程青云(蚌埠市勘测设计研究院,安徽蚌埠 233000)

MSC．PATRAN工程地质三维建模技术研究

程青云∗
(蚌埠市勘测设计研究院,安徽蚌埠 233000)

摘 要:以某一深埋洞室为例,探讨了采用MSC．PRTRAN软件进行三维实体几何建模并划分网格的方法以及模型导入FLAC3D的软件的过程,分析了其中技术难点,针对复杂地表面的拟合、岩土体的开挖、地下水位面的创建等问题,提出了行之有效的处理方法。实践证明,相比其他软件,MSC．PRTRAN软件操作界面更友好,建模效率高,易入门。

关键词:MSC．PATRAN;工程地质;建模;FLAC3D

1 引 言

当前,岩土工程数值模拟应用普遍。针对岩土体的大变形材料的特点,FLAC3D由于采用“混合离散法”模拟其塑性破坏和塑性流动,表现得比有限元法中采用的“离散集成法”更为准确、合理,受到更多推崇。FLAC3D软件建模时,一般是通过内置的网格生成器使网格和几何模型同时生成,但这不利于复杂形状网格单元的连接、匹配和修改,一定程度上制约了其在复杂网格模型分析中的应用。而采用其内置的fish语言进行建模对于初学者又较难入手。

针对这一现状,通常是选择MIDAS/ GTS、ANSYS、ABAQUS、HEPERMESH等前处理功能较强的通用有限元软件建好模型,然后导入FLAC3D软件进行计算。

相比以上建模工具,MSC．PATRAN软件采用符合open software foundation(osf)motif标准的全新图形用户界面,采用鼠标驱动菜单,友好的用户界面显得条理清晰,激发“事件”时菜单最多不超过三级,采用(行动)action→(目标)object→method(方法)的操作方式,使得建模过程变得直观、高效。例如:要创建实体(solid),便可在geometry面板上的action、objection、method上分别选择creat、solid、face即可。

2 建模准备工作

建模前需要对前期的工程地质勘察资料进行整理,包括附有等高线和高程点的地质平面图,工程地质纵、横剖面图,地下水位量测资料等。资料愈详细,所得计算模型也愈接近工程实际。

同ANSYS、ABAQUS等通用有限元软件类似, PATRAN可以直接从AUTOCAD软件中读取二维或三维图形,然后对其进行编辑。例如,可以将dxf格式的CAD图形通过MIDAS/ GTS转存为igs格式,然后导入PATRAN。在导入之前需对CAD图形做必要的修饰处理,删除多余线条,跨分界面位置的多段线一般需打断为线段。

3 MSC．PATRAN软件实体建模

3．1几何模型的建立

借助PATRAN界面上的geometry面板进行几何建模,如图1所示。同ANSYS、ABAQUS等通用有限元软件类似,PATRAN三维实体建模也是采用自下而上的方式,即点(point)→曲线(curve)→曲面(surface)→实体(solid)。借助软件内部的平面(plane)、矢量(vector)、坐标系(coord)等辅助功能,可大大提高建模效率。

图1　某水工硐室及围岩实体建模

3．2有限元网格划分

通过PATRAN界面上的elements面板进行有限单元划分,如图2所示。PATRAN中的实体分为简单体(Parametric Solid)和复杂体(Boundary representation Solid),简单体可采用四面体、五面体和六面体划分网格,复杂体则仅能采用四面体划分。PATRAN附带有mesh seed功能,通过在几何边界上均匀或等比撒设mesh seed,人为控制网格尺寸,同时提高数值计算的收敛速度和计算精度。

图2　某水工硐室及围岩单元划分

4 模型导入FLAC3D

与大多数有限元软件类似,FLAC3D遵循节点(GRIDPOINTS)、单元(ZONES)、组(GROUPS)的网格数据格式。模型在PATRAN中建好后,通过file→report命令,可将模型中所有节点和单元信息以文本文件输出,该文件后缀默认为．rpt格式,可用记事本打开并编辑。由于FLAC3D内部网格节点序号遵循右手法则,除非所有单元均为四面体单元,所输出的节点需要按FLAC3D的规则调整排序,可以借助UltraEdit或excel快速完成。

排序结束后,将该文件保存为．FLAC3D后缀格式,对单元进行分组(groups),通过FLAC3D中的import grid命令,即可将模型导入。

5 建模难点分析

5．1复杂地表面的生成

对于起伏较大的地表面,如山坡,建模需要高程点、等高线等信息量丰富的地形图,以此创建地表面,如图3所示。可采用以下两种方法:

图3　MIDAS/ GTS拟合某地表面

(1)从地形图上采集高程点,将高程点导入MIDAS/ GTS,借助该软件的生成顶点面的功能拟合曲面,然后将该曲面的igs格式文件导入PATRAN。高程采集时,可借助某些小工具,如CADASSIS工具,在点取坐标点时,各高程点三维坐标数据自动记录在Excel表格中,然后通过MIDAS/ GTS的生成顶点面功能调用Excel高程表格拟合出地表面,最后将地表面的igs文件导入PATRAN软件。

