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    基于三維地質(zhì)模型的巖土工程有限元自動(dòng)建模方法

    2016-08-16 03:28:22丁未
    大科技 2016年17期
    關(guān)鍵詞:巖土建模有限元

    丁未

    (貴州省水利水電工程咨詢(xún)有限公司 貴州貴陽(yáng) 556600)

    基于三維地質(zhì)模型的巖土工程有限元自動(dòng)建模方法

    丁未

    (貴州省水利水電工程咨詢(xún)有限公司 貴州貴陽(yáng) 556600)

    巖土工程改造中,要建立三維地質(zhì)模型進(jìn)行綜合評(píng)估,掌握區(qū)域地質(zhì)結(jié)構(gòu)分布規(guī)律,提前對(duì)地質(zhì)災(zāi)害及工程建設(shè)提供科學(xué)的指導(dǎo)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)普及化發(fā)展,三維地質(zhì)模型在巖土結(jié)構(gòu)勘察與分析中得到應(yīng)用,通過(guò)構(gòu)建模型平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了工程改造科學(xué)化。結(jié)合“三角形有限元法”特點(diǎn),本文分析了基于三維地質(zhì)模型的巖土建模分析方式,對(duì)巖土施工改造提供科學(xué)的指導(dǎo)依據(jù)。

    三維模型;巖土工程;有限元;建模

    巖土環(huán)境對(duì)區(qū)域工程建設(shè)有直接性應(yīng)想,不同巖土構(gòu)造會(huì)引起多方面的地質(zhì)問(wèn)題,影響了工程改造作業(yè)的一體化。鑒于傳統(tǒng)地質(zhì)規(guī)劃與發(fā)展趨勢(shì),地質(zhì)模型建設(shè)關(guān)系著巖土工程改造質(zhì)量水平,對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工作業(yè)流程控制起到了引導(dǎo)作用。早期模型分析僅限于平面層次,對(duì)多角度巖土結(jié)構(gòu)識(shí)別缺乏準(zhǔn)確性,利用三維模型分析巖土結(jié)構(gòu)才是發(fā)展的必然趨勢(shì)。

    1 三維地質(zhì)模型

    “地質(zhì)災(zāi)害”是指在自然或者人為因素的作用下形成的,具有破壞性性質(zhì)的地質(zhì)作用或現(xiàn)象,包括:崩塌、滑坡、泥石流、地震、火山、水土流失等,這些都對(duì)地區(qū)穩(wěn)定發(fā)展造成了嚴(yán)重威脅。為了更好地防治地質(zhì)災(zāi)害,設(shè)定三維地質(zhì)模型可實(shí)現(xiàn)災(zāi)害的綜合分析。從空間布局來(lái)說(shuō),三維模式是利用X、Y、Z等三軸坐標(biāo)進(jìn)行建模的平臺(tái),從多個(gè)角度呈現(xiàn)研究對(duì)象的動(dòng)態(tài)形象。相比于傳統(tǒng)二維模型分析,三維模型研究更具精確性特點(diǎn),可在短區(qū)域內(nèi)對(duì)工程模型精細(xì)化管理,提高項(xiàng)目建設(shè)與分析的針對(duì)性。新時(shí)期“三角形有限元法”在巖土結(jié)構(gòu)改造中發(fā)揮重要作用,利用三維模型實(shí)現(xiàn)巖土建模及在線分析,對(duì)區(qū)域、規(guī)模、承載、厚度等指標(biāo)進(jìn)行全面研究,掌握了區(qū)域地質(zhì)結(jié)構(gòu)的實(shí)際情況,結(jié)合有限元建模分析處理對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工給予指導(dǎo)。

    2 三角形有限元法的基本求解過(guò)程

    2.1 假設(shè)單元的位移函數(shù)

