CN103400413B - 组独有边界单元面的无厚度3节点衬砌单元智能构建方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种组独有边界单元面的无厚度3节点衬砌单元智能构建方法，可实现任意形状衬砌单元的构建，亦可实现分组建立衬砌单元，在建立数值模型过程时，不需要考虑衬砌单元的构建；衬砌构建所需时间少，特别是构建复杂结构的衬砌单元时，效率高，精确性强；本发明针对岩土工程领域中数值模拟分析模型中单元间的拓扑关系，得出单元面间的拓扑关系，然后搜索出模型中每个或若干材料组的独自边界单元面，进而实现了数值模型衬砌单元的构建。

Description

组独有边界单元面的无厚度3节点衬砌单元智能构建方法

技术领域

本发明属于土木工程及水利工程等工科数值分析领域，具体涉及一种组独有边界单元面的无厚度3节点衬砌单元智能构建方法。

背景技术

地下工程中，衬砌支护是一种非常重要的加固措施。数值模拟则是解决工程问题的一种重要方法。利用数值模拟方法分析衬砌受力特性及其对地下工程的加固效果时，需要建立无厚度3节点衬砌单元来模拟工程中的衬砌结构。由于在建立3节点衬砌单元时，要求所建立的衬砌单元必须依附在某个材料组边界单元外表面，衬砌单元的3个节点必须与构成该单元面的节点相同，即共用相同节点且所有3节点衬砌单元法线方向均一致，故对于一些简单的规则模型，如圆形直线分布或方形直线分布隧洞来说，在建立衬砌单元时，虽然可指定圆形隧洞半径或者方形隧洞的边界单元表面坐标确定来确定某个材料组边界单元外表面，进而来构建衬砌单元，但对于复杂不规则隧洞或者地下厂房却往往很难通过几何关系来确定某个材料组边界单元外表面，衬砌单元构建难度重重，几乎不可能快速正确地构建衬砌单元。

因此，需要一种衬砌单元构建方法以实现上述功能。

发明内容

发明目的：本发明的目的是针对现有技术存在的不足，提供一种组独有边界单元面的无厚度3节点衬砌单元智能构建方法。

技术方案：为实现上述发明目的，本发明组独有边界单元面的无厚度3节点衬砌单元智能构建方法可采用如下技术方案：

一种组独有边界单元面的无厚度3节点衬砌单元智能构建方法，包括以下步骤：

1）、根据分步开挖和分步浇筑的规则构建三维地质模型，对所述三维地质模型进行有网格剖分建立数值模型，对数值模型信息进行检索，建立数值模型信息库，所述数值模型信息包括：节点信息、单元信息和材料组信息，所述节点信息包括节点编号和坐标；所述单元信息包括单元编号、单元类型和单元包含的节点编号；所述材料组信息包括材料组编号和每个材料组包含的单元编号，所述节点编号均为8个，所述单元类型包括6面体单元、5面体锥形单元、5面体棱柱形单元或4面体单元，其中，节点排列符合右手坐标系；

2）、按单元体拆分规则将需要建立衬砌单元的材料组边界单元拆分为不重复编号单元面，所述单元面的信息包括单元面编号、单元面类型、节点编号顺序和拓扑关系，所述单元面类型为4节点单元面或3节点单元面，其中，6面体单元拆分为6个4节点单元面，5面体锥形单元拆分为1个4节点单元面和4个3节点单元面，5面体棱柱形单元拆分为3个4节点单元面和2个3节点单元面，4面体单元拆分为4个3节点单元面，初始化拆分所得单元面的拓扑类型为材料组内部单元面，建立单元面信息面板，将单元面信息面板与数值模型信息库联接起来；

3）、遍历需要建立衬砌单元的所有材料组，对每个材料组中的全部单元面进行一次单元拓扑关系检索，将每个材料组的全部单元面分为face_total1个组内部单元面和face_total2个组边界单元面；再次遍历需要建立衬砌单元的所有材料组，对每个材料组face_total2个组边界单元面进行二次单元拓扑关系检索，将每个材料组face_total2个组边界单元面分为face_total3个组独有边界单元面和face_total4个组相接边界单元面；

4）、遍历需要建立衬砌单元的所有材料组，根据数值模型信息库对每个材料组face_total3个组独有边界单元面类型及节点排列顺序进行检索，若该材料组独有边界单元面类型为4节点单元面，则将此4节点单元面拆分为2个3节点单元面，并利用这2个3节点单元面的信息建立无厚度3节点衬砌单元，若该材料组独有边界单元面为3节点单元面，则直接根据此3节点单元面信息建立无厚度3节点衬砌单元，遍历所有需要建立衬砌单元的材料组即可实现衬砌单元的智能构建。

