1、 基于Solidworks建模技術(shù)的工程有限元仿真分析 在工程有限元仿真分析中，現(xiàn)有的通用有限元分析軟件有著各自的優(yōu)缺點(diǎn)，而三維設(shè)計(jì)軟件Solidworks具有超強(qiáng)的建模功能。筆者利用Solidworks的三維實(shí)體建模技術(shù)，以單洞四車道隧道為工程背景，建立了工程有限元仿真模擬現(xiàn)場的復(fù)雜模型，通過Solidworks與通用有限元仿真分析軟件提供的通用數(shù)據(jù)格式，將隧道三維模型轉(zhuǎn)換為有限元仿真分析網(wǎng)格模型。通過MIDASGTS計(jì)算出結(jié)果，驗(yàn)證了基于Solidworks建模技術(shù)應(yīng)用于有限元仿真分析計(jì)算是切實(shí)可行的。 有限元仿真分析的合理性很大程度上取決于模型建立的正確性，目前在有限元仿真分析中大多采用

2、相近或者簡略模型，因此導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況存在較大差異。應(yīng)用基于Solidworks等三維設(shè)計(jì)軟件超強(qiáng)的建模技術(shù)，實(shí)現(xiàn)與通用有限元分析軟件之間數(shù)學(xué)模型和數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換與傳輸，完成有限元仿真模擬前復(fù)雜模型的建立工作，彌補(bǔ)有限元軟件建造復(fù)雜模型方面的不足，從而實(shí)現(xiàn)有限元仿真分析的快速、準(zhǔn)確、有效性。筆者以復(fù)雜地形條件下某單洞隧道為例，應(yīng)用Solidworks方便、快速地建立隧道三維仿真模型。并利用通用有限元分析軟件與CAD/CAM程序的數(shù)據(jù)接口功能，經(jīng)過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后將隧道模型導(dǎo)入ANSYS、FLAC3D、MIDAS/GTS、COMSOL Multiphysics等多個(gè)有限元分析軟件，完成隧道仿真模型的

3、布爾代數(shù)運(yùn)算和四面體單元?jiǎng)澐?，?yàn)證了Solidworks實(shí)體、參數(shù)化建模技術(shù)應(yīng)用于有限元仿真分析計(jì)算是切實(shí)可行的。1 建模與分析軟件介紹1.1 三維CAD建模軟件SolidworksSolidworks是目前應(yīng)用最為廣泛的機(jī)械設(shè)計(jì)自動(dòng)化(Mechanical Design Automation)軟件之一，其構(gòu)造三維模型的思路和過程與設(shè)計(jì)人員的思維過程相似，其功能強(qiáng)大，容易掌握，尤其以具有真正的特征造型功能而深受用戶歡迎，并且利用插件形式提供了當(dāng)今市場上幾乎所有CAD軟件的輸入/輸出格式轉(zhuǎn)換器，可以很方便地與其他三維CAD軟件如Pro/E、UG、MDT等進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。1.2 大型有限元仿真分析軟

4、件大型通用有限元程序，它們以功能強(qiáng)、用戶使用方便、計(jì)算結(jié)果可靠和效率高而逐漸形成新的技術(shù)商品，成為工程計(jì)算強(qiáng)有力的分析工具。目前，有限元法在現(xiàn)代結(jié)構(gòu)力學(xué)、熱力學(xué)、流體力學(xué)和電磁學(xué)等許多領(lǐng)域都發(fā)揮著重要作用。當(dāng)前，在中國工程界比較流行，被廣泛使用的大型有限元分析軟件有ANSYS、ADINA、MSC/Nastran、ABAQUS、COSMOS、ALGOR、MARC、FLACAD、MIDAS等。ANSYS軟件將有限元分析、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和優(yōu)化設(shè)計(jì)相結(jié)合，形成了比較完善的有限元分析和處理軟件。它可進(jìn)行靜力分析、動(dòng)力分析、熱分析、電磁分析和耦合分析等多種分析，能與多數(shù)的CAD軟件接口，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換

