[發明專利]一種建立三維地形有限元模型的方法

在審

• 申請號: 201810199452.5
• 申請日: 2018-03-12
• 公開（公告）號: CN108520097A
• 公開（公告）日: 2018-09-11
• 發明（設計）人: 唐文虎;楊毅豪;牛哲文;馮志穎;辛妍麗
• 申請（專利權）人: 華南理工大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 廣州市華學知識產權代理有限公司 44245
• 代理人: 馮炳輝

本發明公開了一種建立三維地形有限元模型的方法，包括步驟：1)確定研究目標經緯度范圍；2)構建DEM數字高程數據；3)構建目標區域Grid網格數據；4)密化Grid網格數據；5)三維地形的有限元建模。本發明通過改進傳統建模的方法，利用COMSOL Multiphysics軟件自身特點，提出了一種快速、高精度、高效率的三維地形有限元模型的建立方法。

技術領域

本發明涉及土木與水利的技術領域，尤其是指一種利用COMSOL Multiphysics軟件建立三維地形有限元模型的方法。

背景技術

目前，有限元已經成為工程數值分析的重要工具。在土木工程領域，運用有限元法可以進行邊坡穩定、隧道開挖等工程問題的數值模擬。在風工程研究領域中，可以通過流固耦合技術，研究流體在固體表面的變化現象。而這一類的研究，僅僅憑二維模型是很難以全面反映問題本質，需要應用到三維地形有限元建模技術。

在現有有限元軟件中，如ANSYS、ABAQUS、COMSOL等，都無法很方便直接構建地形模型，因此需要建立一種快速、高精度、高效率的三維地形有限元模型的建立方法。其中，COMSOL Multiphysics是一款通用的多物理場建模與工程仿真軟件平臺，廣泛應用于聲學、結構力學、光學、燃料電池、化學反應、流體力學、電磁學等多個領域的科學研究以及工程計算，被當今世界科學家稱為“第一款真正的任意多物理場直接耦合分析軟件”，其軟件內置高程函數及軟件自帶數據處理方法可以方便快速地建立三維地形有限元模型。

發明內容

本發明是針對現有大型有限元軟件中無法直接構建三維地形模型的問題，利用COMSOL Multiphysics軟件具備的快速建立高程模型、強大耦合能力等特點，提出了一種快速、高精度、高效率的建立三維地形有限元模型的方法。

為實現上述目的，本發明所提供的技術方案為：一種建立三維地形有限元模型的方法，包括以下步驟：

1)確定研究目標經緯度范圍；

2)構建DEM數字高程數據：是指從集成的遙感數據中提取含有經緯度信息的矢量數據，通過在中國科學院數據云獲取對以確定區域構建GDEMDEM 30M分辨率數字高程數據；

3)構建目標區域Grid網格數據：是基于Global Mapper軟件進行的，通過上步所建立的數字高程數據進行編輯，生成等高線，并將含有經緯度信息的數據轉換為含有xyz坐標的點云數據；

4)密化Grid網格數據：是基于Surfer軟件，利用Kriging插值算法，對步驟3)所輸出的點云數據進行數據插值擬合，將點云數據均勻密化，形成復雜地形結構體系的地形精度網格數據，并將數據存為COMSOL Multiphysics軟件可識別的DEM高程文件格式。

5)三維地形的有限元建模：是基于COMSOL Multiphysics軟件，通過“高程”函數，導入上步所構建的數據，并進行進一步的數據擬合，利用軟件布爾運算的方法，去除建模過程中生成的多余對象，完善并構建三維地形有限元模型。

本發明與現有技術相比，具有如下優點與有益效果：

1、本發明方法是在COMSOL Multiphysics商業軟件基礎上，相對于其他大型商業有限元軟件，COMSOL Multiphysics在多物理場耦合、后處理與可視化有著更強大的優勢，其可以通過各附加模塊及其LiveLink產品與MATLAB、CAD、SOLIDWORKS無縫連接，方便在后期開展更加復雜的研究。

2、本發明方法實現了通用軟件的專業化，降低了軟件的使用門檻。同時本發明通過改進傳統建模的方法，利用COMSOL軟件自身特點，如數據內插、參數化面等功能，結合Kriging插值算法，提出了一種快速、高精度、高效率的三維地形有限元模型的建立方法。

附圖說明