第３５卷第３期 三峡大学学报（自然科学版） Ｖｏ１．３５ ＮＯ．３ ２０１３年６月 Ｊ ｏｆ Ｃｈｉｎａ Ｔｈｒｅｅ Ｇｏｒｇｅｓ Ｕｎｉｖ．（Ｎａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ） Ｊｕｎ．２０１３ 基于ＨＹＰＥＲＭＥＳＨ复杂地质体的ＦＬＡＣ３ Ｄ实体建模 闰 龙 ’ 徐卫亚 张 强 （１．河海大学岩土工程科学研究所，南京 ２１００９８；２．河海大学岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室，南 京 ２１００９８） 摘要：ＦＬＡＣ３Ｄ采用显式有限差分法求解微分方程，在土木工程领域数值分析中具有明显的优越 性，但ＦＬＡＣ３Ｄ在复杂三维地质模型建立方面存在不足．结合ＡｕＴＯｃＡＤ和ＨＹＰＥＲＭＥｓＨ软 件构建复杂地质模型，充分利用ＨＹＰＥＲＭＥＳＨ在划分网格、提高网格质量和连续性检查等优点 进行前处理．采用ＦＯＲＴＲＡＮ语言编写的ＨＹＰＥＲＭＥＳＨ—ＴＯ—ＦＬＡＣ３Ｄ接口程序把建立的复杂 模型导入至ＦＬＡＣ３Ｄ进行分析计算，从而实现用ＦＩ ＡＣ３Ｄ解决问题时快速精准的建模目的．通过 乌东德水电站地下洞室群三维建模实例检验了该方法的可行性和有效性，结果表明：基于ＨＹ— ＰＥＲＭＥＳＨ软件建立复杂三维地质模型，并将其导入ＦＬＡＣ３Ｄ，结果令人满意，提高了建模效率， 说明该方法在ＦＬＡＣ３Ｄ复杂模型建立方面具有一定的参考实用价值． 关键词：ＨＹＰＥＲＭＥＳＨ； ＦＬＡＣ３Ｄ； 接口程序； 三维模型； 复杂地质体 中图分类号：ＴＤ８５３．３４ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７２—９４８Ｘ（２０１３）０３—００４０—０５ Ｍｏｄｅｌｉｎｇ ｏｆ Ｃｏｍｐｌｅｘ Ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ Ｂｏｄｙ ｉｎ ＦＬＡＣ３Ｄ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＨＹＰＥＲＭＥＳＨ Ｙａｎ Ｌｏｎｇ ， Ｘｕ ｗｅｉｙａ ， Ｚｈａｎｇ Ｑｉａｎｇ ， （１．Ｇｅｏｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｈｏｈａｉ Ｕｎｉｖ．，Ｎａｎｊｉｎｇ ２１００９８，Ｃｈｉｎａ；２．Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｍｉｎｉｓｔｒｙ ｏｆ Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ ｆｏｒ Ｇｅｏｍｅｃｈａｎｉｃｓ＆Ｅｍｂａｎｋｍｅｎｔ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈｏｈａｉ Ｕｎｉｖ．，Ｎａｎｊｉｎｇ ２ １００９８，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ ＦＬＡＣ３Ｄ ｕｓｅ ｅｘｐｌｉｃｉｔ ｆｉｎｉｔｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ ｍｅｔｈｏｄ ｔＯ ｓｏｌｖｅ ｔｈｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ ｅｑｕａｔｉｏｎ，ｗｈｉｃｈ ｈａｓ ａｎ ｏｂｖｉ— ＯＵＳ ａｄｖａｎｔａｇｅ ｏｖｅｒ ｏｔｈｅｒ ｍｅｔｈｏｄｓ ｉｎ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｃｉｖｉｌ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ．