CN103279985B - 一种复杂地形结构体系三维有限元模型的智能化建模方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种复杂地形结构体系三维有限元模型的智能化建模方法，主要包括如下步骤：获取三维建模范围的中心经纬度；构建GDEM数据源的高程数据；确定目标范围的Grid网格数据；重建三维目标范围Grid及创建dat数据；创建规定次序的节点及单元；生成三维面及体单元。本发明方法对解决各种土木与水利工程中遇到局部范围、较大范围、大范围复杂地形结构体系三维有限元建模提供了一种全新的思路和切实可行的技术，具有高效、快速、精准，具有参数化、智能化等优势。
Description
技术领域
本发明涉及一种土木与水利工程中复杂地形结构体系三维有限元模型的智能化建模方法。
背景技术
最近几年间世界范围内多发性地质灾害频率不断增加，尤其是最近几年间的地震、泥石流、海啸等灾害对人类造成了极大的生命财产损害，我国多自然灾害的现状尤为严重，人类对于这种复杂力学机理协同驱动下的多尺度范围复杂地形结构体系的研究一直是土木工程中的研究重点和难点。
最近几年间中央关于水利建设的一号文件，加快了我国水利事业的建设步伐，我国的大坝建设规模庞大、历时周期长、运行工况复杂，尤其高坝、特高坝的大量建设，出现了超出目前现有规范的规定范畴，对于高坝大库复杂环境体系下多因素多尺度的研究成为了水利工程目前急需解决的难题。人类对于大坝尤其是300m级特高坝的研究仍处于探索阶段，对于其与周围复杂地质地形环境的力学交互影响机理成为了坝工界关注的热点和难题。
上述两大难题都需要研究局部范围、大范围等多尺度范围全因素干扰下的地形地质结构体系，有限元分析法(FEM)是目前工程中结构分析的主要方法之一，但其建模过程操作过于冗杂，且不同工程各不相同使得三维有限元建模无统一的规律可遵循，尤其对于极为复杂的大范围下地形、地貌三维有限元建模难度极大、且效果不佳，而且会造成无法返工甚至建模单元过于畸形有限元模型不能求解等无法预知的问题。在前期三维有限元建模的精力会占据科研工作中绝大多数时间，对于其后期处理考虑甚少，使得不能很好的解决工程实际问题而且耗费了大量的精力，使得土木工程众多亟待解决的问题难以实现。
在科技飞速发展的当代，各种数据信息量之大、各种数据处理、分析、有限元建模软件之多，前所未有；能在当前海量的数据库及各种软件中根据实际工程选择合理的数据库及软件直接关系到工程问题的解决效果。通用的商业软件是面向所有可能的使用对象，不涉及具体工程，但在实际工程中，都有其本软件所可能不能满足的功能，所以根据具体工程的具体问题选择多个软件并且结合程序的开发就显得极为重要。
对局部范围、大范围、超大范围复杂地形结构三维建模困难重重，手动剖分不但可能简化了重要地形结构而且会耗费巨大的建模时间，尤其对于超大、复杂地形体系，基本上是手动操作所无实现的，因此急切需要一套智能化多尺度范围、复杂地形体系的高精确、高速三维有限元建模系统。
受到数学理论中的极限及无限逼近思想的启发，考虑使用有限多个空间较规则六面体单元来无限的拟合逼近真实情况下的无规则复杂地形结构体系。基于上面实际研究中遇到的问题及现状，考虑任意范围该复杂的三维空间地形体系需要建立三维有限元模型所带来的前所未有困难，就产生了该发明。
发明内容
发明目的：本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种多尺度复杂地形结构体系三维有限元模型的智能化建模方法，不但精度高、效率快、可重复性、可操作性强而且能极为逼真地模拟地形地貌复杂结构体系。
技术方案：本发明所述的复杂地形结构体系三维有限元模型的智能化建模方法，包括如下步骤：
(1)提取目标体系的三维空间、经纬度区间；
经纬度称为地理坐标系统，它是一种利用三度空间的球面来定义地球上的空间的球面坐标系统，能够标示地球上的任何一个位置，在确定研究范围之后，通过3D Earth或者Google Earth等通用软件确定目标范围的中心经纬度或者经纬度区间；