(2)根据等高线,通过PATRAN的creat/ surface/ curve功能,在各相邻等高线之间生成地表面,由多组曲面共同围成地表面。

分析:第一种方法所得地表曲面为一拟合面,拟合阶次越高,曲面越平滑,当地形起伏过大时,拟合地面局部误差可能较大,并可能出现严重翘曲,不利于几何体的生成和网格划分。第二种方法则是由各个相邻的曲面共同组成一个复杂地表面,等高线越密,曲面联结越细碎,这也会给后期的网格划分带来不利影响,此时,可借助PATRAN软件中的creat/ surface/ composite功能,即根据已有的曲面创建新的复杂曲面。

5．2几何体间的拓扑关系

洞室、管线等往往发生相交或有主洞、支洞之分,此时,建模过程中相交部位的建模和网格划分是关键。在PATRAN软件中,复杂体的布尔运算通常不易实现,即使是复杂曲面的互相切割软件也往往拒绝执行。针对这一状况,建模在PATRAN建模时,当存在相交(相贯)时,通常做法是根据面的相交做出相交线(如图4所示),在各相交线的基础上借助PATRAN中的creat/ surface/ curve创建出相交面,然后由creat/ solid/ B-rep创建出几何实体。

图4　某水工硐室工程主洞、支洞、钢管及围岩位置关系

应注意的是,相贯部分体的切割不能过于细碎,各方向尺寸不能过于悬殊,否则,网格划分时质量难以保证,影响数值计算效率和精度。

5．3岩土体的开挖

FLAC3D软件中内置了开挖模型(model null),对可能的开挖工况,PATRAN建模过程中需要进行统筹考虑。例如,FLAC3D中对一个完全采用四面体单元划分网格的模型执行开挖时,往往出现锯齿状临空面,导致计算不能收敛。对此,通常做如下处理:①PATRAN几何建模(geometry)过程中对各开挖部分进行预分块处理,例如采用edit/ solid/ plane的方式切割实体,如图5所示。②在创建几何体时,尽量将模型分解为多个简单体,以便采用五面体或者六面体单元划分拟开挖部分,保证开挖面为一平面。

图5　地下水位面的生成

相比四面体单元而言,采用6节点五面体或者8节点六面体单元划分模型,其计算效率和精度高。简单体的创建一般可通过geometry面板中的create/ solid/ surface、edit/ solid/ refit等操作实现,也可借助element面板中的transform对已有网格移动、旋转、镜像得出,此外element面板中的sweep对基网格拉伸、滑动,也可以方便地生成参数化网格。但对于工程地质模型而言,其形状往往很不规则,需要尽可能将模型分解为各简单体,由于简单体只能为四面体五面体或六面体,分解难度往往很大,甚至是无法实现。相比而言,第一种方法较易于实现,但工作量较大,建模效率较低。

地下水位面通常为一曲面,直接在FLAC3D中创建与勘察资料一致的地下水位面有较大难度。可根据FLAC3D中界面单元能够自动依附于指定范围内模型表面生成的特性,按以下思路生成水面:①根据勘察资料,在PATRAN中按点→线→面的方式生成地下水面(类似ANSYS软件建模方法中的蒙皮技术);②根据地下水面切割几何实体,保留地下水面及其下部几何实体并导入FLAC3D,在FLAC3D中生成与地下水面空间形态一致的界面单元。③以界面单元为辅助单元,采用fish语言遍历界面节点单元,生成依附于水下部分表面的水面,同时生成静水压力,如图6所示。④导入原来的三维实体工程地质模型,并删除作为水面载体的网格模型。

图6　基于界面单元采用遍历节点法生成的地下水位面

6 结 论

相比ABAQUS、ANSYS等其他通用有限元软件,采用MSC．PATRAN软件进行三维实体建模其界面更友好,建模过程层次清晰,软件中的复制、移动、镜像、等编辑功能强大。同其他通用有限元软件建模一样,单元网格划分的质量直接关系着数值计算的成败,而网格划分的质量又取决于之前的三维几何实体建模,PATRAN软件优秀的前处理功能使其能够便捷地处理建模中的大多数问题。对地表面复杂的情况,可以借助MIDAS/ GTS、HEPERMESH等工具处理并导入PATRAN,PATRAN中的“蒙皮”技术结合FLAC3D中的遍历节点法可以方便地生成地下水位面。对于难以划分映射网格的模型,采用10节点四面体单元可以部分解决计算精度不高的问题。实践表明,采用PATRAN软件进行工程地质三维建模其思路清晰,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

文章编号:1672-8262(2015)06-162-04中图分类号:P628

文献标识码:B

收稿日期:∗2015—01—07

作者简介:程青云(1984—),男,硕士,工程师,主要从事岩土工程技术工作。