Ｂｕｔ ｔｈｅｒｅ ｉｓ ａ ｓｈｏｒｔａｇｅ ｉｎ ＦＬＡＣ３Ｄ ｔｏ ｂｕｉｌｄ ｔｈｒｅｅ—ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ ｍｏｄｅ１．Ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ ＡＵＴＯＣＡＤ ｗｉｔｈ ＨＹＰＥＲＭＥＳＨ ｓｏｆｔｗａｒｅ， ｃｏｍｐｌｉｃａｔｅｄ ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ ｍｏｄｅｌ ｗａｓ ｂｕｉｌｔ．Ｍａｋｉｎｇ ｆｕｌｌ ｕｓｅ ｏｆ ｔｈｅ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ ｏｆ ＨＹＰＥＲＭＥＳＨ ｉｎ ｄｉｖｉｄｉｎｇ ｍｅｓｈ，ｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇ ｍｅｓｈ ｑｕａｌｉｔｙ ａｎｄ ｃｈｅｃｋｉｎｇ ｔｈｅ ｃｏｎｔｉｎｕｉｔｙ ｏｆ ｇｒｉｄｓ，ｐｒｅｌｉｍｉｎａｒｙ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｏｆ ｍｏｄｅｌ ｗａｓ ｍａｄｅ．Ａｎ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ｐｒｏｇｒａｍ ｏｆ ＨＹＰＥＲＭＥＳＨ—ＴＯ—ＦＩ ＡＣ３Ｄ ｗａｓ ｐｒｏｇｒａｍｅｄ ｔｏ ｉｍｐｏｒｔ ｃｏｍｐｌｅｘ ｍｏｄｅｌ ｉｎｔｏ ＦＬＡＣ３Ｄ ａｎａｌｙｓｉｓ．Ａｌｌ ｔｈｅｓｅ ｈｅｌｐ ｔｏ ｃａｒｒｙ ｏｕｔ ｔｈｅ ｐｕｒｐｏｓｅ ｏｆ ｂｕｉｌｄｉｎｇ ｔｈｅ ｍｏｄｅｌ ｍｏｒｅ ｑｕｉｃｋｌｙ ａｎｄ ａｃｃｕｒａｔｅｌｙ． Ｔｈｉｓ ｍｅｔｈｏｄ ｗａｓ ｃｈｅｃｋｅｄ ｖｉａｂｌｙ ａｎｄ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ ｂｙ ａ ３ Ｄ ｍｏｄｅｌ ｅｘａｍｐｌｅ ｏｆ ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ ｃａｖｅｒｎ ｇｒｏｕｐｓ ｉｎ Ｗｕｄ— ｏｎｇｄｅ ｈｙｄｒｏｐｏｗｅｒ ｓｔａｔｉｏｎ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｉｓ ｍｅｔｈｏｄ ｃａｎ ｄｅｖｅｌｏｐ ｔｈｅ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｏｆ ｂｕｉｌｄｉｎｇ ｍｏｄｅｌ ｇｒｅａｔｌｙ；ａｎｄ ｉｔ ｃａｎ ｂｅ ｖｅｒｙ ｐｒａｃｔｉｃａｌ ｉｎ ｂｕｉｌｄｉｎｇ ｍｏｄｅｌ ｂｙ ＦＬＡＣ３Ｄ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ ＨＹＰＥＲＭＥＳＨ； ＦＬＡＣ３Ｄ； ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ｐｒｏｇｒａｍ；ｔｈｒｅｅ ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｍｏｄｅｌ； ｃｏｍｐｌｅｘ ｇｅｏｌｏｇ— ｉｃａｌ ｂｏｄｙ ＦＬＡＣ３Ｄ是由美国Ｉｔａｓｃａ公司开发的有限差分 和其他材料的三维地下结构受力特性模拟和塑性流 软件，是３一Ｄ Ｆａｓｔ Ｌａｇｒａｎｇｉａｎ Ａｎａｌｙｓｉｓ Ｃｏｄｅ的简称， 动分析，通过调整三维网格中的多面体单元来拟合实 即三维快速拉格朗日分析程序．