flac3d建模方法

第5章FLAC3D建模方法利用FLAC3D进行数值分析的第一步便是如何将物理系统转化为由实体单元和结构单元所组合的网格模型（Modeling），该模型与分析对象的几何外形特征相一致。目前，FLAC3D网格模型的建立方法可分为两种，即直接法及间接法，直接法是按照分析对象的几何形状利用FLAC3D内置的网格生成器建模，网格和几何模型同时生成，该方法较适用于简单几何外形的物理系统；与之不同，间接法则适用于复杂的、单元数目较多的物理系统，该方法建立网格模型时，像一般计算机绘图软件一样，通过点、线、面、体，先建立对象的几何外形，再进行实体模型的分网（Meshing），以完成网格模型的建立，FLAC3D自身不具备间接法建模功能，读者可借助第三方软件与FLAC3D的接入轻松实现。本章主要介绍FLAC3D的网格建模方法，包括利用网格生成器建立简单网格、利用第三方软件进行模型导入以及复杂模型的方法。本章要点：zFLAC3D网格单元的基本类型z网格的连接zFLAC3D网格的数据格式z常用有限元模型与FLAC3D的接入z复杂模型的建立5.1简单网格的建立5.1.1基本网格的形状FLAC3D内置网格生成器中的基本形状网格有13种，通过匹配、连接这些基本形状网格单元，能够生成一些较为复杂的三维结构网格。网格单元的基本类型和特征如表5-1所示，基本可以归为四大类，即六面块体网格、退化网格、放射网格和交叉网格。5FLAC3D建模方法FLAC3D建模方法第5章1095Chapter表5-1FLAC3D基本形状网格的基本特征形状名称关键词控制点个数单元划分的方向个数内部区域单元划分的方向个数能否填充适用范围六面块体网格brick830不能使用昀广泛的网格形状退化块体网格dbrick730不能不常用楔形体网格wedge630不能用于存在坡面的模型的建立均匀楔形体网格uwedge630不能用于存在坡面的模型的建立棱锥体网格pyramid530不能不常用四面体网格tetrahedron430不能不常用柱体网格cylinder630不能用于圆柱体模型的建立，如桩、三轴试验的模型块体外围渐变放射网格radbrick1543能用于洞室模型的建立六面体隧道外围渐变放射网格radtunnel1444能用于隧道模型的建立柱形隧道外围渐变放射网格radcylinder1244能用于隧道模型的建立柱形壳体网格cshell1044能用于隧道模型的建立柱形交叉隧道网格cylint1457能用于交叉隧道模型的建立六面体交叉隧道网格tunint1757能用于交叉隧道模型的建立FLAC3D在岩土工程中的应用1105Chapter5.1.2单元网格的生成生成块体网格（Brick）的命令格式如下：generatezonebrickp0x0y0z0p1x1y1z1……p7x7y7z7sizen1n2n3ratior1r2r3或者generatezonebrickp0x0y0z0p1addx1y1z1……p7addx7y7z7sizen1n2n3ratior1r2r3在该命令中，generate为“生成网格”之意，可以缩写为gen，zone表示该命令文件生成的是实体单元，brick关键词表明建立的网格采用的是brick基本形状，p0，p1……p7是块体单元的8个控制点，其后跟这些点的三维坐标值（xn,yn,zn），含义是由8个点可确定一个六面体网格。不过，p0～p7各点的定义需遵从“右手法则”，不能随意颠倒顺序。如果采用全局坐标系，三维坐标值应为建模空间内的全局三维坐标值；若采用局部坐标系，则除p0点采用全局三维坐标值外，其他点的坐标值都必须取其相对于点p0的三维坐标值，且在点编号后加关键词add（见本节第2行命令）。size为定义坐标轴（x，y，z）方向网格单元数目的关键词，其后跟划分的单元数目（n1，n2，n3）；ratio为定义相邻单元尺寸大小比率的关键词，其后跟坐标轴方向相邻网格单元的比率（r1，r2，r3）。如果生成的是长方体网格，前述命令可以简化为：generatezonebrickp0x0y0z0p1x1y1z1p2x2y2z2p3x3y3z3sizen1n2n3ratior1r2r3或者generatezonebrickp0x0y0z0p1addx1y1z1p2addx2y2z2p3addx3y3z3&sizen1n2n3ratior1r2r3即只需采用4个控制点即可确定该长方体。此外，当网格的几何形状为立方体时，上述命令文件可以用下列命令替代，进一步简化，关键词edge后跟的evalue是立方体的边长。generatezonebrickp0x0y0z0edgeevaluesizen1n2n3ratior1r2r3除块体网格外，楔形体网格、棱锥体网格和四面体网格可视为块体网格的变种，统称它们为退化网格，用法与Brick的用法相类似。此外，FLAC3D中为用户提供了一种放射状网格，该类由于基本形状网格区域的内外边长（或对边）大小不等，从而造成剖分后的网格单元呈放射状扩散。这类网格在一些特殊几何形状网格模型（如隧道、硐室模型）的建立过程中经常用到，用法如下：generatezoneradcylinderp0x0y0z0p1x1y1z1p2x2y2z2……p11x11y11z11&dimensiond1d2d3d4sizen1n2n3n4ratior1r2r3r4fillgroupgroupname命令中，关键词dimension后跟确定内部区域的边长（或半径）值；关键词fill表示对内部区域进行填充，其后如跟关键词group，则表明对填充区域进行了有别于外围材料的命名，组名为groupname。组名可随意更改，只要它不与FLAC3D中的命令、关键词和内置变量名冲突即可。交叉网格是FLAC3D中昀复杂的基本形状网格，需用的控制点数目昀多达16个。这类网格主要包括柱形交叉隧道网格和六面体交叉隧道网格，通常用于存在相互交叉的隧道和巷道网格的建立。