(2)构建基于GDEM地学数据源的高程数据：GDEM、SRTM、MODTS、NCAR等地学数据资源是中国科学院镜像美国的地学数据资源，ASTER GDEM数据源是NASA的新一代对地观测卫星Terra的详尽观测结果制作完成第二版，在国际科学数据服务平台中根据确定的经纬度范围或者中心经纬度使用GDEM数据源构建30m精度范围大地坐标下的高程数据；
(3)基于Global Mapper构建三维目标范围地形体系的Grid网格数据：GDEM高程数据中包含有Img数据，使用Global Mapper打开具有目标建模范围的Img文件，经过分层多级筛选将该数据编制为海拔网格数据(Elevation Grid Format)；
(4)重建基于Kriging插值算法的目标范围体系网格数据：基于Sufer软件将获取的海拔网格数据根据具体工程的需要，使用Kriging插值算法绘制需要的复杂地形结构体系的地形精度网格数据；
(5)基于Grid信息获取dat数据：根据最终建立的地形精度网格数据，获取空间点云(海量地形点)的X、Y、Z三维坐标；
(6)对所获得的空间点云进行次序规定，根据ANSYS有限元建模原理及其APDL语言建模要求构建符合要求的单元节点组合次序；
(7)构建多尺度复杂地形结构体系的空间三维节点及三维单元；
(8)基于Hypermesh有限元软件，将存储有多尺度范围下空间三维有限元面单元的相关数据文件生成目标三维有限元模型。
本发明与现有技术相比，其有益效果是：本发明面对多尺度范围下复杂的三维空间地形结构体系，没有从其传统的建模流程出发，本着一种批量化、数据化、流程化、智能化的思想避开其冗杂的手动建模流程，着眼于使用计算机所支持的程序语言，基于该复杂体系的特点，降低算法的复杂程度，智能化、流程化实现实际中短期内不可完成的三维复杂地形体系有限元建模问题，本发明对于亟待研究的多尺度范围复杂地形体系，具有高精度、高效、高仿真效果、模型单元质量高、适用范围极广等众多优点。
附图说明
图1为本发明方法智能化建模方法实现过程示意图；
图2为复杂地形结构体系空间某节点排序示意图；
图3为复杂地形结构体系空间某单元示意图；
图4为实施例中某研究区域的地形地貌图；
图5为实施例中某研究区域的GDEM图；
图6为实施例中某研究区域的网格数据图；
图7为实施例中某研究区域复杂空间体插值图；
图8为实施例中某研究区域复杂地形结构体系空间节点及单元示意图；
图9为实施例中某研究区域三维有限元模型结果图；
图10为实施例中复杂空间体某节点排序示意图；
图11为实施例中复杂空间体某单元示意图。
具体实施方式
下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。
实施例1：本发明所述的多尺度范围下复杂地形结构体系三维有限元模型的智能化建模方法，其实现的过程示意图如图1所示，包括如下步骤：
(1)提取目标体系的三维空间、经纬度区间；
经纬度称为地理坐标系统，它是一种利用三度空间的球面来定义地球上的空间的球面坐标系统，能够标示地球上的任何一个位置，在确定研究范围之后，通过3D Earth或者Google Earth等软件确定目标范围的中心经纬度或者经纬度范围。
经纬度是一个某地形区域的数字化标识，通过确定经纬度可以实现对地形区域的准确定位，基于该研究区域基本位置，首先确定其基本中心经纬度为，经度：101.195220158°，纬度：36.0715058°。该中心经纬度可以作为后续研究的基本扩展范围体系的经纬度。
(2)构建基于GDEM地学数据源的高程数据；
GDEM、SRTM、MODTS、NCAR等地学数据资源是中国科学院镜像美国的地学数据资源，ASTER GDEM数据源是NASA的新一代对地观测卫星Terra的详尽观测结果制作完成第二版。根据确定的经纬度范围或者中心经纬度使用GDEM数据源构建30m精度范围大地坐标下的高程数据。