可以进行土质、岩石 际结构（实体），采用线性或非线性本构模型表征单元 收稿日期：２０１３－０１—２７ 基金项目：国家自然科学基金（１１１７２０９０）；国家重点基础研究发展计划（９７３项目）（２０１１ＣＢ０１３５０４） 通信作者：闫龙（１９８８一），男，硕士研究生，主要从事岩石力学与工程方面的研究．Ｅ－ｍａｉｌ：４４５７６２６６９＠ｑｑ．ｃｏｒｎ 第３５卷第３期 闫 龙，等 基于ＨＹＰＥＲＭＥＳＨ复杂地质体的ＦＬＡＣ３Ｄ实体建模 ４１ 材料，在外力作用下，当材料发生屈服流动后，网格能 够相应地变形和移动（大变形模式）．由于ＦＬＡＣ３Ｄ 采用“显式拉格朗日”算法和“混和一离散分区”技术， 故而能够非常准确地模拟材料的塑性破坏和流动．此 差分软件ＦＬＡＣ３Ｄ中进行分析计算，通常需要借助 其他软件进行多次转换才能实现．为此，采用ＦＯＲ— ＴＲＡＮ语言编写ＦＬＡＣ３Ｄ前处理接口程序，实现了 将ＨＹＰＥＲＭＥＳＨ中建立的三维复杂地质体模型快 速导人至ＦＬＡＣ３Ｄ进行分析计算的目的． １．１ ＨＹＰＥＲＭＥＳＨ模型的建立 外，由于程序无需形成刚度矩阵，因此，基于较小内存 空间就能够求解大范围的二维或三维地下工程问题． 又因其采用了自动惯量和自动阻尼系数，克服了显式 公式存在的小时间步长的以及阻尼问题，使得 ＦＬＡＣ３Ｄ软件在解决岩土工程问题上具有很大的优 ＨＹＰＥＲＭＥＳＨ模型是基于ＡＵＴＯＣＡＤ和 ＨＹＰＥＲＭＥＳＨ软件共同完成的．首先通过ＡＵＴＯ— ＣＡＤ二维基础资料图建立基本控制点、线，并存为 越性，也是求解岩土工程问题的最理想工具之一＿１］． ＦＬＡＣ３Ｄ软件广泛应用于边坡稳定性评价、支 护设计及评价、地下洞室、施工设计（开挖、填筑等）、 河谷演化进程再现、拱坝稳定分析、隧道工程、矿山工 程等多个领域＿２］，在这些方面有其明显的优势．然而， 由于ＦＬＡＣ３Ｄ软件在建立计算模型时采用键人数据 或读人命令行文件的方式，在建立复杂三维地质体模 型以及网格划分等前处理方面存在一定的不足之处． 为了解决ＦＬＡＣ３Ｄ软件在模型建立及网格划分 等前处理方面的不足，许多学者采用不同方法弥补了 ＦＬＡＣ３Ｄ软件的缺陷．胡斌＿３ 等采用ＦＯＲＴＲＡＮ语 言专门编写了ＦＬＡＣ３Ｄ的前处理程序，对于地表形 态复杂、岩层和地质结构较单一的地质体实现了快 速、便捷的建模．李根＿４］、廖秋林＿ｓ］、周先齐ｒ６ 等基于 ＡＵＴＯＣＡＤ和ＡＮＳＹＳ软件，利用ＡＮＳＹＳ软件在前 处理方面的优势建立复杂模型，并采用不同的语言编 写了接口程序，将建立好的模型转换为ＦＬＡＣ３Ｄ模 型．徐卫亚、孟永东、郑文棠＿７。 等在三维地质可视化 建模方面做了相关研究，并取得了一些成果． ＨＹＰＥＲＭＥＳＨ是一个高性能的有限元前处理 器，利用其强大的前处理功能对复杂地质体进行建模 并划分网格，可以大大提高建模效率．本文基于ＨＹ— ＰＥＲＭＥＳＨ软件进行复杂模型的建立，采用ＦＯＲ— ＴＲＡＮ语言编写了ＦＬＡＣ３Ｄ前处理接口程序ＨＹ— ＰＥＲＭＥＳＨ—ＴＯ—ＦＬＡＣ３Ｄ，通过接口程序实现数据 信息自动转换．