交叉网格的生成命令文件与前述的柱形隧道外围渐变放射网格极为类似，这里不再赘述。图5-1列出了每种网格的详细图解。FLAC3D建模方法第5章1115Chapter（a）六面块体网格brick（b）退化块体网格dbrick（c）一般楔形体网格wedge（d）均匀楔形体网格uwedge（e）棱锥体网格pyramid（f）四面体网格tetrahedron图5-113种网格建模基本特性（续图）FLAC3D在岩土工程中的应用1125Chapter（g）柱体网格cylinder（h）块体外围渐变放射网格单元radbrick（i）平行六面体隧道外围渐变放射网格单元radtunnel（j）柱形隧道外围渐变放射网格单元radcylinder（k）柱形壳体单元cshell（l）柱形交叉隧道网格cylint图5-113种网格建模基本特性（续图）FLAC3D建模方法第5章1135Chapter（m）平行六面体交叉隧道网格tunint图5-113种网格建模基本特性（续图）表5-2列出的是生成基本形状的网格时常用的关键词。表5-2使用generatezone生成基本形状网格的常用关键词关键词用途关键词用途add用于以p0为原点的局部坐标系建模group定义某一范围内的网格组名dimension定义内部区域的尺寸p0～p16建立各种形状网格的控制点edge定义网格边长ratio定义相邻网格单元的尺寸大小比率fill定义网格内部填充区域size定义网格在各坐标方向上的单元数目copy复制网格reflect镜像网格（dd、dip或normal、origin）其中dimension是定义radtun、rancyl、radbr、cshell、cylint、tunint基本形状网格内部区域尺寸的关键词，但要注意并不是所有的基本网格都需要用到dimension。fill关键词是填充radtun、rancyl、radbr、cshell、cylint、tunint内部区域的，如果没有用，则内部区域不包括单元。ratio如果未给定，默认值为1。size如果未给定，默认值为10。genzonereflect网格生成命令中要用到dd、dip或normal、origin这些指定面的关键词。后边一节要重点介绍这个命令的应用。5.1.3网格的连接建立复杂几何形状的网格时，单一采用某一基本形状网格有时候难以达到目的，这时就要对基本网格进行匹配、连接，才能得到与分析对象相符的网格形状。使用generatezone生成网格时，系统会自动检测连接处的节点，如果已有节点和将要生成的节点的坐标值不超过1×10-7时，系统默认FLAC3D在岩土工程中的应用1145Chapter它们为相同的点，生成新网格时，在连接处直接使用基本网格节点，不再生成新的节点。如果已有节点和将要生成的节点的坐标值差别较大，超过1×10-7时，可借助命令attach和generatemerge来实现基本形状网格的连接。命令attach可以用来连接单元大小不同的基本网格，但对各网格连接面上的单元尺寸有限制，要求它们之间的比率成整数倍，以使得不影响计算结果的精确性。建议正式计算前，先将模型在弹性条件下试运行以检测比率是否合适。如果在连接的网格节点上的位移或应力分布不连续，那么应调整连接面上单元尺寸的比率；如果不连续范围是微小的，或者远远小于计算模型的大小，那么这对计算结果的影响有限，可不进行调整。使用命令attach连接网格的常用形式如下：attachfacerange……命令中range后跟定义范围的关键词，用来确定连接面的范围。需注意的是，命令attach有一定的适用范围，采用它连接后的网格的信息不能为镜像（命令generatereflect）操作所复制。attachface命令常用来检查网格模型建立的正确性。如果模型中没有设置接触面，也没有设置特定的单元不连续的情况，直接运行attachface命令可以输出网格中被连接的节点个数，若输出个数为0，则模型基本上不存在单元不连续的情况；若输出被连接的节点个数不为0，则要特别注意，很可能建模过程中存在一些错误，比如相邻基本形状的网格个数不匹配等，需要读者仔细检查。下面用一个例子来说明attach的用法，连接不同单元大小的命令如下：genzonebricksize444p00,0,0p14,0,0p20,4,0p30,0,2genzonebricksize884p00,0,2p14,0,2p20,4,2p30,0,4attachfacerangez1.92.1modelelaspropbulk8e9shear5e9fixzrangez-.1.1fixxrangex-.1.1fixxrangex3.94.1fixyrangey-.1.1fixyrangey3.94.1applyszz-1e6rangez3.94.1x0,2y0,2histunbalsolvesaveatt.sav建立连续单元网格的命令如下：genzonebricksize888p00,0,0p14,0,0p20,4,0p30,0,4modelelaspropbulk8e9shear5e9fixzrangez-.1.1fixxrangex-.1.1fixxrangex3.94.1fixyrangey-.1.1fixyrangey3.94.1FLAC3D建模方法第5章1155Chapterapplyszz-1e6rangez3.94.1x0,2y0,2histunbalsolvesavenoatt.sav两种情况下的模拟结果如图5-2和图5-3所示。由两个图可见，z方向的位移云图分布基本一致，证明attach关键词连接不同单元网格是正确的。图5-2用attach关键词连接不同单元网格位移云图图5-3连续网格的位移云图FLAC3D在岩土工程中的应用1165Chapter命令generatemerge也可以用来连接相邻的基本网格。与attach不同的是，generatemerge是合并某一容差范围内的节点，即相邻点间的距离小于设