基于Minecraft游戲的FLAC3D三維地質(zhì)建模

王歆宇

(西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川成都 610031)

Minecraft是由Mojang公司開發(fā)的一款3D第一人稱高自由度沙盒游戲，參與者可以在游戲中像玩樂高積木一樣用方塊搭建建筑、城市、山體，如長城、巴黎圣母院等名勝都已經(jīng)在游戲中得到實現(xiàn)，在游戲中也可以利用特殊道具進行編程，實現(xiàn)復(fù)雜的計算機功能。這款游戲自從2009年面世以來已經(jīng)在全球吸引了超過一億玩家，覆蓋全年齡段，即便在6～12歲的小學(xué)生群體中都已經(jīng)具有很高的知名度，在世界范圍內(nèi)也有越來越多的學(xué)校將Minecraft納入到教學(xué)中，以培養(yǎng)學(xué)生的建模能力、邏輯分析能力和編程能力，更有越來越多的科研人員利用Minecraft獨特的功能進行各自領(lǐng)域的科學(xué)研究[1-3]。

FLAC3D作為一款專業(yè)的國際通用的巖土工程軟件，在解決巖土工程問題上有許多其他有限元軟件不可替代的優(yōu)越性，然而，F(xiàn)LAC3D軟件在模型建立的問題上卻存在不足。在5.0版本以前只能采用命令的形式建模，建模過程非常抽象和困難，耗費了研究人員大量時間，在5.0版本以后雖有Extrusion建模工具，但只能實現(xiàn)平面拉伸功能，仍存在很大局限性。

許多的研究人員也提出了利用其他軟件進行三維建模和網(wǎng)格剖分并導(dǎo)入FLAC3D的辦法，如廖秋林[4]等人開發(fā)的ANSYS-FLAC3D接口程序，就很好的實現(xiàn)了在ANSYS中建模并剖分網(wǎng)格，最后導(dǎo)入FLAC3D中的功能。但采用這樣的建模方法前提是需要熟練運用對應(yīng)軟件如ANSYS等。

本文在已有研究基礎(chǔ)上，提出采用Minecraft進行搭積木式的直觀三維建模，然后用Mineways程序?qū)inecraft的地圖模型轉(zhuǎn)化為.obj格式的三維圖形，然后用3DMAX將文件打開，刪除模型多余部分后，導(dǎo)出為.dwg格式，然后用AutoCad打開并保存為三維實體，然后導(dǎo)入ANSYSWorkbench，剖分網(wǎng)格后導(dǎo)入ANSYSAPDL，然后利用ANSYS-FLAC3D接口程序最后導(dǎo)入FLAC3D中。

1 FLAC3D模型生成

1.1 Minecraft模型的建立

與常用的三維設(shè)計軟件建?；邳c、線、面、體的拉伸、旋轉(zhuǎn)、布爾操作等不同，Minecraft的建模是以一個正方體方塊為基本單元，鼠標(biāo)左鍵放置一個方塊，右鍵敲除一個方塊，通過操控游戲角色在三維空間中運動，不斷放置方塊即可進行三維模型制作，整個過程非常直觀，非常簡單。只要有充足的時間和耐心，可以創(chuàng)作出龐大和細致的模型。

打開Minecraft后，選擇“創(chuàng)造模式”，會生成一個有陸地和海洋的三維地圖環(huán)境，選擇一處空曠地區(qū)，然后以一個實體單元為基點放置方塊，即開始正式創(chuàng)作，模型搭建好后，保存即可(圖1)。

圖1 在Minecraft中建立模型

1.2 Mineways轉(zhuǎn)化三維模型

Mineways是一款開源的工具，這款工具最開始開發(fā)的目的是為了方便Minecraft的玩家將游戲中的模型用3D打印機打印制作出實體模型[5]。

進入Mineways后，選擇“File→OpenWorld”，瀏覽之前在Minecraft中創(chuàng)作時的大地圖文件“l(fā)evel.dat”，然后選擇右鍵框選模型所在范圍，并設(shè)置模型所在的高度區(qū)間，然后選擇“Exportfor3DPrinting”，設(shè)定方塊的邊長，由此來使模型尺寸與實際的大小相匹配，設(shè)置導(dǎo)出格式為.obj(圖2)。

圖2 Mineways選擇并導(dǎo)出三維圖形

1.3 3DMAX編輯模型

3DMAX是常用的三維建模軟件，用3DMAX導(dǎo)入由Mineways生成的.obj文件，并選擇作為單個網(wǎng)格導(dǎo)入，生成3維模型后，選擇右側(cè)工具欄的修改按鈕，單擊“元素”按鈕，選擇并刪除模型下方多余的原始地圖部分，再將模型導(dǎo)出為.dwg格式，導(dǎo)出過程中設(shè)置幾何體選項同時勾選“將實例轉(zhuǎn)化為塊”，“跳過隱藏對象”和“忽略擠壓封口”(圖3)。