5、。FLAC3D是美國ItascaConsulting Group Inc開發(fā)的連續(xù)介質(zhì)三維快速拉格朗日法分析軟件。它廣泛應(yīng)用于邊坡和路基的設(shè)計(jì)和穩(wěn)定性問題、淺基和深基工程、土石壩和混凝土壩設(shè)計(jì)、隧道圍巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)與支護(hù)、采礦工程設(shè)計(jì)等方面，是巖土工程中的一種重要研究工具。MIDAS/GTS代表了當(dāng)前工程軟件發(fā)展的最新技術(shù)，在隧道工程與特殊結(jié)構(gòu)領(lǐng)域?yàn)槿藗兲峁┝艘粋€(gè)嶄新的解決方案。MIDAS/GTS可以對(duì)復(fù)雜的幾何模型進(jìn)行可視化的直觀建模。另外在后處理中，它能以表格、圖形、圖表形式自動(dòng)輸出簡潔實(shí)用的計(jì)算書。2 Solidworks模型的建立過程2.1 Solidworks建模思路現(xiàn)在的商品化有限元

6、程序可分成3個(gè)階段(圖1)，前處理、求解和后處理。前處理是建立有限元模型，完成單元網(wǎng)格劃分，前處理參數(shù)化建模利用CAD軟件的參數(shù)化建模功能把將要參與的數(shù)據(jù)(設(shè)計(jì)變量)定義為模型參數(shù)，為以后軟件修正模型提供方便。 圖1 Solidworks建模程序圖后處理則是采集處理分析結(jié)果，使用戶能簡便提取信息，了解計(jì)算結(jié)果。將計(jì)算結(jié)果以各種形式輸出，以便于了解結(jié)構(gòu)的狀態(tài)，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值分析。利用后處理結(jié)果能夠反演模型的材料參數(shù)、調(diào)整模型的合理仿真程度。前處理中，當(dāng)模型局部尺寸根據(jù)計(jì)算需要修改成所需大小時(shí)，由于Solidworks進(jìn)行所建模型采用智能尺寸，整體模型尺寸能隨局部尺寸變化而變化，不必為整個(gè)模型重建

7、而擔(dān)心。2.2 隧道計(jì)算模型選取計(jì)算模型以單洞四車道隧道為例，隧道長度取500m，隧道橫斷面：初期支護(hù)厚度為26cm、二襯厚度70cm、錨桿長度5.5m(圖2)。 圖2 隧道橫斷面示意圖(單位：cm)隧道橫斷面圍巖則自上而下分兩層風(fēng)化地層，地層厚度約為250、100m。地表曲面起伏、圍巖長度、高度都為500m。應(yīng)用Solidworks按照隧道實(shí)際橫斷面形狀及尺寸，選取1：200比例分別對(duì)初期支護(hù)、二次襯砌、錨桿進(jìn)行三維參數(shù)化建模。2.3 Solidworks三維模型的建立(1)隧道實(shí)體與圍巖實(shí)體參數(shù)化建?？紤]到實(shí)體模型布爾代數(shù)運(yùn)算，Solidworks建立模型時(shí)，把模型分成隧道及圍巖兩個(gè)獨(dú)立的

8、實(shí)體，然后進(jìn)行裝配得到最終復(fù)雜模型。實(shí)體生成步驟如下：1)進(jìn)入Solidworks平臺(tái)后，導(dǎo)入隧道橫斷面圖(*.DXF格式)作為基準(zhǔn)面，描繪初襯、二襯外輪廓線，再縱向拉伸出隧道實(shí)體;2)畫直線后沿隧道輪廓線環(huán)狀陣列、等距復(fù)制得到錨桿;3)在水平基準(zhǔn)面上畫250mm250mm矩形，向上拉伸出矩形體，再使用實(shí)際地表標(biāo)高生成曲面，曲面分割矩形體得到地層1與地層2;4)用隧道橫斷面輪廓線縱向拉伸切除出隧道裝配位置最終得到圍巖實(shí)體。兩實(shí)體以參數(shù)化智能標(biāo)注各組成部分尺寸，并且分別保存，便于模型的修改。(2)智能裝配三維模型利用Solidworks強(qiáng)大的智能裝配功能，經(jīng)過拖拽和配合等命令將隧道實(shí)體與圍巖實(shí)體

9、遵循實(shí)際相對(duì)位置裝配成整體。裝配后三維參數(shù)化模型分為4個(gè)實(shí)體，方便在有限元軟件中的布爾運(yùn)算和網(wǎng)格劃分。保存模型時(shí)選擇Parasolid類型文件，以*X_t為后綴名保存，Parasolid類型文件可以實(shí)現(xiàn)Solidworks與ANSYS等有限元軟件之間的數(shù)據(jù)交換。3 建立有限元計(jì)算模型現(xiàn)在的專用或通用有限元仿真分析程序在前處理部分，都設(shè)有與CAD/CAM程序包的接口，可以直接讀取這些程序產(chǎn)生的幾何模型，并允許用戶快速生成所希望的單元網(wǎng)格模型，自動(dòng)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，自動(dòng)輸入結(jié)點(diǎn)信息和單元信息，并核實(shí)用戶所確定的網(wǎng)格。3.1 通用有限元軟件的數(shù)據(jù)導(dǎo)入(1)啟動(dòng)ANSYS，進(jìn)入平臺(tái)后點(diǎn)擊“File-Imp

