CN108536928B - 基于abaqus-pfc3d的离散元流固耦合网格模型的建模方法 - Google Patents

基于abaqus-pfc3d的离散元流固耦合网格模型的建模方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于ABAQUS‑PFC3D的离散元流固耦合网格模型的建模方法，利用ABAQUS进行前处理网格、结点模型，对其信息进行改写，使其能够确定导入PFC流域网格模型的单元、结点信息与几何特征，将流体网格导入PFC3D模拟平台，赋予流体网格的流体力学参数；建立球与墙单元，赋予细观参数与初始条件，进行流固耦合分析的迭代运算至平衡。

Description

基于ABAQUS-PFC3D的离散元流固耦合网格模型的建模方法
技术领域
本发明涉及一种基于ABAQUS-PFC3D的离散元流固耦合网格模型的建模方法。
背景技术
在进行地下工程的设计可行性及安全稳定性问题的分析中，大多数工况中地下水的影响是不可忽视的，地下水对岩土体的力学性质将产生极大的影响，也对施工安全带来了隐患。
目前，针对地下工程的岩土体的建模中，有限单元法被广泛应用，但是有限单元法基于连续性假设，不符合岩土体作为离散介质的本质，因此以离散单元为基础假定的PFC3D软件被广泛应用于岩土体的数值模拟中，以PFC3D为平台的离散单元法仿真对工程设计、施工稳定性评估起到了积极的意义。
但是，其存在以下弊端：
1.PFC3D的岩土体数值仿真多集中于固体方面，即单纯的岩石与土体方面，忽略了地下水对地下工程的影响；
2.PFC3D在考虑水-岩土体相互作用时，即流固耦合模拟过程中，由于其缺少流固耦合网格模型的可视化建模方法，故只能开展极为简单的、较少单元的流域网格建模；
3.PFC3D仅支持命令流方式的流固耦合网格模型的建模，且命令流即为复杂，在没有可视化的情况下，设计、评估人员只能凭空想象单元与结点的编号与坐标，以1000个单元为例，需要输入的单元信息数据是14002个，此外还需输入结点信息，且单元之间会共用节点，如果没有可视化的建模方法，进行任意几何模型的建模是极为困难的；
针对上述问题，亟需一种模拟水-岩土体相互作用的可视化建模方法，以实现离散元流固耦合网络模型的精细化建模。
发明内容
本发明为了解决上述问题，提出了一种基于ABAQUS-PFC3D的离散元流固耦合网格模型的建模方法，本发明基于ABAQUS有限单元软件进行前处理建模，采用数据处理的方法有限元单元建模数据文件转化为适用于PFC3D的输入文件，采用PFC3D进行流体-固体耦合建模，以达到工程实际中水-岩土体相互作用的模拟效果。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于ABAQUS-PFC3D的离散元流固耦合网格模型的建模方法，利用ABAQUS进行前处理网格、结点模型，对其信息进行改写，使其能够确定导入PFC流域网格模型的单元、结点信息与几何特征，将流体网格导入PFC3D模拟平台，赋予流体网格的流体力学参数；建立球与墙单元，赋予细观参数与初始条件，进行流固耦合分析的迭代运算至平衡。
具体的，包括以下步骤：
利用ABAQUS进行三维几何建模时，设置有限单元的单元类型，利用建立相应单元类型的有限单元网格模型，输出模型文件，得到有限元平台的流体几何模型的结点信息及单元信息；
截取ABAQUS模型输出文件中结点信息部分，对其进行重新命名，在命名信息中增加结点个数的数据；
截取ABAQUS模型输出文件中网格信息部分，对其进行重新命名，在命名信息中增加每个单元包含的结点数和浮点数；
修改数据文件的拓展名，使其文件信息中能够确定导入PFC流域网格模型的单元、结点信息与几何特征；
在PFC3D中载入计算流体动力学模式，导入修改好的网格结点信息文件及单元信息文件；
赋予流体网格的流体力学参数；
建立球与墙单元，赋予细观参数与初始条件，进行流固耦合分析的迭代运算至平衡。
进一步的，在ABAQUS进行三维几何建模时，将有限单元的单元类型设置为C3D8R，使其适配于PFC3D中支持的八结点六面体单元，建立以C3D8R为单元类型的有限单元网格模型，输出模型文件，得到基于ABAQUS有限元平台的流体几何模型的结点信息及单元信息。
进一步的，截取ABAQUS模型输出文件中结点信息部分，将“，”替换为“”，添加一行数据，其数据为结点个数，将结点个数以空格隔开。
