CN103336854A - 一种高边坡三维有限元模型的建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种高边坡三维有限元模型的建模方法，包括如下步骤：（1）获取具有高边坡三维等高线信息的CAD数据；（2）利用CAD软件提取高精度的三维等高线数据；（3）构建基于Kriging插值算法的高边坡Grid数据；（4）重获基于Grid数据的高边坡dat数据；（5）创建高边坡的空间节点及空间单元；（6）基于ANSYS有限元二次开发程序自动绘制三维节点及单元；（7）生成不等距间隔的三维有限元模型。本发明方法建立的高边坡三维有限元模型，精度高、效率快、可重复性强、不需简化处理、仿真效果极佳而且计算效果好。

Description

一种高边坡三维有限元模型的建模方法

技术领域

本发明涉及一种水利与土木工程中的高边坡三维有限元模型的建模方法。

背景技术

建国以来，我国修建的堤坝有8.5万座，尤其在最近几年间，小湾、锦屏、拉西瓦、天生桥、溪洛渡、龙滩、双江口等大型的水电项目使我国变成了世界上最大规模水电能源开发的国家，也随之带来了众多的高边坡问题。

L.Muller教授指出“边坡是岩石力学中最简单的问题，可是大家至今都认为不能很好的解决它”。岩石边坡是否稳定涉及到工程本身及整体环境量的安全，岩体高边坡的研究以极高成为当前岩体工程界非常热的研究方向。

特高坝的研究仍处于探索阶段，对于特高坝与周围高边坡相互作用一直是坝工界关注的热点和难题。有限元分析法（FEM）已经成为目前工程中结构分析的主流方法，但其建模过程复杂、多变，尤其较复杂的高边坡三维有限元建模其困难极大、仿真效果较差、建模速度较低、且精度较差，一般高边坡的三维有限元仿真建模需耗费较长时间，而且可能会造成多次的返工甚至建模问题过多造成有限元模型不能计算等各种不可预见的问题。由于上述问题存在使得绝大多数的科研精力都耗费在前期高边坡三维有限元建模上，对于其后期处理等重要研究环节考虑过少，不但不能很好的解决实际遇到的工程问题而且耗费了大量的宝贵时间，使得水利工程多专业三维协同设计难以实现，使得工程研究进展缓慢，进而影响了水利工程社会、经济效益的最大化。

实际工程中又有其独特的一面，没有一款通用的商业软件是专门为具体工程所单独设计的，所以需要根据实际工程中具体问题，整合多个软件的优点结合相应的二次开发来满足具体工程的需要。

数值仿真实验分析技术已经成为土木工程领域科研、设计环节一项基本的研究手段，但是目前为止，在该领域针对高边坡建模因为地形及其复杂，基本是简化建模，但是其工作量仍巨大，急需要一套参数化、智能化高边坡精确、快速三维建模系统。

基于上面实际研究中遇到的问题及现状，及水利工程高边坡三维有限元模型建模中的困难严重影响了对高边坡的研究。

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，提供一种精度高、效率快、可重复性强、不需简化处理、仿真效果极佳而且计算效果好的高边坡三维有限元模型的建模方法。

技术方案：本发明所述的高边坡三维有限元模型的建模方法，包括如下步骤：

（1）获取具有高边坡三维等高线信息的CAD数据；

对于土木工程中的高边坡问题，其CAD数据是地勘人员绘制的关于边坡的重要数据信息，是工程中最重要的数据信息之一，其具备该高边坡的X、Y、Z三向坐标信息，并且该数据信息能极为准确的反映边坡地形地貌，且一般精度较高，对于分析该高边坡有重要意义，基于上述考虑，首先要获取具有高边坡三维等高线信息的CAD数据；

（2）利用CAD软件提取高精度的三维等高线数据：利用CAD将所有的图形元素定义为Entity（实体），将需要提取高程数据的多段线定义在一个图层中，使用LW Lightweight Polyline和SelectionSet提取高程数据，并保存在一个dat文件中，通过上述方法提取包含空间X、Y、Z三向坐标数据信息的高程点数据；

（3）构建基于Kriging插值算法的高边坡Grid数据：基于Golden Software Surfer软件，将获取的dat文件保存在Excel中，将要提取高程数据范围的最大、最小值设定为数据提取的判断依据，后将不需要的高程数据删除处理，仅保留需建模高程数据；然后基于Sufer软件使用Kriging插值算法根据具体工程的需要绘制需要精度的高边坡网格数据； 