10、ort-Para”，按“ok”后導(dǎo)入模型。導(dǎo)入模型顯示為線框，再點(diǎn)擊“Plotstyl-style-solid style-Normal Face-ting”后，模型更改為實(shí)體顯示。(2)FLAC3D數(shù)據(jù)導(dǎo)入較為復(fù)雜，其外部導(dǎo)人命令為Impgrid，僅可導(dǎo)入*.FLAC30文本文件。利用ANSYS劃分好模型網(wǎng)格后，保存模型節(jié)點(diǎn)文件和單元文件，再通過轉(zhuǎn)換軟件轉(zhuǎn)換為*.FLAC3D文本文件。啟動(dòng)FLAC3D，選擇“File-Impgrid-*.FLAC3D”后，實(shí)體模型則導(dǎo)入FLAC3D。(3)MIDAS/GTS提供很好的與CAD/CAM數(shù)據(jù)接口功能，與Solidworks存在很多通用的數(shù)據(jù)格式。

11、啟動(dòng)程序后，選擇“文件-導(dǎo)入-Parasolid文件”，導(dǎo)人實(shí)體模型。3.2 有限元網(wǎng)格的生成方式通過Solidworks與通用有限元仿真軟件之間通用的數(shù)據(jù)格式，各軟件強(qiáng)大的數(shù)據(jù)導(dǎo)入和輸出功能，順利地將Solidworks所建立的三維參數(shù)化模型導(dǎo)人到ANSYS、FLAC3D、MIDAS/GTS等有限元計(jì)算軟件，接下來發(fā)揮各個(gè)有限元軟件網(wǎng)格劃分方面的優(yōu)勢對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。(1)隧道三維參數(shù)化模型導(dǎo)入ANSYS后分成4個(gè)實(shí)體，首先給實(shí)體賦予材料參數(shù)，再選擇網(wǎng)格劃分中自由劃分命令根據(jù)需要逐個(gè)對(duì)實(shí)體進(jìn)行劃分，網(wǎng)格生成后模型在連接面上的相應(yīng)節(jié)點(diǎn)的耦合較好。(2)FLAC3D網(wǎng)格和模型的建立同時(shí)完成，而

12、且網(wǎng)格與模型的形狀相統(tǒng)一。由于模型經(jīng)過ANSYS劃分好模型網(wǎng)格再導(dǎo)入，所以其模型網(wǎng)格與ANSYS中模型網(wǎng)格類似。(3)MIDAS/GTS具有強(qiáng)大自動(dòng)網(wǎng)格劃分功能，可以根據(jù)不同實(shí)體選擇不同的網(wǎng)格大小。網(wǎng)格劃分時(shí)選擇“網(wǎng)格一自由劃分網(wǎng)格”命令，在彈出對(duì)話框中選擇網(wǎng)格尺寸及實(shí)體。4 計(jì)算結(jié)果反饋隧道模型經(jīng)過各通用有限元軟件網(wǎng)格劃分后，發(fā)揮各自強(qiáng)大的后處理分析功能，根據(jù)需要分析各類線性和非線性問題。在MIDAS/GTS中對(duì)隧道進(jìn)行簡單分析，計(jì)算隧道在自重作用下的位移。首先設(shè)置模型各實(shí)體本構(gòu)關(guān)系與計(jì)算參數(shù)，再定義邊界條件和分析類型。分析結(jié)束后，可選擇不同的模式查看計(jì)算結(jié)果。圖3為沉降計(jì)算結(jié)果云圖，當(dāng)計(jì)算結(jié)果偏離實(shí)際情況時(shí)，即可反饋到計(jì)算模型。首先調(diào)整計(jì)算參數(shù)，其次也可修改實(shí)體模型尺寸。由于在Solidworks中建立了智能參數(shù)化模型，模型尺寸修改非常方便，可根據(jù)需要調(diào)整圍巖、初襯、二襯、錨桿等尺寸。 圖3 MIDAS/GTS計(jì)算結(jié)果云圖(單位：m)5 結(jié)語(1)復(fù)雜隧道所需的有限元仿真模擬模