基于GDEM数据平台，为了更加准确地构建建模范围，一般是圈定稍大范围经纬度，然后根据GDEM数据按照一个经度或者一个纬度的变化搜索特点，对所获得所有的数据根据中心经纬度、快速图形显示及对应范围的经纬度范围进行二次搜索，然后准确确定目标建模范围，最后获得30m精度的高程信息。
在GDEM数据源中对于本复杂体系三维建模需要的最大经纬度范围，根据确定的中心经纬度基本选定经纬度范围为经度：99°～103°；纬度：34°～38°；根据比对中心经纬度、经纬度范围及快速视图多层筛选最终确定与实际建模范围一致的区域，并且获取该经纬度下的高程数据，具体见附图4。
(3)基于Global Mapper构建三维目标范围地形体系的Grid网格数据；
GDEM高程数据中包含有Img数据，使用Global Mapper打开具有目标建模范围的Img文件，经过分层多级筛选将该数据编制为海拔网格数据。
使用Global Mapper14打开具有目标建模范围的Img文件，可以在其获得建模范围的高程信息，经过多次试验研究，处理成xyz或者text file数据文件速度极慢，且容易出错，故建议在此处应获得Elevation Grid Format格式数据，处理效率最高最快。为了其他用途需要，也可以在获得高程信息后得到其DXF文件，然后导入有限元建模软件中进行手动建模，基于本问题的背景不建议使用该方法，但是本处给出了一种没有高程数据仍需要使用该数据建模的一种高程数据获取、建模思想。
根据中心经纬度(经度：101.195220158°，纬度：36.0715058°)选定了某工程区域的高程数据，根据该GDEM数据包获得该研究区域的三维数据信息，由于获取的数据仍为较大范围的三维数据信息，在该实际工程中其范围仍需二次精确搜索，故使用Gobal Mapper中”Draw a Box”操作选定精确需要的范围，具体见附图5。
(4)重建基于Kriging插值算法的目标范围体系网格数据；
Kriging插值算法为光滑内插方法的一项实用空间估计技术，应用随机函数理论不仅考虑待估点位置与已知数据位置的相互关系，而且还考虑变量的空间相关性，在水工程或者其他土木工程中，为了不同领域研究的需要，可能对建模网格的精度要求不同，在确定了建模精度需要之后，可以根据实际需要使用Kriging插值算法，将需要的建模范围差值为需要的建模精度。基于Sufer软件根据具体工程体系的需要使用Kriging插值算法构造指定精度的网格数据。
基于其基本原理，使用Kriging插值算法将复杂体系插值成为200*200的网格数据，即40000个节点，具体见附图6。在其中可以通过三维空间结构体的差值图来再次回馈需要研究的某工程的范围及地形地貌，具体见附图7。
(5)基于Grid信息获取dat数据：根据最终建立的网格式数据，获取空间点云的X、Y、Z高程向三维坐标。
为了对复杂地形结构体的空间组成节点进行排序及单元的按序生成，需要获得40000个节点其空间三维基本信息，据此构建了该批次复杂体系的节点基本建模数据信息源。对于可能不需要的数据信息本发明也提供了一种数据的处理方法，即使用Excel中的宏功能，编写自动删除数据的程序：对于已明确的、无关的或者需缩减的数据信息范围进行判断及删除或者相应的数据信息位置、量级、正负等需要二次修正的项目进行处理。
(6)通过开发程序对所获得的多尺度范围下空间点云及空间海量单元空间节点进行次序规定，根据ANSYS有限元建模原理及其APDL语言建模要求构建符合要求的单元节点组合次序。
基于ANSYS程序开放的建模源代码及原理，其结构体系单元建模的节点及建模单元过程示意图见图2、3，根据其基本建模原理，编制了基于空间点云多尺度范围复杂地形结构体系三维单元建模程序：附图2中m、n表示行、列，通过m和n确定了其建构空间的节点位置，据此，编程确定任意精度下自动确定空间点云位置的程序：其空间节点是由m、n确定的，则确定每一个节点的m、n值即可确定其位置，对其标识则可以识别其空间点云另一种位置数组信息；通过分析复杂体系的空间三维构建单元的节点源分堆组合次序，将空间节点按序分堆组合，构建批量处理多尺度复杂地形体系下目标精度空间单元建模次序。
