CoSim 在数字岩体力学中的应用（1）：数字岩体模型生成
1.概述
岩体作为自然界中一种复杂的地质体，其内部发育有规模不同、性质各异的地质结构面，这些不连续面的尺寸相差较大，可以从不足一米延伸至数公里，对工程结构的影响至为重要。裂隙（IV级结构面）作为地表岩体中广泛分布的不连续结构面，在三维空间中会形成复杂的裂隙网络，从而对岩体的强度、稳定性、渗透特征等有重要的影响甚至起到控制作用。因此，在进行岩体的力学、稳定性及渗流等特征计算分析时，构建合理的岩体结构面网络至关重要！以“数字岩体”为基础的数值试验及稳定性评价，可以很好实现岩体结构力学及稳定性分析。
CoSim-DEM 及FDEM 模块为研究岩体结构力学及稳定性提供有力的支撑。为了便于用户快速建立“数字岩体”模型进行相关力学研究及工程分析，将陆续推出“CoSim 在数字岩体力学中的应用”系列文章。
2.准备工作
（1）安装DfnWorks 和 Gmsh 两个开源程序，详细请看安装说明。
（2）下载代码包“Digital_RockMass”，下载地址见文后。
图1 Digital_RockMass 程序包
3.生成随机结构面网络
打开“GenDFN.py”文件
（1）修改文件中结构面族“DFN_Families”列表
根据所要生成的结构面组数，增加或减少列表中的字典组数。如图2表示，生成两组结构面，各参数说明如图2所示：
图2 结构面簇定义
通过定义“Joint_Shape”参数，设置生成的结构面形状:rect为四边形裂隙，ell为椭圆形裂隙。
（a）四边形结构面 (b)椭圆形结构面
图3 结构面形态定义
（2）设置generate_dfn()函数函数
如下图，表示在x=[-65，65],y=[-50,50],z=[-40,40]的空间域内生成结构面网络，其他参数说明参见图示。
图4 设置结构面生成函数
（3）生成随机结构面网络
python GenDFN.py
运行完后，在运行目录下生成了一个“Project”文件夹，其下包含了两个文件：
“DFN_net.dat”：结构面网络多边形文件
“DFN_normal_vectors.dat”：结构面法向信息文件
运行“Gen_Attitude.py”脚本，生成结构面产状的文件"Joints_Attitude.dat"如下，可以据此绘制结构面玫瑰花图及极点等密度图等。
图5 Joints_Attitude.dat文件结构
4.生成数字岩体模型
打开“GenDFN.py”文件，共分3个步骤：
（1）创建几何模型
文件中带有多个典型几何模型生成方法，当然也可以通过导入外部CAD 文件（如，*.igs，*.stp）等方式，创建几何体。
图6显示了采用断面拉升生成一个边坡的几何模型。
图6 通过断面拉伸生成实体几何模型
(2) 嵌入结构面文件
由于采用DfnWorks生成结构面的范围以（0,0,0）为中心，而实际的几何模型并非一定以原点为中心，需要对其进行平移。dx,dy,dz为结构面网络的空间平移大小。
设置结构面几何形态参数，Joint_Shape。
图7 结构面嵌入设置
（3）设置单元大小
设置划分网格大小及单元输出函数mesh_and_physcial_groups()的参数，图8。
图8 单元大小设置
图9显示了各参数的几何意义。
图9 各参数的意义
图10显示了生成的单元及结构面。生成的模型四面体单元输出为*.msh文件，结构面文件可以输出为*.stl文件或*.msh文件，以为CoSim 软件计算分析所用。
图10 模型文件
5.数字岩体应用与分析
图11显示了将生成的四面体网格文件“volume.msh”和结构面文件“Joints.stl”后，建立的数字岩体边坡模型，为后续稳定分析提供基础。
图11 模型导入CoSim-DEM
将输出的结构面产状文件Joints_Attitude.dat，可以直接导入水利云计算平台（THC,www.meggs.hydr.tsinghua.edu.cn/thc/index.html#/index）的“结构面统计分析”模块,绘制极点等密度图和走向玫瑰花图等，进行统计分析。
（a）极点等密度图
（b）走向玫瑰花图
图12 结构面统计分析
CoSim试用版下载地址
https://pan.baidu.com/s/1yljXY2mBTUltWSumFB_JZg?pwd=MEGG提取码: MEGG
撰稿：徐文杰
编辑：刘霖
