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摘要：FLAC3D是一种基于三维显式有限差分法的数值分析软件，能较好地模拟地质材料在达到强度极限或屈服极限时发生破坏或塑性流动的力学行为，当前广泛应用于边坡稳定分析。然而，FLAC3D在前处理建模以及网格划分功能较弱，在建立比较复杂的地质模型时网格点数据不易控制。本研究基于网格划分功能强大的 ANSYS 软件建立相应数值模型，再通过相应程序将模型导入建立复杂边坡的FLAC3D模型，最后通过某复杂边坡实例的建模过程验证了该方法的可行性。
关键词：复杂边坡；地质模型；ANSYS-FLAC3D接口程序
Geologic Modeling of a Complex Slope with FLAC3D based on ANSYS
Zhou Yuan
（Zhengjiang College of Construction，Hangzhou Zhejiang，311231）
Abstract：FLAC3D is a numerical software based on three dimensional finite difference. It can analog the mechanical behavior of geologic bodies which were broken or to plastic flow when they get to strength limit or yield limit. Now FLAC3D is widely used in analyzing stability of slope. While FLAC3D is not good at pre-processing modeling and meshing. Meanwhile，mesh point is easy to lose control in modeling complex geologic body. In this paper a numerical model is constructed based on ANSYS which has a powerful function in meshing. Then the model is imported into FLAC3D by a procedure to generate a geologic slope model. Finally the method is proved to be feasible by modeling a complex slope case.
Key words：complex slope；geologic model；procedure to AYSYS-FLAC3D
引言
上世纪六十年代以来，随着计算机应用技术的不断发展，数值模拟技术逐渐广泛应用于边坡稳定性研究中，边坡稳定性研究已步入了快速发展期。目前所采用的数值计算方法包括有限元法（FEM）、有限差分法、边界元法（BEM）、离散元法（DEM）、刚体弹簧元法、非连续变形分析方法（DDA）、界面元法和流形元等等。
快速拉格朗日元法（FLAC）基于有限差分原理将源于流体力学中的拉格朗日法移植到固体力学中，先将所研究的区域划分成网格，网格的节点相当于流体的质点，再用拉格朗日法按时步对网格节点的运动情况进行研究。该方法采用动力松弛的原理求解运动方程，因而不需要形成刚度矩阵，避免了大型方程组的联立，减少了内存占用，实现了较大工程问题的微机求解。快速拉格朗日元法（FLAC）克服了离散元法的缺陷，并吸取了有限元法适用于各种材料模型及边界条件的非规则区域连续问题求解的优点，可以准确地模拟材料的屈服、塑性流动、软化直至大变形，尤其在材料的弹塑性分析、大变形分析以及模拟施工过程等领域有其独特的优势。相对局限于小变形假定的其他方法，快速拉格朗日元法（FLAC）更适合岩土工程破坏问题的研究。
1.FLAC3D软件在建模前处理存在的问题
FLAC3D是一种基于三维显式有限差分法的数值分析软件，能较好地模拟地质材料在达到强度极限或屈服极限时发生破坏或塑性流动的力学行为，当前广泛应用于采矿设计、边坡稳定分析以及隧道开挖工程等。然而，FLAC3D在前处理建模以及网格划分功能较弱，模型建立只能靠数据文件来实现，无法创建完全真实的地质模型，对于建立比较复杂的地质模型，网格点数据不易控制，其所提供的初始单元只适用建立规则的三维岩土工程模型。即便采用FLAC3D自带的FISH语言进行建模，不但需耗费大量时间，并且采用FISH语言生成复杂模型亦极其困难。
2.解决FLAC3D前处理不足的主要思路
近年来，有限元法及有限差分法等适用于连续介质分析的数值方法在数值模拟分析中皆有了很大进展，计算软件也日趋成熟。同时，各种数值分析方法之间的相互耦合应用逐渐显示出其优势。为此，不少学者先后探讨了解决FLAC3D软件前处理不足的办法。 主要有以下几类思路：
(1) 基于应变空间理论，选择不同的塑性势函数（M-C关联准则和D-P非关联准则），对本构模型Mohr-Coulomb推导数值计算格式，同时编制关键技术和具体实施方法。
(2) 推导统一弹塑性本构模型在FLAC3D中的计算格式，但需验证模型的精度。
(3) 建立基于Z-P准则的弹塑性本构模型在FLAC3D中的计算格式，并通过一理想圆形隧洞的计算与M-C准则进行比较，验证计算过程及相应程序的正确性和精度。
本研究将利用已有的建模与网格划分功能强大的 ANSYS 软件建立相应数值模型（包括网格划分），再通过相应程序将模型导入从而建立 FLAC3D模型。
3.某复杂边坡基于ANSYS平台建立FLAC3D建立地质模型
3.1工程概况
