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《武汉工程大学学报》 2013年10期 36-40,45 出版日期：2013-11-10 ISSN:1674-2869 CN:42-1779/TQ

复杂隧道模型的建模技术

0引言　　FORTRAN［1］亦译为福传，是Formula Translator的缩写，意译为公式翻译器，正式发布于1954年，是世界上最早出现的计算机高级程序语言.它是一种现代的表达性语言，既适合解决各类数值问题，又适合非数值问题，广泛应用于教育部门和科学部门，编写程序简洁、高效.ANSYS［2］软件是一个强大的通用有限元分析软件，集结构、热、电磁、流体、声学分析于一体.它不仅兼容性好、计算能力强、应用性广，而且具有强大的实体建模功能和多样的网格划分手段.FLAC是快速拉格朗日差分分析（Fast Lagrangian Analysis of Continua）的简称，FLAC3D［3\|4］程序由美国ITASCA咨询集团公司推出，是目前岩土力学计算中的重要数值方法之一.该程序用于模拟三维土体、岩体及其它材料力学特性，广泛应用于边坡、地下洞室、施工过程（开挖、填筑等）、拱坝、隧道和矿山工程等多个领域的数值模拟.由于它采用混合离散方法来模拟材料的屈服或塑性流动特性，比有限元方法中采用的降阶积分更合理.FLAC3D采用的是显式方法进行求解，它无需存储刚度矩阵，采用中等容量的内存能求解多单元结构模拟大变形问题.即使模拟的系统是静态的，仍采用了动态运动方程，这使得FLAC3D在模拟物理上的不稳定过程不存在数值上的障碍.然而，FLAC3D在前处理功能较弱，很难建立复杂三维模型，一般通过手动输入节点坐标来建立模型，造成使用者把更多精力浪费在了建模上.因此，结合利用ANSYS强大的建模及网格划分能力和FORTRAN快速、有效的编程能力，根据ANSYS与FLAC3D对应的单元和坐标关系，通过ANSYS建模，然后转换为FLAC3D能识别的节点及网格单元文件（*.flac3d），是一个能解决FLAC3D建模复杂问题的有效且可行的方法.1ANSYS与FLAC3D坐标系及模型区别ANSYS与FLAC3D单元模型的区别主要体现在单元节点编号［5\|6］和坐标系的不同，如图1所示.图1ANSYS与FLAC3D坐标系区别Fig 1The coordinate system difference between ANSYS and FLAC3D对于ANSYS坐标系，平面内水平向右为x轴正向，竖直向上为y轴正向，垂直平面向外为z轴正向；对于FLAC3D坐标系，平面内水平向右为x轴正向，竖直向上为z轴正向，垂直平面向内为y轴正向.ANSYS和FLAC3D的常用单元编号对比图，如图2所示.FLAC3D的单元节点编号排序符合“右手法则”，而ANSYS的单元节点编号排序，右下至上螺旋增加.图2单元编号顺序对比图Fig.2Comparison chart of element number2ANSYS与FLAC3D模型的转换 ANSYS与FLAC3D模型的转换原理就是坐标系的转换和单元对应节点的转换，达到模型形状和方向的一致性.而现有的转换程序，有些只简单做了单元的转换，未做坐标系的转换，转换后的模型方向不一致，需要手动修改，给建模造成困难；有些未考虑单元数量问题，造成模型转换失败或者单元丢失［7\|8］.因此，编写转换程序必须解决上述问题. 转换的具体步骤如下：第10期张涛，等：复杂隧道模型的建模技术武汉工程大学学报第35卷1）ANSYS端采用GUI界面操作结合命令流的方式，利用内置强大布尔操作和网格划分能力，完成模型建立及网格划分［9\|12］，并赋予材料属性.以两个单元为例，单元如图3所示，左边为材料类型1，右边为材料类型2.图3ANSYS模型图Fig3ANSYS model fig2）运用ANSYS中内置的APDL语言编写转换程序，删除所有area，仅保留element和node信息，然后把节点总数与节点坐标和单元总数与单元数据分别写入“node.txt”和“element.txt”两个文本文档中.节点的存储格式是“节点总数+依序排列的节点坐标”；单元的存储格式是“单元总数+材料总数（转换到FLAC3D中以group形式表示）+组成单元的节点号”.例子中ANSYS节点坐标文件和单元数据格式如表1和表2所示.3）利用FORTRAN95软件编写转换程序. 由于编写的转换程序需要是一个通用转换程序，能运用到多个工程项目中，对于不同项目节点及单元数目可能不同，造成程序中记录节点和单元的数组大小是经常变化的，如果采用定义固定数组大小的方法，就会导致转换过程中数组过小无法完成，或者数组设置过大造成内存的浪费影响速度，遇到类似情况需要经常修改程序.使用可变大小的数组就可以在程序执行时根据需要决定数组大小，节省内存和时间.