC3D數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換實現(xiàn)過程

CATIA與FLAC3D數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口程序?qū)崿F(xiàn)過程如下：

2.3.1 節(jié)點數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換 將CATIA的節(jié)點數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為FLAC3D數(shù)據(jù)文件，需刪掉非數(shù)據(jù)列（即“GRID＊”列）以及多余的節(jié)點號列，當(dāng)遇到關(guān)鍵字“GR”，開始存儲節(jié)點數(shù)據(jù)，將節(jié)點號和節(jié)點坐標(biāo)分別存儲到動態(tài)數(shù)組node number（）和axis（）數(shù)組中。部分關(guān)鍵代碼如下：

2.3.2 單元數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換 將CATIA的單元數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為FLAC3D數(shù)據(jù)文件。主要流程如下：

1）讀取單元編號，將單元編號存儲到動態(tài)數(shù)組element number（）。

2）讀取單元的所有節(jié)點，將這些節(jié)點存入動態(tài)數(shù)組element contact（）。

3）將網(wǎng)格組存入動態(tài)數(shù)組element group（）。

部分關(guān)鍵代碼如下：

2.3.3 單元分組 FLAC3D可識別的單元分組信息格式為GROUP組名。由表3可見，CATIA導(dǎo)出的單元數(shù)據(jù)中包括單元所屬的網(wǎng)格組信息。每個單元都會與網(wǎng)格組類型對應(yīng)，此信息存儲于數(shù)組element group（）內(nèi)，由此，可以通過網(wǎng)格組信息對單元進行分組，這樣就可實現(xiàn)單元分組信息的識別。筆者利用Visual Basic編寫的轉(zhuǎn)換程序，對每個單元進行分組，知道所有單元分組完成，程序終止。部分關(guān)鍵代碼如下：

2.3.4 轉(zhuǎn)換接口的流程圖及界面 執(zhí)行完以上操作后，將轉(zhuǎn)換完畢的節(jié)點、單元數(shù)據(jù)及單元分組信息輸出到一個.txt文 件中，在 FLAC3D調(diào)用［16－18］。流程見圖6。CATIA－FLAC3D的接口程序界面如圖7所示。

圖6 算法流程圖

圖7 CATIA－FLAC3D接口程序界面

3 應(yīng)用實例

3.1 工程背景

以某已建成的偏壓隧道為依托，驗證該方法的可行性和有效性。該地區(qū)的特點是地表形態(tài)比較復(fù)雜，巖層主要以石灰?guī)r為主，其力學(xué)參數(shù)見表4。

表4 巖石參數(shù)

使用ANASYS，MIDAS等軟件建模，工程量大，建模繁瑣，而直接使用FLAC3D建模，建模周期長，費時費力［16，19］。采用該方法，能夠方便快速的建立幾何模型和有限元模型，利用CATIA－FLAC3D接口程序很方便的將模型導(dǎo)入FLAC3D中進行分析。

3.2 有限元計算模型及計算結(jié)果

根據(jù)以上流程，在CATIA中生成的有限元模型如圖8。導(dǎo)入到FLAC3D中的有限元模型如圖9。該模型上表面為自由面，不需要施加約束，其他5個面都施加法向約束，施加重力場，材料參數(shù)如表4所示，本構(gòu)模型采用摩爾庫倫，見圖10。

圖8 CATIA有限元計算模型

圖9 FLAC3D有限元計算模型

圖10 Mohr－Coulomb屈服面

式中：c為凝聚力；φ為內(nèi)摩擦角；s和θf分別為破壞面上的剪切應(yīng)力和法向應(yīng)力。

如果用主應(yīng)力表示，式（1）可以改寫為：

式中：θ1和θ3分別為第一主應(yīng)力和第三主應(yīng)力；c表示凝聚力；φ為內(nèi)摩擦角。計算結(jié)果如圖11［12，15］所示。

圖11 Z方向應(yīng)力云圖

工程實例驗證表明，CATIA－FLAC3D耦合建模方法是有效、可行的。

4 結(jié) 論

1）基于CATIA平臺進行三維建模，生成有限元模型，通過 Visual Basic語言編寫了 CATIAFLAC3D的接口程序，實現(xiàn)了在CATIA中建模，在FLAC3D中進行有限元計算的功能。

2）CATIA作為一款優(yōu)秀的設(shè)計建模軟件，但它的有限元分析計算模塊并不強大；FLAC3D是巖土方向的專業(yè)有限元計算軟件，它在前期處理上存在著一定的缺陷；通過CATIA－FLAC3D接口程序，能夠利用CATIA方便、快速、準(zhǔn)確地建立地質(zhì)模型，并利用FLAC3D進行有限元計算，減少了建模所需要的時間和精力，提高了效率，縮短了計算周期。

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