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應(yīng)用三維有限元分析礦體開挖與充填問題一直是有限元應(yīng)用領(lǐng)域的一個難題。其主要困難在于，單元節(jié)點數(shù)目多，且剛度矩陣帶寬大，因而需要較多的計算機空間和時間，空間結(jié)構(gòu)難以用圖形方式表示出來，三維網(wǎng)格自動劃分比較困難，特別是對于礦體形狀復(fù)雜、地質(zhì)剖面具有多分界面的復(fù)雜系統(tǒng)就更難，三維有限元分析數(shù)據(jù)準(zhǔn)備工作量巨大，難以用人工的辦法來完成。因此，開發(fā)和研制適合于礦體開挖與充填三維有限元計算前處理自動化系統(tǒng)，讓計算機自動完成有限元計算前處理全過程，是一項實用而有意義的課題。有限元計算前處理的主要作用是用盡可能少的輸入數(shù)據(jù)給計算機，通過前處理程序?qū)⑺鼈兘忉尦芍鞒绦蚰軌蚪邮艿男畔ⅲ赏暾挠邢拊治鏊仨毜臄?shù)據(jù)。
有限元分析所必須的數(shù)據(jù)可分為以下幾類：
(1)控制數(shù)據(jù)：主要控制程序計算流程，實現(xiàn)各種計算功能。例如，是實行靜力還是動力分析，是線性還是非線性分析，采用哪種計算方法，時間載荷步如何劃分等等。
(2)節(jié)點數(shù)據(jù)：輸入節(jié)點坐標(biāo)類型，各節(jié)點坐標(biāo)值，以及結(jié)點約束的信息。
(3)單元組數(shù)據(jù)：輸入單元組類型、該單元組單元總數(shù)、數(shù)值積分點選取、材料選取、材料模式、力學(xué)模式(線性或非線性)、各單元的節(jié)點編號(拓撲數(shù)據(jù))。
(4)材料數(shù)據(jù)：輸入各單元組材料模式所需各種材料參數(shù)。
(5)邊界條件數(shù)據(jù)：包括力邊界條件和位移邊界條件。
(6)載荷數(shù)據(jù)；輸入各種載荷情況，如集中力、分布力、重力等，它們均可設(shè)為時間的函數(shù)。上述6種數(shù)據(jù)為有限元分析所需的最基本的數(shù)據(jù)。過去，人們在用有限元解決實際問題時，需要準(zhǔn)備大量的數(shù)據(jù)，花去相當(dāng)多的時間，有時占總工作量的50%。前處理第一個任務(wù)就是如何減少各種數(shù)據(jù)輸入量，僅給出一些控制參數(shù)，其它所需參數(shù)由程序自動生成。特別是數(shù)據(jù)，它們是輸入數(shù)據(jù)量最大的部分，也是最容易出錯的部分。前處理的另一個功能是節(jié)點編號優(yōu)化。采用自動生成的節(jié)點編號不一定是程序運算最優(yōu)節(jié)點編號。為了使矩陣帶寬優(yōu)化，提高運算效率，增添此部分功能是很有必要的。
為解決上述問題，研制了一個適合于礦體開挖與充填施工過程的三維有限元計算前處理自動化系統(tǒng)AUTOFEM(3D)。該系統(tǒng)實現(xiàn)了三維有限元前處理各步驟和有限元分析等內(nèi)容的自動化，通過控制平臺，菜單提示，用戶可以按方向鍵或號碼選項，進行任意步驟的操作，既避免了使用者出錯的機會，又大大提高了有限元計算的效率。
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