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黄天成
摘 要：复杂岩质边坡的数值分析往往受到地形条件、地质构造及加固措施等的限制，难以建立较为规则的网格模型，单纯的四面体网格往往会增加计算时间，影响计算精度，因此，提高以六面体为主的混合单元剖分的灵活性及局部单元手动修改的能力成为一种改善上述局限的有效方法。文章以某电站坝肩高陡岩质边坡为例，阐述利用Hypermesh软件对三维边坡进行实体网格剖分的思路，并提出薄层单元及flac3D七节点退化单元的生成方法。
关键词：Hypermesh；flac3D；复杂岩质边坡；网格剖分；薄层单元
中图分类号：TP391.7 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）12-0027-02
Abstract： The numerical analysis of complex rock slope is often limited by the terrain conditions， geological structure and reinforcement measures， so it is difficult to establish a more regular mesh model. The simple tetrahedron grid often increases the calculation time and affects the calculation accuracy. It is an effective method to improve the flexibility of the hexahedron hybrid unit division and the ability to modify the local unit manually. Taking the high and steep rock slope of dam abutment of a certain power station as an example， this paper expounds the idea of using Hypermesh software to mesh 3D slope， and puts forward the method of generating thin layer element and flac3D seven-node degradation element.
Keywords： Hypermesh； flac3D； complex rock slope； mesh division； thin-layer element
1 Hypermesh軟件剖分实体单元的基本方法
第一步：前期准备。将Microstation、Rhinoceros等三维建模软件构建的几何体导入Hypermesh，利用“autocleanup”“defeature”等命令进行几何清理及检查[1]，对不规则的体可用“solid edit”进行切割与合并。综合考虑计算精度及速度，确定采用的单元类型、尺寸、规模，对局部复杂的几何形态做适当简化，明确剖分的重点部位[2][3]。
第二步：单元剖分。在Hypermesh中建立实体单元的基本方法有以下三种：
（1）利用点、线等几何要素生成面网格（“spline”、“spin”等命令），通过拉伸、旋转等方式生成实体单元（“line drag”、“solid map”-“general”、“CFD tetramesh”、“tetramesh”-“tetra mesh”、“spin”等命令）。
（2）直接将体（solid）剖分成四面体（“tetramesh”-“volume tetra”命令），或先利用“solid edit”将其切割成规则体（mappable），再剖分成六面体或五面体（“solid map”-“multi solids”命令）。
（3）手动生成单元（“edit element”-“creat”命令）。
第三步：单元检查。对于3D单元，利用“check element”中的“3-D”命令可根据不同的求解器选择单元质量指标的限值（长宽比、内角、扭曲度、翘曲度、雅可比等）[4]。其中，雅克比（0～1）一般作为基本判断指标。同时还可查找重复单元（“duplicates”），归并节点（“faces”“edges”），检查冲突单元（“penetration”）。
第四步：单元分组（可选择定义单元类型、荷载、约束、集合等）后直接导入ansys，abaqus等求解软件，也可通过编程[5]或设置模板文件（*.tpl）导入无内置接口的软件，如flac3D。
2 工程剖分实例
2.1建模概况
本次建模对象为某大型电站左岸坝肩边坡，坡高420m，表面自谷肩以下呈现陡壁与缓坡台地相交替的地形。平面范围：顺河向690m，横河向675m。
边坡区域涉及的结构面包括：层间错动带C3-1，层内错动带LS337（层间设置置换洞进行加固），断层F14、f114、f101、f102，卸荷裂隙J110、J101、J130、J139、J106、J115、J136、J134。
2.2 剖分思路
该模型地形与地质结构复杂，采用四面体自由剖分难以控制单元数量、计算精度及时长，因此考虑在重点研究的置换洞及水平错动带等部位采用六面体映射剖分，在地表及开挖区域采用自由剖分，局部如出现单元不协调，采用七节点退化单元（dbrick）、五面体单元（wedge、pyramid）进行过渡。
本次网格剖分考虑的主要因素有：（1）断层、错动带等潜在滑动面及地表的概化；（2）根据计算经验及工程区域综合考虑模型的边界范围；（3）置换洞及开挖面分布；（4）岩石的风化类型，后期需按照不同类型对岩石的组别进行细分；（5）对分析过程（①天然自重→②一期置换→③坡面开挖→④二期置换）中材料属性发生变化的单元进行区分。
最终网格见图2，共43307个单元，其中，六面体占80.1%，五面体占18.7%，四面体占0.8%，七节点退化单元占0.4%，分组数为197。模型较好地控制了单元的数量（相同的单元尺寸采用四面体剖分，单元数将增加两倍），且重点区域网格质量较高，置换洞均为规则的六面体单元。
经单元检查，节点连续，雅克比满足计算要求（80%的单元在0.7～1，最小值为0.26）。
2.3薄层单元及7节点退化单元的生成方法
薄层单元[6]作为模拟断层及错动带的结构，在整体网格剖分后单独生成较为便捷。假设在group1及group2公共面上生成薄层单元，先用“detach”命令将group1的节点从模型中分离，再用“translate”命令將分离出的节点沿该面法向按薄层厚度进行偏移，即在group1和group2间生成空隙，最后用“faces”“offset”命令在空隙中生成薄层单元，并使节点连续。在薄层单元的交叉处，一般会出现单元交错现象，用“project”“align”命令可进行手动调整。
Flac3D中的7节点退化单元[7]往往出现在几何体的尖角处，在Hypermesh中可手动生成，即先通过“detach”命令从相邻单元分离出一个共用节点，再利用“edit element”中的选项“hex”生成八节点单元，最后合并节点，实现Hypermesh对该单元的支持。
3 结束语
（1）复杂边坡模型的混合剖分需要从地形地质、分析步骤、计算效率等多个方面进行综合考虑。
（2）在Hypermesh中生成模拟滑动面的薄层单元十分便捷、灵活，相比同类软件具有明显优势。
（3）Hypermesh能生成7节点退化单元，为Flac3D模型的前处理提供了更全面的支持。
参考文献：
[1]张萍，郑东健，张献法.基于Hypermesh软件的复杂地质工程有限元建模[J].长江科学院院报，2008，25（2）：84-86.
[2]王钰栋，等.Hypermesh&HyperView;应用技巧与高级实例[M].机械工程出版社，2013.
[3]古成中，吴新跃.有限元网格划分及发展趋势[J].计算机科学与探索，2008，2（3）：248-259.
[4]李海峰，吴冀川，等.有限元网格剖分与网格质量判定指标[J].中国机械工程，2012，3（3）：368-377.
[5]闫龙，徐卫亚，张强.基于Hypermesh复杂地质体的FLAC3D实体建模[J].三峡大学学报，2013，6（3）：368-377.
[6]姚纬明，李同春，任旭华，等.带软弱结构面岩体的弹塑性有限元分析[J].河海大学学报，1999，5（3）：40-44.
[7]陈育民，徐鼎平.FLAC/FLAC3D基础与工程实例（第二版）[M].北京：中国水利水电出版社，2013.