该边坡位于武隆县兴顺乡，为中山峡谷地形，乌江在此段切割强烈，形成峡谷。在两岸形成比较对称的高陡岩质边坡，易发生大型崩塌。该边坡标高897.0 m，由二叠系的茅口—栖霞石灰岩构成，为切向型岩质斜坡。1994年岩崩就发育于鸡冠岭脊的北东端，岩崩发生以后形成高陡的三角形断壁，壁顶标高786 m，壁脚低于壁顶170 m，壁面凹凸不平，坡度79~80度。在鸡冠岭由东临乌江岸边，形成一岭脊地形，最高点标高376.26 m，由二叠系的茅口—栖霞石灰岩构成，南东侧为深切的黄岩冲沟，断面呈“V”字型。黄岩冲沟切割深度70~100 m，由南西往北东方向发育，汇入乌江。
该边坡地层出露较齐全，自新到老为：第四系全新统崩积、坡积、残积物；二叠系中统长兴组、吴家坪组；二叠系下统茅口组、栖霞组、梁山组及志留系罗惹坪组。
具体实体边坡如图1和图2所示。
3.2建模思路
ANSYS和FLAC3D采用的单元体形状大都相同，只是两者单元节点的单元数据存在一定的差别。因此，需通过编写接口程序实现ANSYS和 FLAC3D单元形状及其单元数据的转换关系。具体步骤如下：
3.2.1ANSYS 模型的建立
本研究通过ANSYS自下而上依次生成点、线、面和体，从而建立实体模型。利用ANSYS自带的布尔运算工具实现实体之间加、减、分类、搭接、粘接和分割等复杂运算，大大提高建立复杂地质体三维模型的效率。ANSYS 提供了单元大小和形状的控制、网格的划分类型（自由和映射）以及网格的清除和细化等功能强大的控制工具，可实现单元网格的划分；此外，还可对实体模型图直接划分网格；最后，输出各单元节点坐标及单元信息NODE. DAT和ELE. DAT文件。
本研究中将该边坡划分为一系列三角形面，以三角形的顶点作为主要地表数据点；然后，根据岩层的产状，定义岩层接触面控制点和模型边界点；最后，将这些数据做成ANSYS的脚本文件。该模型选择了四面体单元划分网格并根据岩性定义了5种材料。在网格划分时，尤其注意控制网格密度和重点研究区网格细化，并通过 ANSYS 网格检验达到网格最优化。最终，该模型共划分276834个节点，1562693个单元。
Finite element model summary：
Largest Number Number
Number Defined Selected
Nodes . . . . . . . . . . .276834 276834 276834
Elements. . . . . . . . 1562693 1562693 1562693
图3 建立的ANSYS模型
3.3ANSYS与FLAC3D接口程序
要实现FLAC3D与ANSYS的接口程序，必须理解和掌握FLAC3D与 ANSYS 单元数据之间的关系。在模拟对象的单元处理上，FLAC3D
与ANSYS 都有各自的单元形状。依据边坡地质体的特征、计算精度要求以及单元形状的空间展布特点，仅考虑以下 5 种单元体：六面体、五面楔形体、五面锥形体、四面体和圆柱体。这 5 种单元体基本能满足边坡地质体数值模型的建立。
ANSYS 中的体单元类型：程序可以识别的单元规格：brick，tetrahedral，wedge，pyramid；而FLAC3D中的单元类型：brick，tetrahedral，wedge，pyramid，degenerate brick.
此外，由ANSYS 存在单元退化和二次单元等问题，而FLAC3D则只能通过对ANSYS单元退化节点的判断用低节点的单元替换退化的高节点单元。
将ANSYS中程序可以识别的单元规格：brick，tetrahedral，wedge，pyramid；
图4 ANSYS中可识别的单元规格
利用vb编写程序代码，实现转成FLAC3D中的单元类型：brick，tetrahedral，wedge，pyramid，degenerate brick.
图5 FLAC3D中可识别的单元规格
3.4建模结果
在ANSYS的file菜单中，read input from 调用命令流Ansys-command.dat从而生成两个文件ELE. DAT和NODE. DAT。在FLAC3D中，菜单file/import grid，读入作者开发的接口程序ANSYS-FLAC.exe生成 FLAC3D可调用的脚本文件，最后生成FLAC3D三维数值模型，如图所示。
整个建模从数据采集到模型开始计算，共用时不到半小时，且实现了单元的最优化。
图6 FLAC3D建立的边坡实体模型
结论
本文在前人研究的基础上提出了基于 ANSYS 平台建立复杂地质体FLAC3D数值模型的方法，并通过某复杂边坡实例的模拟验证了该方法的可行性。
该方法克服了FLAC3D建立复杂计算模型的困难，且操作简单、易行，所要求的基本数据仅为几何图形数据点，大大减少了建模所需的时间、精力，也提高了数值模拟的频度，使得FLAC3D解决工程地质问题的强大功能得到了充分的发挥，也促进了 FLAC3D在岩土工程领域的普及和应用。
该方法的主要思路着眼于发挥和结合 FLAC3D与 ANSYS 软件的优点，并开发了 FLAC3D-ANSYS接口程序，解决了复杂工程地质体的建模难题。在科技手段发达且种类繁多的当今社会，对于复杂工程地质问题的数值模拟，本文提出的方法值得借鉴。
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基金项目：浙江省教育厅科研项目（Y201330150），浙江建设职业技术学院科研项目：基于ANSYS平台的FLAC3D实体边坡建模方法。
论文作者:周园, 雷霆
论文发表刊物:《基层建设》2016年6期
论文发表时间:2016/7/4
标签：模型论文; 单元论文; 网格论文; 数值论文; 建模论文; 塑性论文; 质体论文; 《基层建设》2016年6期论文;