（4）重获基于Grid数据的高边坡dat数据：根据高边坡网格数据，使用Sufer软件操作获取插值之后的高边坡的空间节点的X、Y、Z三向坐标信息；

（5）创建高边坡的空间节点及空间单元，对空间节点进行自动有序编号，使其成为可以识别的空间节点；使用APDL语言构建空间高边坡每一个有限单元的节点组合次序；

（6）基于ANSYS有限元二次开发程序自动绘制三维节点及单元；

（7）将通过ANSYS构建的高边坡三维空间单元导入Hypermesh软件，将高边坡空间三维单元在Hypermesh软件生成最终的不等距间隔三维有限元模型。

本发明与现有技术相比，其有益效果是：本发明方法建立的高边坡三维有限元模型，精度高、效率快（建模时间只需要几分钟时间）、可重复性强、不需简化处理、仿真效果极佳而且计算效果好，对于土木工程尤其水利工程中的高边坡三维有限元建模提供了一种全新的思路和切实可行的办法，突破了传统方法只能基于DXF手动建模，建模操作冗杂、低效、低精度、低仿真效果且不能很好的适应实际问题。

附图说明

图1为高边坡空间节点排序示意图；

图2为高边坡空间单元及节点示意图；

图3为一种高边坡三维有限元模型的建模方法实现过程示意图；

图4为某水利工程高边坡CAD图；

图5为某水利工程高边坡Grid图；

图6为基于Kriging插值某水利工程高边坡3D图；

图7为某水利工程高边坡基于APDL语言编制的三维节点及单元图；

图8为某水利工程高边坡三维有限元图；

图9为某水利工程高边坡空间节点排序示意图；

图10为某水利工程高边坡空间单元示意图。

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：本发明所述高边坡三维有限元模型的建模方法，其实现的过程示意图如图3所示，包括如下步骤：

（1）获取具有高边坡三维等高线信息的CAD数据；

对于土木工程中的高边坡问题，其CAD数据是地勘人员绘制的关于边坡的重要数据信息，是工程中最重要的数据信息之一。其具备该高边坡的X、Y、Z三向坐标信息，并且该数据信息能极为准确的反映边坡地形地貌，且一般精度较高，对于分析该高边坡有重要意义，基于上述考虑，首先要获取该高边坡的CAD高精度数据信息。基于上述原理及思路，获取了某水利水电工程的高边坡三维等高线数据。

（2）利用CAD软件提取高精度的三维等高线数据

为了能够最大限度的利用好珍贵的高精度CAD数据，基于其基本原理结合CAD软件的VBA接口，开发自动提取高边坡高精度三向数据信息的程序：利用CAD将所有的图形元素定义为Entity，将需要提取高程数据的多段线定义在一个图层中，使用LW Lightweight Polyline和SelectionSet提取高程数据，并保存在一个dat文件中；

通过上述程序的基本原理，将某水电工程的高边坡高程数据保存到同一个图层中，后使用Convert快捷键将二维多段线做相应处理，然后使用二次开发的程序将某工程的等高线数据提取到dat文件中，通过该方法提取了841125个高程点数据，这些数据是包含空间X、Y、Z三向坐标的数据信息。

（3）构建基于Kriging插值算法的高边坡Grid数据

基于Golden Software Surfer软件，将获取的dat文件保存在Excel中，将要提取高程数据范围的最大、最小值设定为数据提取的判断依据，后将不需要的高程数据删除处理，仅保留需建模高程数据；然后基于Sufer软件使用Kriging插值算法根据具体工程的需要绘制需要精度的高边坡网格数据； 

将某高边坡的841125个高程数据提取后最好保存到Excel中，开发自动提取高边坡目标数据信息的程序：将目标高程数据范围的最值设定为提取数据的判断依据，后对不需要的高程数据进行删除处理，仅保留需建模高程数据；将某些本工程不需要或者不研究的高程数据直接删除掉或者使用插值之后再将不需要的数据删除掉，只保留有用的784779个高程点数据，使用Kriging插值算法将该高边坡数据差值为80×80网格数据文件。

（4）重获基于Grid数据的高边坡dat数据

根据高边坡网格数据，使用Sufer软件操作获取插值之后的高边坡空间节点的X、Y、Z三向坐标信息；根据上面步骤筛选之后的数据信息，可以获得目标高程数据的三向坐标信息，本高边坡可以获取6400个节点三向坐标信息。