圖3 3Dmax修改模型

1.4 AutoCad轉(zhuǎn)化三維實體

在3Dmax中生成的模型為線框模型，不能直接導(dǎo)入ANSYS，因此AutoCad開打.dwg文件后，將模型轉(zhuǎn)化為三維實體，然后保存。

1.5 ANSYS剖分網(wǎng)格

1.5.1ANSYSWorkbench剖分網(wǎng)格

ANSYSWorkbench與AutoCad有官方的接口，因此在進入ANSYSWorkbench后將左側(cè)“Geometry”選項拖入工作區(qū)，然后導(dǎo)入.dwg文件，雙擊“Geometry”后進入模型編輯界面，點擊“Generate”，生成三維模型，然后關(guān)閉窗口(圖4)。

圖4 ANSYS Workbench生成模型

將“StaticStructural”拖入工作區(qū)并與“Geometry”模塊連接，然后雙擊“Model”進入分析界面，在左側(cè)“Geometry→part1”選項右鍵添加命令，并換行輸入“et1,182”,以保證網(wǎng)格剖分的形式是可以被ANSYS-FLAC3D接口讀取并轉(zhuǎn)化的。然后點擊“MeshControl→Method”，選擇剖分方式為“Automatic”，將“ElementMidsizeNodes”選項設(shè)置為“Dropped”。

點擊左側(cè)的“Mesh”，彈出參數(shù)設(shè)置窗口后點擊“Sizing”欄，點擊“RelevanceCenter”窗口，調(diào)整網(wǎng)格剖分精細程度，再點擊上方的“Update”，劃分網(wǎng)格見圖5。

圖5 ANSYS Workbench剖分網(wǎng)格

1.5.2ANSYSAPDL網(wǎng)格模型轉(zhuǎn)化

關(guān)閉“Model”窗口，然后右鍵選擇將模型導(dǎo)入“ANSYSAPDL”，分別右鍵“Model”和“ANSYSAPDL”并選擇“Update”,待閃電箭頭轉(zhuǎn)化為對勾后表示模型傳輸完畢，然后右鍵打開“APDL”(圖6)。

圖6 ANSYS Workbench流程控制

在ANSYSAPDL中，選擇“ReadInputfrom”,然后瀏覽并讀取ANSYS-FLAC3D接口程序，最后生成.FLAC3D格式的網(wǎng)格文件(圖7)。

圖7 ANSYS APDL中生成FLAC3D網(wǎng)格文件

1.6 導(dǎo)入FLAC3D

打開FLAC3D后，選擇“Input”之前生成的.FLAC3D文件，即完成模型的導(dǎo)入。然后就可以賦予材料參數(shù)、設(shè)置邊界條件并開展力學(xué)分析。

2 應(yīng)用實例

2.1 臺階式擋墻

臺階式擋墻作為一種新型的擋墻形式，其幾何特征讓人十分自然的聯(lián)想到Minecraft中的模型，導(dǎo)入FLAC3D后的模型如圖8所示，對模型進行邊坡穩(wěn)定性分析時響應(yīng)正常。

圖8 臺階式擋墻模型導(dǎo)入FLAC3D

2.2 矩形巷道

矩形端面的巷道在礦山開挖中十分常見，以十字交叉的矩形端面巷道為例，在Minecraft中建立模型如圖9所示，并導(dǎo)入到FLAC3D中如圖10所示。

圖9 在Minecraft中建立矩形斷面巷道模型

(a)正常視圖 (b)透明視圖圖10 矩形斷面巷道FLAC3D模型

3 結(jié)論

采用Minecraft進行三維地質(zhì)建模，并利用一系列成熟的軟件和接口，將模型剖分網(wǎng)格并導(dǎo)入FLAC3D中進行數(shù)值模擬是切實可行的，該方法涉及到較多的程序，但只要按照步驟操作可以很快的完成模型轉(zhuǎn)化和導(dǎo)入的全部過程。

文中所舉的矩形端面巷道和臺階式擋墻兩個例子只是Minecraft建模能力的很小一部分，目前該法的可運用空間還尚待挖掘，比如該法可以建模并分析由矩形石塊組成的內(nèi)部有復(fù)雜通道的埃及金字塔，也可用于建模并分析樂山大佛這樣的以直線居多的復(fù)雜模型。

雖然采用Minecraft進行建模非常直觀，但建立一個稍大的模型相對于熟練使用ANSYS或CAD的人會耗費較長時間。不過另一方面，在Minecraft中建模本身的樂趣是采用ANSYS或CAD不能比擬的，該法也有助于引起廣大的Minecraft玩家對巖土工程、地質(zhì)工程等學(xué)科的興趣。