    巖土工程測(cè)量結(jié)果需要以圖像形式呈現(xiàn)出來(lái),才能為巖土企業(yè)提供形象的數(shù)據(jù)分析,掌握符合巖土工程實(shí)況的開(kāi)發(fā)平臺(tái)。面對(duì)傳統(tǒng)地質(zhì)分析模式存在的不足,新時(shí)期巖土工程測(cè)量要堅(jiān)持科技創(chuàng)新原則,引入三維模型作為技術(shù)支撐平臺(tái),設(shè)定更加多元化的巖土圖像處理中心,客觀地反映出巖土工程動(dòng)態(tài)。如圖1所示為一端部承受豎向集中荷載作用的懸臂梁,將此問(wèn)題簡(jiǎn)化為二維平面問(wèn)題,梁取單位厚度,固定端簡(jiǎn)化為兩個(gè)不動(dòng)鉸支座,已知懸臂梁的長(zhǎng)度為8m,高度為1m,材料為鋼材,它的彈性模量取2.06e11Pa,泊松比取0.25,右端處作用的豎向荷載為100kN。二維域Ω被離散成如圖1所示的九個(gè)三角形單元,后續(xù)編程中的結(jié)點(diǎn)號(hào)和單元號(hào)都以此為基礎(chǔ),任取一三角形單元,設(shè)其結(jié)點(diǎn)編碼為i,j,m,以逆時(shí)針編碼為正向(如圖 2)。

    圖1 任意區(qū)域的三角形單元離散

    圖2 3結(jié)點(diǎn)三角形單元

    該三角形單元在x、y方向的位移函數(shù)表達(dá)式為:

    其中Ni(i=i,j,m)稱(chēng)為單元的插值函數(shù)或形函數(shù)

    上式(i,j,m)表示下標(biāo)輪換,即 i→j,j→m,m→i。

    (1)和(2)式簡(jiǎn)記為:

    (5)式的矩陣形式是:

    2.2 單元應(yīng)變矩陣和彈性矩陣

    為了避免地質(zhì)分析不當(dāng)造成數(shù)據(jù)結(jié)果失誤,可引入虛擬模型作為前期操控處理平臺(tái)??偨Y(jié)地質(zhì)分析技術(shù)缺陷,以數(shù)字模型為虛擬化控制平臺(tái),提出更為先進(jìn)的地質(zhì)分析技術(shù)方案。虛擬模型為用戶(hù)提供動(dòng)脈地質(zhì)分析平臺(tái),本質(zhì)上并非正式的地質(zhì)分析操作,而是在虛擬環(huán)境下對(duì)圖像進(jìn)行多種處理。因此,地質(zhì)分析采用虛擬模型具有精確化特性,避免正式操作中產(chǎn)生錯(cuò)誤,提高了巖土圖像的處理質(zhì)量。本次將位移函數(shù)(6)式代入平面問(wèn)題的幾何方程得到單元的應(yīng)變表達(dá)式

    其中B稱(chēng)為應(yīng)變矩陣:

    將(3)式代入上式得:

    對(duì)于平面應(yīng)力問(wèn)題,單元的彈性矩陣如下:

    2.3 整體平衡方程

    根據(jù)最小勢(shì)能原理或變分原理,對(duì)總勢(shì)能取駐值,即δπ=0得:

    其中,單元?jiǎng)偠染仃嚕?/p>

    單元載荷列陣:

    本文分析的問(wèn)題只是在懸臂梁右端某一結(jié)點(diǎn)處作用一豎向荷載,荷載列陣相對(duì)比較簡(jiǎn)單,如果涉及到分布荷載,需要局部坐標(biāo)到整體坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換,形成整體荷載列陣。

    2.4 組集單元矩陣到整體方程

    按對(duì)號(hào)入座的原則對(duì)單元平衡方程進(jìn)行組集得到整體求解的結(jié)構(gòu)控制方程:

    2.5 引入邊界條件

    三維模型在地質(zhì)分析系統(tǒng)中,與安全管理系統(tǒng)交互并協(xié)助控制管理地質(zhì)分析。例如,數(shù)字勘察功能隱患將對(duì)巖土結(jié)果產(chǎn)生誤導(dǎo)作用,影響了數(shù)字勘察結(jié)果的準(zhǔn)確性,操作層可根據(jù)用戶(hù)指令狀態(tài),及時(shí)調(diào)整巖土測(cè)量三維模型的處理模式。例如,邊界條件包括外力邊界條件和位移邊界條件,對(duì)于本文分析的問(wèn)題,外力邊界條件主要是在右端點(diǎn)處有一個(gè)y方向的集中荷載。位移邊界條件主要是左端的兩個(gè)結(jié)點(diǎn)處在x、y兩個(gè)方向位移為零。

