[發(fā)明專利]復(fù)雜壩基拱壩三維有限元四面體網(wǎng)格自動剖分方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201811138818.4
• 申請日: 2018-09-28
• 公開（公告）號: CN109472046A
• 公開（公告）日: 2019-03-15
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 熊堃;周華;王志宏;花俊杰;吳超;殷鳴
• 申請（專利權(quán)）人: 長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究有限責(zé)任公司
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 武漢開元知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 42104
• 代理人: 陳家安;李衛(wèi)

本發(fā)明公開了一種復(fù)雜壩基拱壩三維有限元四面體網(wǎng)格自動剖分方法，所述方法中計算機建立均質(zhì)條件下的壩體壩基四面體背景網(wǎng)格；將壩體橫縫及壩基中各種結(jié)構(gòu)面，在三維空間中作為切割面投放在背景網(wǎng)格中；針對每一個切割面，根據(jù)其在背景網(wǎng)格上的切割位置，對每一個四面體背景網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格重新生成，直至所有的切割面投放處理完畢；優(yōu)化重生網(wǎng)格的質(zhì)量，完成建模工作。本發(fā)明通過實現(xiàn)有限元網(wǎng)格自動剖分，可大大減少前期處理工作量，有效縮短有限元模型建立時間，提高研究水平與效率。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及計算機應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種復(fù)雜壩基拱壩三維有限元四面體網(wǎng)格自動剖分方法。

背景技術(shù)

隨著我國水利水電工程技術(shù)的不斷發(fā)展，拱壩作為常見壩型，有著廣泛的應(yīng)用，特別是在我國西部的高山峽谷區(qū)，尤其適合修建高拱壩。對于壩基條件較為復(fù)雜的高拱壩，一般均采用三維有限元法進(jìn)行結(jié)構(gòu)的計算分析。有限元法分析的前提是整體結(jié)構(gòu)的離散化，即有限元網(wǎng)格剖分，對于西部地區(qū)的高拱壩而言，壩基三維空間中各種結(jié)構(gòu)面對巖體切割而形成縱橫交錯的形態(tài)，且拱壩壩體網(wǎng)格本身因具有橫縫、誘導(dǎo)縫等而存在不連續(xù)面，因此其三維有限元模型的建立是一項較為困難的工作。近年來，隨著計算機硬件的迅速發(fā)展及商用有限元軟件的廣泛應(yīng)用，超大規(guī)模結(jié)構(gòu)分析問題的求解已經(jīng)成為現(xiàn)實，而此時有限元前處理工作(即網(wǎng)格剖分)成為整個分析流程的瓶頸，極大地影響了研究效率，阻礙了應(yīng)用水平的提高。現(xiàn)階段，在三維空間中，四面體網(wǎng)格自動生成的算法已經(jīng)相當(dāng)成熟，而六面體網(wǎng)格的生成方面還沒有通用的算法，復(fù)雜三維實體的全六面體單元網(wǎng)格全自動生成問題始終未能獲得真正意義上的解決。對于具有復(fù)雜邊界條件的拱壩及其壩基而言，全六面體網(wǎng)格自動剖分更加困難。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是為了克服上述背景技術(shù)的不足，提供一種復(fù)雜壩基拱壩三維有限元四面體網(wǎng)格自動剖分方法。

為了解決上述技術(shù)問題本發(fā)明所采用的技術(shù)方案包括以下步驟：

1)建立均質(zhì)條件下的壩體壩基四面體背景網(wǎng)格；

2)將壩體橫縫及壩基中各種結(jié)構(gòu)面，在三維空間中作為切割面投放在背景網(wǎng)格中；

3)針對每一個切割面，根據(jù)其在背景網(wǎng)格上的切割位置，對每一個四面體背景網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格重新生成，直至所有的切割面投放處理完畢；

4)優(yōu)化重生網(wǎng)格的質(zhì)量，完成建模工作。

優(yōu)選地，步驟2)中壩體橫縫及壩基中各種結(jié)構(gòu)面采用無厚度的接觸單元進(jìn)行模擬，在該切割面上生成空間位置重合的雙節(jié)點信息。

優(yōu)選地，步驟2)中切割面的空間位置確定方法為：

若切割面與三維坐標(biāo)系中的其中一條坐標(biāo)軸垂直，直接采用切割面內(nèi)一個點的坐標(biāo)值確定切割面的位置；

若切割面不與三維坐標(biāo)系中的任一坐標(biāo)軸垂直，取切割面平面內(nèi)不在同一條直線上的三個點的坐標(biāo)值確定切割面的位置或取切割面平面內(nèi)一點與切割面平面的法矢量確定切割面位置。

優(yōu)選地，所述步驟3)中根據(jù)切割位置進(jìn)行網(wǎng)格重新生成的方法為：

若切割面切割四面體單元的兩個頂點和一條棱邊，原四面體被分割為兩個四面體單元；

若切割面切割四面體單元的一個頂點和兩條棱邊，原四面體被分割為一個四面體和一個四棱錐，在四棱錐底面取一點并與四棱錐的五個頂點連接，可將四棱錐分解為四個四面體，原四面體最終被分解為五個四面體單元；

若切割面切割四面體單元的三條棱邊，原四面體被分割為一個四面體和一個三棱柱，在三棱柱內(nèi)部取一點并與三棱柱的六個頂點連接，可將三棱柱分解為兩個四面體和三個四棱錐，每個四棱錐又可以被分解為四個四面體，這樣一個三棱柱可被分解為十四個四面體，原四面體最終被分解為十五個四面體單元；