进一步的，截取ABAQUS模型输出文件中网格信息部分，将“，”替换为“”，将ABAQUS输出文件的每行之前添加一行，其内容为一个单元包含的结点数；将每一行的信息后面增加若干个浮点数；在每行结束后添加一行，内容为0。
进一步的，截取ABAQUS模型输出文件中网格信息部分添加第一行信息，其数据为单元个数，将单元个数以空格隔开。
进一步的，将修改后的数据文件拓展名修改为.dat。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1）本发明针对PFC3D没有建立网格几何模型的前处理功能的缺陷，利用了ABAQUS有限元软件的强大的前处理建模功能，能够实现满足计算精度的、高质量的任意几何形状的三维流体网格的便捷建立；
2）本发明针对ABAQUS数据输出文件无法直接导入PFC3D的缺陷，提出了相应的转化方法，实现了有限单元模型与PFC3D中有限体积模型的转化；
3）本发明能够考虑岩土体与水体的相互作用，即流固耦合计算，更加符合工程中地下水等流体对岩土工程影响的工程实际，进一步地为工程设计、安全评估提供了益处；
本发明构思巧妙，实现了有限单元模型与有限体积模型的转换，并将其导入颗粒流模型中，实现了仅支持命令流模式建模的PFC3D软件的可视化建模，为科研工作者提供了创新性的建模思路。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1为本发明离散元流固耦合网格模型建模方法的流程图；
图2为本发明的中基于ABAQUS建立的流体有限单元网格模型示意图；
图3为本发明的ABAQUS结点数据文件示意图，图4为采用本发明提出的修改方法进行修改后的本发明的PFC结点数据文件示意图；
图5为本发明的ABAQUS单元数据文件示意图，图6为采用本发明提出的修改方法进行修改后的本发明的PFC单元数据文件示意图；
图7为本发明提供的PYTHON2.7核心代码示意图；
图8为基于本发明建模方法的PFC3D中有限体积流体网格模型示意图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在本发明中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本发明各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本发明中任一部件或元件，不能理解为对本发明的限制。
本发明中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。
如图1所示，一种基于ABAQUS-PFC3D的离散元流固耦合网络模型的建模方法，具体包括如下步骤：
a）ABAQUS生成流域网格模型，其模型类型为三维几何模型，单元类型设置为C3D8R；
b）导出ABAQUS模型数据文件，其文件拓展名为.inp；
c）拆分模型文件中结点信息，将结点信息数据剪切至一新的文本文档中；具体修改方法为：将“，”替换为“”，添加一行数据，其数据为结点个数，将结点个数以空格隔开。
d）拆分模型文件中网格信息，将单元信息数据剪切至一新的文本文档中；具体修改方法为：将“，”替换为“”，编制相关程序，通过电脑程序将ABAQUS输出文件的每行之前添加一行，其内容为一个单元包含的结点数，即8；将每一行的信息后面增加四个浮点数，如0.1；在每行结束后添加一行，内容为0。经程序修改后，添加第一行信息，其数据为单元个数，将单元个数以空格隔开；
e）将修改后的结点数据文件修改拓展名为.dat后输入至PFC3D；
f）将修改后的网格数据文件修改拓展名为.dat后输入至PFC3D；
g）在PFC中赋予流体参数，本发明提供一组流体力学参数，density值设置为1000，buoyancy设置为on，viscosity设置为1.5；
h）在PFC中生成球、墙单元，本发明提供一组球体单元的细观力学参数，法向刚度设置为1e9，切向刚度设置为1e9，摩擦系数设置为0.7；本发明提供一组墙单元的细观力学参数，法向刚度设置为1e10，切向刚度设置为1e10，摩擦系数设置为0.7；本发明中，设置重力加速度为9.8。
i）进行迭代平衡计算，其中容差设置为1e-4。
一种基于ABAQUS-PFC3D的离散元流固耦合网格模型的建模方法，其实施例如下：
在ABAQUS中建立图2所示的有限单元的三维几何模型，以该几何特征为目标，试将其导入PFC3D中形成有限体积网格模型，本实施例中，所建立的模型具有372个结点，192个单元；
通过ABAQUS输出数据文件，其结点信息如图3所示，其单元信息如图5所示；