并通过水电站地下洞室群三维建模实 例检验了该方法的可行性和有效性． １ ＦＬＡＣ３Ｄ前处理程序开发 ＨＹＰＥＲＭＥＳＨ软件是由是美国Ａｌｔａｉｒ公司开 发的ＣＡＥ软件包，ＨＹＰＥＲＭＥＳＨ是一个高效的有 限元前后处理器，能够建立各种复杂模型的有限元和 有限差分模型，与多种ＣＡＤ和ＣＡＥ软件有良好的接 口并具有高效的网格划分功能［１ ．但是在ＨＹ— ＰＥＲＭＥＳＨ中建立的计算模型不能直接导人至有限 ＤＸＦ文件，将ＤＸＦ文件导入至ＨＹＰＥＲＭＥＳＨ软件 中，利用其强大的前处理功能进行面与体的生成，并 利用几何清理、缝隙缝合、复杂曲面修补等功能完善 实体模型；其次利用ＨＰＥＲＭＥＳＨ高效的网格划分 功能对实体模型进行网格划分，对划分好的网格进行 调整、质量和连续性检查、优化等，以达到需要的精度 要求；此外，还可在ＨＹＰＥＲＭＥＳＨ软件中对不同结 构单元赋予相应的单元类型、材料等参数等；最后输 出单元节点坐标和单元信息＊．ｔｘｔ文件． １．２ ＦＬＡＣ３Ｄ与ＨＹＰＥＲＭＥＳＨ节点、单元数据关系 为了使ＨＹＰＥＲＭＥＳＨ所生成的节点、单元数据 文件可以被ＦＬＡＣ３Ｄ利用，因此必须了解ＦＬＡＣ３Ｄ 与ＨＹＰＥＲＭＥＳＨ节点、单元数据之间的关系．通用 的ＣＡＥ前处理软件在实体模型单元生成时有一定的 规则，虽然ＨＹＰＥＲＭＥＳＨ软件所采用的实体单元形 状与有限差分软件ＦＬＡＣ３Ｄ一致，但每个单元节点 编号规则存在差异．因此，需对两种软件之间的对应 关系进行转换． 二者在模拟对象的单元处理上，均提供了丰富的 单元形状．根据三维地质体的实际特征、计算精度要 求以及单元形状的空间展布特点，在此处分析仅考虑 以下４种单元：块体单元（六面体网格单元）、楔形体 单元、锥形体单元、四面体单元．基于上述４种单元体 基本可以满足任何复杂地质体三维模型的建立．表１ 给出了ＨＰＹＥＲＭＥＳＨ与ＦＬＡＣ３Ｄ软件各自在单元 节点编制的对应关系． 表１ ＨＹＰＥＲＭＥＳＨ与ＦＬＡＣ３Ｄ单元数据关系对照 ４４ 三峡大学学报（自然科学版） ２０１３年６月 （ｃ）ＦＬＡＣ３Ｄ洞室网格模型 图３网格模型 ３ 结 论 １）ＦＩ ＡＣ３Ｄ是岩土工程等领域专业数值分析软 件，但其在复杂三维模型建立方面存在明显不足，而 ＨＹＰＥＲＭＥＳＨ具有强大的前处理功能和网格划分 功能．提出了基于ＨＹＰＥＲＭＥＳＨ建立模型、网格划 分，并通过接口程序将ＨＹＰＥＲＭＥＳＨ生成的网格节 点单元数据信息转换为ＦＩ ＡＣ３Ｄ模型的方法．该方 法充分发挥了ＨＹＰＥＲＭＥＳＨ在前处理方面的优势， 弥补了ＦＩ ＡＣ３Ｄ在前处理方面的不足．实现在 ＦＬＡＣ３Ｄ中快速精确建立三维复杂地质模型的目 的，为工程技术人员节省了使用ＦＬＡＣ３Ｄ软件进行 模型建立时所需时间和精力． ２）将本文提出的方法应用于乌东德水电站地下 洞室群三维数值模型建立中，结果表明：提出的方法 以及相应的接口程序能够实现ＨＹＰＥＲＭＥＳＨ模型 到ＦＬＡＣ３Ｄ模型的转换，使得ＦＬＡＣ３Ｄ建模方便快 捷，从而检验了该方法的可行性和有效性． 参考文献： ［１］ Ｉｔａｓｃａ Ｃｏｎｓｕｌｔｉｎｇ Ｇｒｏｕｐ，Ｉｎｃ．ＦＬＡＣ３Ｄ，Ｆａｓｔ Ｌａｇｒａｎｇ— ｉａｎ ＡｎａＬｙｓｉｓ ｏｆ Ｃｏｎｔｉｎｕａ ｉｎ ３ Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎｓ，ｖｅｒｓｉｏｎ ３．０， ｕｓｅｒｓ ｍａｎｕａｌ，ｌＲ］．ＵＳＡ：Ｉｔａｓｃａ Ｃｏｎｓｕｌｔｉｎｇ Ｇｒｏｕｐ，Ｉｎｃ． ＦＬＡＣ３Ｄ，２００５． ［２］丁秀美，黄润秋，刘光士．ＦＬＡＣ一３Ｄ前处理程序开发及 其工程应用［Ｊ］．地质灾害与环境保护，２００４，１５（２）：６８— ７３． 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