程青云(蚌埠市勘測設計研究院,安徽蚌埠 233000)

MSC．PATRAN工程地質三維建模技術研究

程青云?
(蚌埠市勘測設計研究院,安徽蚌埠 233000)

摘 要:以某一深埋洞室為例,探討了采用MSC．PRTRAN軟件進行三維實體幾何建模并劃分網(wǎng)格的方法以及模型導入FLAC3D的軟件的過程,分析了其中技術難點,針對復雜地表面的擬合、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。

關鍵詞:MSC．PATRAN;工程地質;建模;FLAC3D

1 引 言

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

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

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

2 建模準備工作

建模前需要對前期的工程地質勘察資料進行整理,包括附有等高線和高程點的地質平面圖,工程地質縱、橫剖面圖,地下水位量測資料等。資料愈詳細,所得計算模型也愈接近工程實際。

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,然后對其進行編輯。例如,可以將dxf格式的CAD圖形通過MIDAS/ GTS轉存為igs格式,然后導入PATRAN。在導入之前需對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軟件實體建模

3．1幾何模型的建立

借助PATRAN界面上的geometry面板進行幾何建模,如圖1所示。同ANSYS、ABAQUS等通用有限元軟件類似,PATRAN三維實體建模也是采用自下而上的方式,即點(point)→曲線(curve)→曲面(surface)→實體(solid)。借助軟件內(nèi)部的平面(plane)、矢量(vector)、坐標系(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體建模

3．2有限元網(wǎng)格劃分

通過PATRAN界面上的elements面板進行有限單元劃分,如圖2所示。PATRAN中的實體分為簡單體(Parametric Solid)和復雜體(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mesh seed,人為控制網(wǎng)格尺寸,同時提高數(shù)值計算的收斂速度和計算精度。

圖2　某水工硐室及圍巖單元劃分

4 模型導入FLAC3D

與大多數(shù)有限元軟件類似,FLAC3D遵循節(jié)點(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)點和單元信息以文本文件輸出,該文件后綴默認為．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。

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

5 建模難點分析

5．1復雜地表面的生成

對于起伏較大的地表面,如山坡,建模需要高程點、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?？刹捎靡韵聝煞N方法:

圖3　MIDAS/ GTS擬合某地表面

(1)從地形圖上采集高程點,將高程點導入MIDAS/ GTS,借助該軟件的生成頂點面的功能擬合曲面,然后將該曲面的igs格式文件導入PATRAN。高程采集時,可借助某些小工具,如CADASSIS工具,在點取坐標點時,各高程點三維坐標數(shù)據(jù)自動記錄在Excel表格中,然后通過MIDAS/ GTS的生成頂點面功能調(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?shù)匦纹鸱^大時,擬合地面局部誤差可能較大,并可能出現(xiàn)嚴重翹曲,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相鄰的曲面共同組成一個復雜地表面,等高線越密,曲面聯(lián)結越細碎,這也會給后期的網(wǎng)格劃分帶來不利影響,此時,可借助PATRAN軟件中的creat/ surface/ composite功能,即根據(jù)已有的曲面創(chuàng)建新的復雜曲面。

5．2幾何體間的拓撲關系

洞室、管線等往往發(fā)生相交或有主洞、支洞之分,此時,建模過程中相交部位的建模和網(wǎng)格劃分是關鍵。在PATRAN軟件中,復雜體的布爾運算通常不易實現(xiàn),即使是復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,當存在相交(相貫)時,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)建出幾何實體。

圖4　某水工硐室工程主洞、支洞、鋼管及圍巖位置關系

應注意的是,相貫部分體的切割不能過于細碎,各方向尺寸不能過于懸殊,否則,網(wǎng)格劃分時質量難以保證,影響數(shù)值計算效率和精度。

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建模過程中需要進行統(tǒng)籌考慮。例如,FLAC3D中對一個完全采用四面體單元劃分網(wǎng)格的模型執(zhí)行開挖時,往往出現(xiàn)鋸齒狀臨空面,導致計算不能收斂。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行預分塊處理,例如采用edit/ solid/ plane的方式切割實體,如圖5所示。②在創(chuàng)建幾何體時,盡量將模型分解為多個簡單體,以便采用五面體或者六面體單元劃分擬開挖部分,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)點五面體或者8節(jié)點六面體單元劃分模型,其計算效率和精度高。簡單體的創(chuàng)建一般可通過geometry面板中的create/ solid/ surface、edit/ solid/ refit等操作實現(xiàn),也可借助element面板中的transform對已有網(wǎng)格移動、旋轉、鏡像得出,此外element面板中的sweep對基網(wǎng)格拉伸、滑動,也可以方便地生成參數(shù)化網(wǎng)格。但對于工程地質模型而言,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,甚至是無法實現(xiàn)。相比而言,第一種方法較易于實現(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。可根據(jù)FLAC3D中界面單元能夠自動依附于指定范圍內(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→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);②根據(jù)地下水面切割幾何實體,保留地下水面及其下部幾何實體并導入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)點單元,生成依附于水下部分表面的水面,同時生成靜水壓力,如圖6所示。④導入原來的三維實體工程地質模型,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)點法生成的地下水位面

6 結 論

相比ABAQUS、ANSYS等其他通用有限元軟件,采用MSC．PATRAN軟件進行三維實體建模其界面更友好,建模過程層次清晰,軟件中的復制、移動、鏡像、等編輯功能強大。同其他通用有限元軟件建模一樣,單元網(wǎng)格劃分的質量直接關系著數(shù)值計算的成敗,而網(wǎng)格劃分的質量又取決于之前的三維幾何實體建模,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。對地表面復雜的情況,可以借助MIDAS/ GTS、HEPERMESH等工具處理并導入PATRAN,PATRAN中的“蒙皮”技術結合FLAC3D中的遍歷節(jié)點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)點四面體單元可以部分解決計算精度不高的問題。實踐表明,采用PATRAN軟件進行工程地質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

文獻標識碼: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工作。