采用步骤c）提供的数据处理方法，修改结点数据信息，得到的修改后的结点数据信息如图4所示，本实施例中，步骤c）中的结点个数为392；
编译如图7所示的python2.7程序，其程序使用方法为：键入输入路径—键入输出路径—填写单元数—填写每个单元的结点个数—填写4个浮点数，程序可根据键入及填写内容自动完成转换。本实施例中，单元数为192，每个单元包含的结点数为8，4个浮点数分别为0.1、0.1、0.1、0.1。
执行步骤d），其第一行信息为单元个数，即192，得到的修改后的单元数据信息如图6所示。
上述步骤中，修改后的结点数据文件名为pfc_node.dat，修改后的单元数据文件名为pfc_element.dat；在PFC3D中，采用FISH语言，载入CFD模式，采用cfd read nodes命令输入结点文件，采用cfd read elements 命令输入单元文件。在本实施例中，分别对应 cfdread nodes ‘pfc_node.dat’，cfd read elements ‘pfc_element.dat’；
将数据文件输入PFC3D后，得到的有限体积网格模型如图8所示，可以清楚地看出，该模型与图1所示的ABAQUS建立的模型几何特征及结点、网格信息完全相同，即实现了PFC3D的流固耦合模型网格模型的可视化建模。
进一步地，可以依照步骤g）—i）在PFC3D平台进行离散单元流固耦合仿真。
优选的，本发明提供的自动处理程序不仅限于PYTHON2.7平台，还可以是C语言，也可以是Matlab环境。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (6)

1.一种基于 ABAQUS-PFC3D 的离散元流固耦合网格模型的建模方法，其特征是：利用ABAQUS 进行前处理网格、结点模型，对其信息进行改写，使其能够确定导入 PFC 流域网格模型的单元、结点信息与几何特征，将流体网格导入PFC3D 模拟平台，赋予流体网格的流体力学参数；建立球与墙单元，赋予细观参数与初始条件，进行流固耦合分析的迭代运算至平衡；
包括以下步骤：
利用 ABAQUS进行三维几何建模时，设置有限单元的单元类型，利用建立相应单元类型的有限单元网格模型，输出模型文件，得到有限元平台的流体几何模型的结点信息及单元信息；
截取 ABAQUS模型输出文件中结点信息部分，对其进行重新命名，在命名信息中增加结点个数的数据；
截取 ABAQUS模型输出文件中网格信息部分，对其进行重新命名，在命名信息中增加每个单元包含的结点数和浮点数；
修改数据文件的拓展名，使其文件信息中能够确定导入 PFC流域网格模型的单元、结点信息与几何特征；
在 PFC3D 中载入计算流体动力学模式，导入修改好的网格结点信息文件及单元信息文件；
赋予流体网格的流体力学参数；
建立球与墙单元，赋予细观参数与初始条件，进行流固耦合分析的迭代运算至平衡。
2.如权利要求 1所述的一种基于 ABAQUS-PFC3D 的离散元流固耦合网格模型的建模方法，其特征是：在 ABAQUS 进行三维几何建模时，将有限单元的单元类型设置为C3D8R，使其适配于 PFC3D 中支持的八结点六面体单元，建立以 C3D8R 为单元类型的有限单元网格模型，输出模型文件，得到基于 ABAQUS 有限元平台的流体几何模型的结点信息及单元信息。
3.如权利要求 1所述的一种基于 ABAQUS-PFC3D 的离散元流固耦合网格模型的建模方法，其特征是：截取 ABAQUS 模型输出文件中结点信息部分，将“，”替换为“ ”，添加一行数据，其数据为结点个数，将结点个数以空格隔开。
4.如权利要求 1所述的一种基于 ABAQUS-PFC3D 的离散元流固耦合网格模型的建模方法，其特征是：截取 ABAQUS 模型输出文件中网格信息部分，将“，”替换为“ ”，将ABAQUS输出文件的每行之前添加一行，其内容为一个单元包含的结点数；将每一行的信息后面增加若干个浮点数；在每行结束后添加一行，内容为 0。
5.如权利要求 1所述的一种基于 ABAQUS-PFC3D 的离散元流固耦合网格模型的建模方法，其特征是：截取 ABAQUS 模型输出文件中网格信息部分添加第一行信息，其数据为单元个数，将单元个数以空格隔开。
6.如权利要求 1所述的一种基于 ABAQUS-PFC3D 的离散元流固耦合网格模型的建模方法，其特征是：
将修改后的数据文件拓展名修改为.dat。
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