水工泄洪洞三维实体建模

　　有限元分析是对物理现象的模拟，对真实情况的数值近似。进行有限元分析的前奏就是要建立有限元分析模型。有 3 种生成模型的方法[1]：实体建模、直接生成和从 CAD 系统中输入实体模型。一般来说，简单的模型可以考虑直接生成法，复杂的模型一般选择实体建模或从 CAD 系统中输入实体模型。从 CAD 系统中输入的模型如果不适于网格划分则需要大量的修补工作。因此，对复杂的水工建筑物来说，应该以建立实体模型为主。然而复杂繁琐的三维实体建模，又使很多分析人员望而却步。如何提高实体建模的效率，解决工程中复杂曲面的建模问题成为能否有效模拟实际工程，进行有限元分析的关键。文章以水工泄洪洞为例，研究了建立复杂水工结构三维实体模型的方法。

       1 形体分析

       水工泄洪洞是一种地下建筑物，其结构与围岩密切相关。隧洞围岩及隧洞衬砌计算的方法很多。近年来，由于弹塑性力学、流变力学及岩土力学等现代力学和计算机技术的发展，克服了理

　　论分析中数学和力学上的障碍，使理论设计方法有了极大的进展，除传统的结构力学等方法外，弹塑性有限元方法得到了广泛采用[2]。因此SL279-2002《水工隧洞设计规范》规定：将围岩作为承载结构的隧洞可采用有限元法进行围岩和衬砌的分析计算。因此，实体模型包括两部分：围岩部分和泄洪洞部分。1.1 围 岩进口段主要位于元古界第三、第二岩性段，岩性为角闪片岩及角闪片麻岩，围岩以第 IV 类为主，部分卸荷岩体为 V 类。通过分析，将部分岩性相近岩体合并，材料如表 1 所示。

　　实体建模可采用自底向上和自上向下两种方式。不规则的实体宜采用自底向上的方式，即：在构造实体模型时，首先定义最低级的图元——关键点，再利用这些关键点定义较高级的实体图元(即线、面和体)。由于山体是有不同性质的岩体组成的，具有不同的材料属性，因此应将其建成不同的实体。对于山体表面，利用地质图(见图 1)，结合标高投影的知识，可确定任意一点的X、Y、Z 坐标，可采用棋盘网格式取点方法;对于内部不同材料岩体的分界面，应利用地质断面图才能得到点的坐标。由于山体不规则，不能直接利用已建点来直接生成体，所以应先建立各个体的表面，再通过面组成最后的体。1.2 泄洪洞由于空间曲面能够改善水流条件与受力状况，而且设计合理的曲面不仅能节约建筑材料，还能减小水流对建筑物表面的冲刷、腐蚀与破坏，所以许多水工建筑物都设计成曲面形状。比如，溢流面、拱坝、隧洞、闸墩、胸墙、扭面、渐变段、喇叭口、水轮机的蜗壳、尾水管等[3]。其中渐变段，喇叭口都是比较复杂的空间扭曲面，其设计成型精度要求很高，难度大。从桩号0-002.604~桩号 0+099.700 为进口段;进口段由八字墙段、涵洞段、隧洞段 3 段组成。八字墙段