（5）创建高边坡的空间节点及空间单元，对空间节点进行自动有序编号，使其成为可以识别的空间节点；使用APDL语言构建空间高边坡每一个有限单元的节点组合次序；对某水利工程高边坡6400个节点进行了按照规定次序的编号，具体见附图10。

为了更直观表达高边坡空间四个节点及其位置，绘制了其示意图，具体见附图1，其中m表示行，n表示列，a表示初始行，b表示初始列，且在附图1中由于是相邻单元所以n为1，行列对于空间任意节点来讲，其都是独一无二，即每一个节点都只有且只能有某一组行列来表示，这样空间的节点就可以使用行列来唯一确定。因为6400个数据是全部堆放在一起的，不能得知行数及列数，进而不能确定其单元空间次序，基于该点考虑，用VBA程序编制了该精度下自动计算行列的程序，据此，确定了高边坡空间节点的行数和列数信息，以及将高边坡空间节点位置使用行列信息进行标注，从而确定高边坡空间中任意有限单元的位置，并且对其标记记录，规定其次序原则，并且编制某水利工程高边坡的6400个节点按序组成的空间单元的程序，通过编制程序预生成某水利工程高边坡三维有限元模型6241个面单元。

根据ANSYS有限元软件开放的源代码及建模原理，为了更清晰地表述高边坡建模流程，绘制了其高边坡空间某单元及建模节点过程示意图，具体见附图2，基于上述节点的行列位置信息及节点编号编制了基于高边坡三维节点的建模单元的程序：规定了空间单元节点组合次序，可以批量处理高边坡空间任意精度下任意四边形单元建模次序。

（6）基于ANSYS有限元二次开发程序自动绘制三维节点及单元；

使用ANSYS的二次开发语言APDL将某水利工程高边坡按序排列的节点、单元数字化信息、材料参数及单元类型等前处理相关信息编制成一个自动生成高边坡三维空间节点及空间面单元的建模程序，据此编制了某水利工程高边坡6400个节点、6241个单元及单元类型等前处理程序组成的APDL建模程序。

（7）将通过ANSYS构建的高边坡三维空间单元导入Hypermesh软件，将高边坡空间三维单元在Hypermesh软件中生成最终的不等距间隔三维有限元模型。

使用6241个细化单元仿真模拟了某水利工程的高边坡，使用Hypermesh软件相关建模功能，建立了高边坡三维空间不等间距的细化模型，统计共建124820个单元，其单元最小的雅克比为0.97（最理想化状态下雅克比为1），接近最理想考虑的状态，表明其计算收敛效果较佳，也验证了该方法的准确、合理性，建模速率快且单元质量较高。

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)

1.一种高边坡三维有限元模型的建模方法，其特征在于包括如下步骤：

（1）获取具有高边坡三维等高线信息的CAD数据；

（2）利用CAD软件提取高精度的三维等高线数据：利用CAD将所有的图形元素定义为Entity，将需要提取高程数据的多段线定义在一个图层中，使用LW Lightweight Polyline和SelectionSet提取高程数据，并保存在一个dat文件中，通过上述方法提取包含空间X、Y、Z三向坐标数据信息的高程点数据；

（3）构建基于Kriging插值算法的高边坡Grid数据：基于Golden Software Surfer软件，将获取的dat文件保存在Excel中，将要提取高程数据范围的最大、最小值设定为数据提取的判断依据，后将不需要的高程数据删除处理，仅保留需建模高程数据；然后基于Sufer软件使用Kriging插值算法根据具体工程的需要绘制需要精度的高边坡网格数据； 

（4）重获基于Grid数据的高边坡dat数据：根据高边坡网格数据，使用Sufer软件操作获取插值之后的高边坡的空间节点的X、Y、Z三向坐标信息；

（5）创建高边坡的空间节点及空间单元，对空间节点进行自动有序编号，使其成为可以识别的空间节点；使用APDL语言构建空间高边坡每一个有限单元的节点组合次序；

（6）基于ANSYS有限元二次开发程序自动绘制三维节点及单元；

（7）将通过ANSYS构建的高边坡三维空间单元导入Hypermesh软件，将高边坡空间三维单元在Hypermesh软件生成最终的不等距间隔三维有限元模型。

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