[01190691]基于Midas GTS的快速有限差分法网格生成原件V1.0

1. 课题的研究来源与背景 工程力学数值分析是隧道与地下工程研究领域的主要研究手段。在数值分析中,一个重要的步骤和先决条件是形成合理的离散网格模型。所谓合理的网格模型,即要求数值网格满足以下条件：（1）尽可能少的节点数与单元数;（2）合理的网格疏密分布;（3）合理的单元几何形状。显然,对于面向实际工程的数值网格模型,要满足以上三个条件,除了数值建模人员需要有足够的网格划分经验和技巧外,还需要有强大的建模和网格划分工具。 1.1 FLAC3D与MIDASGTS软件的特点 FLAC3D有限差分程序是基于岩土类介质开发的国际著名数值计算软件之一,该程序能较好地模拟岩土类材料在达到强度极限或屈服时发生的破坏或塑性流动的力学行为,特别适用于分析渐进破坏、失稳以及模拟大变形现象。然而,由于FLAC3D面向比较复杂的三维工程建模以及单元网格划分等前处理问题上存在诸多技术困难,致使建模过程繁琐、工作量大、花费时间长,导致了FLAC3D处理三维复杂工程模型问题的难度加大。随着FLAC3D在岩土工程领域应用的不断拓展和深入,其在三维复杂工程建模方面呈现的问题逐渐凸显出来。 MIDAS/GTS是韩国开发的岩土与隧道结构有限元分析软件,该软件的几何建模和网格划分功能十分强大,主要体现在以下2个方面:（1）几何建模功能。MIDAS/GTS有Windows窗口式的操作界面,通过点取菜单完成操作,可以方便地建立各种点、线、面、体,并可进行布尔运算、复制、旋转、嵌入、分割等操作;可以导入后缀为.DXF等格式文件,实现与AutoCAD等软件的数据交换;其内置的地形数据生成器,可以利用导入的.DXF格式的地形等高线方便地生成复杂曲面。（2）网格划分功能。MIDAS/GTS除了可以较快地划分映射网格和自由网格以外,还可以根据用户设定的种子数量和种子分布自动划分四边形为主（平面单元）或六面体为主（三维单元）的网格,且网格质量较高。网格划分后,还可以对网格进行析取、检查、手动分割等网格调整操作,对复杂模型网格划分与检查十分方便。 FLAC3D软件的计算求解和后处理功能强大,但前处理功能（几何建模、网格划分）不足;MIDAS GTS软件的前处理功能（几何建模、网格划分）强大,而本构模型、计算求解功能不足,如果能够将两者结合起来,充分发挥各自的优势,无疑将能够大幅提高隧道与地下工程数值建模分析的工作效率。 2. 技术原理及性能指标 将FLAC3D与MIDAS GTS软件结合的方式主要通过在MIDAS GTS软件中完成几何建模和网格划分后,导出为适用于FLAC3D的网格文件,以供FLAC3D计算求解使用。然而,MIDAS GTS软件自身不支持这一功能,因此需要研究这两个软件的特点,开发相应的网格数据转换软件工具来实现这一功能。本软件的开发环境与编程语言：（1）操作系统：Windows 10;（2）开发环境：Visual Studio Community 2017;（3）编程语言：C# 7.0。 3. 技术的创造性与先进性 本软件主要的功能为：解析MIDAS GTS生成的离散数值网格的节点和单元信息,生成FLAC3D 6.0软件建模所需要的所有节点和单元信息。本软件的主要特色有：（1）功能完备,支持最新标准。支持FLAC3D软件数值分析所需要的所有类型的单元,包括三维实体单元（zone）、二维平面单元（face图元）和一维线性单元（edge图元）,而且所输出的FLAC3D网格文件和GEOM几何图形信息文件的格式符合最新版本的FLAC3D 6.0的标准;（2）用户界面友好,操作简便。提供简洁直观的Windows图形用户界面,仅需简单的几步鼠标点击操作即可完成网格数据的转换工作,且实时给出当前转换进度;（3）运行速度快捷,界面响应迅速。本软件采用C# 7.0语言编写,转换算法经过优化,使得转换速度相当快捷;对于耗时的转换过程采用多线程技术,使得及时对于数十万单元规模的大型数值模型,用户界面都能迅速响应,并及时提示当前转换进度,而不会出现界面卡顿。 （不少于500字,不超过2000字）