表1ANSYS节点坐标文件Table 1The file of ANSYS node coordinates节点编号坐标XYZ 1 2.000 000 1.000 000 0.000 000 2 1.000 000 1.000 000 0.000 000 3 2.000 000 0.000 000 0.000 000 4 1.000 000 0.000 000 0.000 000 5 0.000 000 1.000 000 0.000 000 6 0.000 000 0.000 000 0.000 000 7 1.000 000 1.000 000-1.000 000 8 0.000 000 1.000 000-1.000 000 9 0.000 00 0.000 000 -1.000 000 10 1.000 000 0.000 000-1.000 000 11 2.000 000 1.000 000 -1.000 000 12 1.000 000 1.000 000 -1.000 000表2ANSYS单元数据文件Table 2The file of ANSYS element datas单元材料节点1 1 1 4 3 2 7 10 9 82 2 5 6 4 1 11 12 10 7FORTRAN95可以定义可变数组，需要经过两个步骤：第一步，使用allocatable属性对相关数组进行定义；第二步，运用allocate语句为该数组确切的定义大小，分配内存空间，然后再使用该数组. 转换程序主要思路如下：1）用allocatable属性定义需要使用的可变数组，读取“node.txt”中第一个数据和“element.txt”文件中的第一、二个数据（记录节点和单元数）；2）根据读取的数据经过相关转换，使用allocate语句定义数组大小；3）由于ANSYS单元都是由8个节点组成的，程序根据8个节点中节点的重复程度判断该单元类型，然后将“node.txt”和“element.txt”文件中关于节点、单元和材料属性的数据根据节点关系和坐标关系转换好后，写入相应数组中；4）按照FLAC3D模型文件“*.flac3d”的特点将数组中的数据写入文件里. 5）将“*.flac3d”导入FLAC3D后，根据group名赋予材料属性，转换后的图如图4所示，左边为group 1，右边为group 2.例子中关于“*.flac3d”文件的数据如表3和表4所示.图4FLAC3D模型图Fig.4FLAC3D model fig表3FLAC3D数据文件Table 3The file of FLAC3D datas节点编号坐标XYZG1 0.1000E+01 0.0000E+00 0.1000E+01G2 0.0000E+00 0.0000E+00 0.1000E+01G3 0.0000E+00 0.0000E+00 0.0000E+00G40.1000E+01 0.0000E+00 0.0000E+00G50.2000E+01 0.0000E+00 0.1000E+01G60.2000E+01 0.0000E+00 0.0000E+00G70.1000E+01 0.1000E+01 0.1000E+01G80.0000E+00 0.1000E+01 0.1000E+01G90.0000E+00 0.1000E+01 0.0000E+00G100.1000E+010.1000E+01 0.0000E+00G110.2000E+01 0.1000E+01 0.1000E+01G120.2000E+01 0.1000E+01 0.0000E+00表4FLAC3D单元数据文件Table 4The file of FLAC3D element datas单元组名节点111 4 2 7 38109125 6 1 11 4 7 12 103应用实例武汉轨道交通三号线越江区间隧道，区间线路出宗关站后，沿建一路南侧地块向西南方向延伸，下穿水厂路中学、过沿河大道后，区间隧道下穿汉江进入汉阳区，下穿江汉二桥体育训练基地和龙阳大道与琴台大道交叉口后，线路转入龙阳大道下继续向西南方向延伸，左右线双绕龙阳大道高架桥桩基，最后到达汉阳大道与龙阳大道交叉口的王家湾站.项目段CK11+253.876～CK11+577.50隧道底板埋深30.0～38.5 m左右，标高+4.0～-19.5 m左右，基底依次位于（18\|2）中风化灰岩、中风化石英砂岩、中风化砂岩、泥质砂岩.考虑到单元数量和计算时间，取前60 m为研究对象.依照前面所述的建模方法，可以方便快捷的建立三维模型及网格划分，如图5所示.该网格由4面体和6面体组成，总共47 360个单元，50 840个节点，从ANSYS导出到利用FORTRAN转换，整个过程仅用了10 s不到.图5三维网络模型Fig.5Three\|dimensional network model为检验网格划分和单元几何形状是否满足要求，进行自重应力下初试地应力场计算，竖向应力云图如图6所示，分布均匀且连续，说明网格划分及模型良好.图7为隧道开挖完成，并完成锚喷支护后，中间段面（纵向30 m处）的位移图，拱底因开挖卸荷，以隆起为主，最大回弹量为6.9 mm.拱顶因开挖发生沉降，最终稳定在10.2 mm.图6竖向应力云图Fig.6Vertical stress图7竖向位移图Fig.7Vertical displacement4结语 a.与一般转换方法相比较，少了另外修改坐标那一步，模型所建即所得.　　b.借助FORTRAN高效的计算能力和独特的可变数组定义功能，可以在节约内存的前提下提高ANSYS模型转换FLAC3D模型的效率.47 360个单元、50 840个节点的模型转换只花了不到10 s的时间，相比其它方法更为高效.　　c.通过工程实例验证了通过ANSYS建模转换FLAC3D计算的可行性，具有良好的工程应用前景.致谢　　感谢中国交通第二公路勘察设计院为本研究提供支持和帮助！