    2.6 求解整體離散方程

    地質(zhì)分析是我國(guó)巖土行業(yè)不可缺少的工程要素,巖土工程測(cè)量必須依賴(lài)于各項(xiàng)科技術(shù)應(yīng)用,才能創(chuàng)造更為豐厚的產(chǎn)業(yè)收益。地質(zhì)分析是一項(xiàng)復(fù)雜的工藝流程,以圖像模型為中心執(zhí)行處理方案,從根本上解決了傳統(tǒng)地質(zhì)分析的不足。例如,在求出單元?jiǎng)偠染仃嚱M集而成的整體剛度矩陣和單元等效荷載列陣以后,求解整體離散方程就變成求解線性方程組的問(wèn)題了。經(jīng)過(guò)組集單元矩陣到整體矩陣形成14式中的整體剛度矩陣K以及整體荷載列陣F。

    3 巖土工程監(jiān)理工作內(nèi)容

    隨著巖土工程建設(shè)不斷發(fā)展,三維模型技術(shù)用于地質(zhì)分析成為行業(yè)發(fā)展趨勢(shì),將其作為主導(dǎo)技術(shù)可擴(kuò)大巖土工程測(cè)量范圍,構(gòu)建更為穩(wěn)定的巖土測(cè)量平臺(tái)。

    3.1 數(shù)字勘察

    在數(shù)字勘察技術(shù)應(yīng)用階段,要考慮巖土區(qū)域?qū)嶋H巖土情況,同時(shí)構(gòu)建數(shù)字化勘察模型平臺(tái),及時(shí)掌握巖土工程構(gòu)造特點(diǎn),借助三維模型技術(shù)獲取更多的巖土測(cè)量數(shù)據(jù),指導(dǎo)巖土數(shù)字勘察工作有序進(jìn)行。未來(lái)更好地完成項(xiàng)目建設(shè),結(jié)合有限元自主建模分析法,總監(jiān)理工程師必須掌握本工程施工階段的安全控制要點(diǎn),并讓監(jiān)理人員加以了解,檢查施工單位安全管理人員是否合格。

    3.2 災(zāi)害治理

    結(jié)合三維地質(zhì)模型分析結(jié)果,對(duì)崩塌、滑坡、泥石流、地震、火山、水土流失等常見(jiàn)地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行綜合分析,及時(shí)采取針對(duì)性的治理方案,提高災(zāi)害防控與治理效果。一般來(lái)說(shuō),巖土監(jiān)理與施工是并行操作的,在施工過(guò)程中指導(dǎo)災(zāi)害防治施工,在防治施工中配合監(jiān)理工作。施工單位要結(jié)合具體災(zāi)害類(lèi)型,采取地基加固、邊坡支護(hù)、樁基礎(chǔ)改造等方式,做好地質(zhì)災(zāi)害治理工作。

    4 結(jié)論

    總之,巖土工程涵蓋了地上、地下和水中的各類(lèi)工程,對(duì)地區(qū)現(xiàn)代化建設(shè)與改造具有重要意義。為了擺脫傳統(tǒng)施工流程的不足,利用三維地質(zhì)模型進(jìn)行有限元分析,借助建模平臺(tái)掌握巖土構(gòu)造特點(diǎn),科學(xué)指導(dǎo)了區(qū)域工程改造方案,降低了各種因素帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)隱患。基于三維地質(zhì)建模平臺(tái)下,巖土工程有限元建模分析精度更加準(zhǔn)確,比傳統(tǒng)二維模型分析更具可視化、精確化等特點(diǎn),值得在未來(lái)巖土工程分析中普及使用。

    [1]張芳,朱合華,寧民霞.適于海量數(shù)據(jù)的三維地層建模方法[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2016(S1).

    [2]徐能雄,武雄,汪小剛,賈志欣,段慶偉.基于三維地質(zhì)建模的復(fù)雜構(gòu)造巖體六面體網(wǎng)格剖分方法[J].巖土工程學(xué)報(bào),2016(08).

    [3]李金國(guó),王 慧,劉 紅.基于Hypermesh的有限元前置優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].機(jī)械工程師,2005(07).

    [4]夏艷華,白世偉,倪才勝.某水利樞紐廠房開(kāi)挖三維可視化與數(shù)值模擬耦合研究[J].巖土力學(xué),2015(06).

    [5]王純祥,白世偉.三維地層信息系統(tǒng)與有限元方法集成研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2014(21).

    TU452

    A

    1004-7344(2016)17-0156-02

    2016-5-29

    丁 未(1985-),男,侗族,助理工程師,碩士研究生,主要從事巖土工程方面的工作。

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