[發明專利]一種復雜地質條件下邊坡三維有限元網格生成方法

有效

• 申請號: 201711189215.2
• 申請日: 2017-11-24
• 公開（公告）號: CN107886573B
• 公開（公告）日: 2020-07-14
• 發明（設計）人: 徐衛亞;李彪;閆龍;俞雋;吉華;程志超
• 申請（專利權）人: 河海大學
• 主分類號: G06T17/05
• 分類號: G06T17/05;G06T17/30;G06F30/23
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙) 32204
• 代理人: 吳飛

本發明公開一種復雜地質條件下邊坡三維有限元網格生成方法，包括如下步驟：1)基于CAD平臺提取地形等高線和地質界面高程點數據；2)建立目標范圍平面投影的網格節點數據；3)基于反距離插值方法構建目標范圍內的三維網格節點數據；4)創建規定節點次序的網格節點及單元，得到三維有限元網格；5)檢查生成的有限元網格質量，如不合格，返回步驟3)，重新生成有限元網格。該方法提供了一種切實可行的有限元網格劃分思路，能夠高效率、高精度地建立復雜地質條件下的邊坡三維有限元計算網格，可以有效控制有限元網格的質量和數量，可重復性強、不需要簡化處理、有限元計算效果較好。

技術領域

本發明涉及一種三維有限元網格生成方法，特別涉及一種復雜地質條件下邊坡三維有限元網格生成方法，屬于水利工程及巖土工程領域。

背景技術

近年來，隨著我國西南地區水利工程建設的發展，隨之帶來了眾多高邊坡問題，巖石邊坡是否安全穩定影響到工程本身的正常運行，巖體邊坡穩定分析與評價已經成為巖土工程領域的熱點問題。

通常采用有限元分析方法(FEM)進行工程結構計算與分析，其中有限元網格的質量決定了數值計算的精度與速度。但是，有限元網格生成過程復雜、困難，特別是我國西南地區山地眾多，地質條件復雜，三維有限元網格劃分難度極大，常常需要多次返工和模型處理，網格劃分需要耗費大量的人力和時間，而且可能劃分的網格質量仍然較差，造成有限元模擬效果較差，甚至不能求解等問題。此外，通用的商業軟件面對復雜的幾何模型時，常常簡化處理等高線和地質界面等控制面，劃分網格時不能有效控制網格數量和質量，造成有限元計算量極大，仿真計算效果較差。

發明內容

發明目的：本發明針對現有技術中邊坡三維建模難度大、通用商業軟件無法有效控制有限元網格數量和質量等問題，提供一種復雜地質條件下邊坡三維有限元網格生成方法，該方法可以高精度、高效率地實現邊坡智能化有限元網格劃分，用于有限元分析與計算。

技術方案：本發明所述的一種復雜地質條件下邊坡三維有限元網格生成方法，包括如下步驟：

1)基于CAD平臺提取邊坡等高線和地質界面高程點數據；

2)建立目標范圍平面投影的網格節點數據；

3)根據等高線和地質界面高程點數據以及平面網格節點數據，基于反距離插值方法構建目標范圍內的三維網格節點數據；

4)創建規定節點次序的網格節點及單元，得到三維有限元網格；

5)檢查生成的有限元網格質量，如不合格，返回步驟3)，重新生成有限元網格。

具體的，步驟1)中，利用CAD軟件編輯邊坡等高線和不同地質界面的多段線POLYLINE圖元，并定義在不同圖層中，然后采用Fortran語言編程讀取圖元中的多段線節點坐標數據，讀入的多段線坐標即為等高線和地質界面的高程點坐標，從而能得到邊坡等高線和各地質界面上高程點的空間X、Y、Z三向坐標信息。

當邊坡等高線或地質界面上高程點數量不足時，可在多段線POLYLINE圖元內采用等分方式在多段線相鄰節點之間添加高程控制點，提高后續步驟中進行反距離插值的精度。

上述步驟2)中，可先確定有限元計算范圍，給定有限元網格平面投影范圍，然后采用平面內兩個方向等分方式，生成目標范圍網格節點的X、Y坐標數據，記錄節點的行數和列數。

上述步驟3)中，目標范圍內的三維網格節點數據的構建方法為：首先確定目標范圍的最低高程，采用反距離插值方法，根據步驟2)獲得的目標范圍內平面網格節點的X、Y坐標數據以及步驟1)獲得的等高線和地質界面高程點數據，插值得到平面網格節點的Z坐標信息，生成網格劃分的三維控制面的點云數據；然后以等高線或地質界面為源面，下一層地質界面為目標面，采用掃略的方式向下平移直至最低高程，獲得目標范圍內的三維網格節點數據，并記錄節點的層數。