对需研究体系的40000个节点按照规定次序的进行了编号处理，见附图10；批量产生了按序分堆组合下39601个预组建目标单元，具体见附图11。
(7)基于ANSYS的APDL语言开发自动构建多尺度复杂地形结构体系的空间三维节点及三维单元。
根据类似于FORTRAN77的程序设计语言部分和1000多条ANSYS命令组成的APDL语言(ANSYS Parametric Design Language)编制了该复杂体系下三维建模的程序：包括了空间三维点云、三维坐标信息及预建构海量单元信息，构建其单元类型，并且切换至建模界面，清空最开始所有无关的其他信息等建模操作。
在建模实验中，由于多尺度复杂地形体系数据量过大，自动建模时间较长，不符合对快速建模的更高要求，且错误纠正周期相对较长，故需寻找一种最好的数据存储、运行方式，经过多次的尝试试验探究，建议不在ANSYS的CommandPrompt窗口中输入编制的APDL建模语言，因为数据量较大其运行速度会极慢，当节点数据大于一万时，其运行速率会急速降低，运行时间为txt文件的几百倍甚至几千倍，对于该复杂结构体系的海量数据信息建议在ANSYS文件中使用包含APDL语言建模的txt文件，该文件运行速度不受其他因素干扰，该实例复杂结构体的结果见附图8。
(8)基于Hypermesh有限元软件，将存储有多尺度范围下空间三维有限元面单元的相关数据文件生成目标三维有限元模型。
包含有该复杂地形结构体系空间三维有限元面单元的cdb文件使用Hypermesh软件相关建模功能建立了三维空间的细化模型，使用空间六面体单元逼真模拟了多尺度复杂地形结构体系。本工程实例统计共建792020个单元，对于可以表征单元质量的雅克比(雅克比是指衡量四边形有限元单元背离理想形状的程度，即积分点处最小雅克比与最大雅克比的比值，最理想状态其值为1)来看，该实例单元最小的雅克比为0.99，表明其单元质量极佳，对于该发明的准确、合理性是一种强力的验证。体现了该发明使用有限来无限趋近无限，使用有限来模拟无限的一种极限和逼近思想的可验性，该实例复杂地形结构体的三维空间有限元模型的最终结果见附图9。
如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上作出各种变化。
Claims (1)
1.一种复杂地形结构体系三维有限元模型的智能化建模方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)提取目标体系的三维空间、经纬度区间；
(2)构建基于GDEM地学数据源的高程数据：在国际科学数据服务平台中根据确定的经纬度范围或者中心经纬度使用GDEM数据源构建30m精度范围大地坐标下的高程数据；
(3)基于Global Mapper构建三维目标范围地形体系的Grid网格数据：GDEM高程数据中包含有Img数据，使用Global Mapper打开具有目标建模范围的Img文件，经过分层多级筛选将该数据编制为海拔网格数据；
(4)重建基于Kriging插值算法的目标范围体系网格数据：基于Sufer软件将获取的海拔网格数据根据具体工程的需要，使用Kriging插值算法绘制需要的复杂地形结构体系的地形精度网格数据；
(5)基于Grid信息获取dat数据：根据最终建立的地形精度网格数据，获取空间点云的X、Y、Z三维坐标；
(6)对所获得的空间点云进行次序规定，根据ANSYS有限元建模原理及其APDL语言建模要求构建符合要求的单元节点组合次序；
(7)构建多尺度复杂地形结构体系的空间三维节点及三维单元；
(8)基于Hypermesh有限元软件，将存储有多尺度范围下空间三维有限元面单元的相关数据文件生成目标三维有限元模型。
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