更进一步的，步骤2）中每个材料组单元面总数=该材料组6面体单元个数*6+该材料组5面体单元个数*5+该材料组4面体单元个数*4。

更进一步的，步骤2）中将材料组边界单元拆分为不重复编号单元面的规则为：根据单元节点将单元体拆分为单元面，按照右手坐标系，大拇指方向指向单元体内部，四指环绕方向为单元面节点排列顺序进行节点编号。

更进一步的，步骤3）中对每个材料组的单元面进行一次单元拓扑关系检索时，依次对每个材料组的全部单元面进行循环判断，若在材料组内不存在与该单元面相同和部分相同的单元面，则该单元面为组边界单元面，更新该单元面的拓扑关系为组边界单元面，遍历需要建立衬砌单元的所有材料组，则每个材料组的全部单元面被分为face_total1个内部单元面和face_total2组边界单元面，对每个材料组的face_total2个组边界单元面进行二次单元拓扑关系检索时，依次对face_total2个组边界单元面进行判断，若其他材料组中不存在与该组边界单元面相同和部分相同的组边界单元面，则此组边界单元面属于该组所独有，更新该组边界单元面的拓扑关系为组独有边界单元面，并将所有需要建立衬砌单元的材料组中单元面拓扑关系为组边界单元面的单元面拓扑关系更新为组相接单元面，遍历需要建立衬砌单元的所有材料组，将每个组中的face_total2个组边界单元面分为face_total3个组独有边界单元面和face_total4个组相接边界单元面。

更进一步的，单元面相同的类型包括4节点单元面与4节点单元面相同和3节点单元面与3节点单元面相同，单元面部分相同的类型包括4节点单元面与3节点单元面部分相同。

更进一步的，步骤1）中，所述六面体单元的8个节点编号各不相同；所述五面体棱柱形单元有6个节点编号是不相同的，其中编号为7的节点与编号为4的节点共用一个模型节点，编号为8的节点与编号为6的节点共用一个模型节点；所述五面体锥形单元有5个节点编号不相同，其中，编号为6、7、8的节点与编号为4的节点共用一个模型节点；所示四面体单元有4个节点编号不相同，其中编号为6、7、8的节点与编号为4的节点共用一个模型节点，编号为5的节点与编号为3的节点共用一个模型节点。

有益效果：与背景技术相比，本发明组独有边界单元面的无厚度3节点衬砌单元智能构建方法：

（1）可实现任意形状衬砌单元的构建，亦可实现分组建立衬砌单元，在建立数值模型过程时，不需要考虑衬砌单元的构建；

（2）衬砌构建所需时间少，特别是构建复杂结构的衬砌单元时，效率高，精确性强；

本发明针对岩土工程领域中数值模拟分析模型中单元间的拓扑关系，得出单元面间的拓扑关系，然后搜索出模型中每个或若干材料组的独自边界单元面，进而实现了数值模型衬砌单元的构建。

附图说明

图1为六面体单元的网格结构图；

图2为五面体棱柱形单元的网格结构图；

图3为五面体锥形单元的网格结构图；

图4为四面体单元的网格结构图；

图5为4节点单元面与4节点单元面相同图；

图6为4节点单元面与3节点单元面部分相同图；

图7为3节点单元面与3节点单元面相同图；

图8为数值模型信息库图；

图9为单元面信息面板图；

图10为4节点组独有单元边界面建立衬砌单元图，1—4节点单元面(abcd)法相，2—拆分后的3节点单元面的法相(abd)，3—拆分后的3节点单元面(bcd)的法相；

图11为3节点组独有单元边界面建立衬砌单元图，1—3节点单元面(abc)；

图12建立衬砌单元程序；

图13三维模型；

图14围岩模型；

图15三心隧道模型；

图16搜寻的组独有单元边界面；

图17建立的3节点衬砌单元图；

图18衬砌单元的法相图，1—衬砌单元，2—衬砌单元法向。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

请参阅图1、图2和图3所示，本发明的组独有边界单元面的无厚度3节点衬砌单元智能构建方法，包括以下步骤：

1）、考虑实际工程中分步开挖和分步浇筑的原则，建立三维地质模型，利用图中规定的单元进行网格剖分，对数值模型进行信息检索，数值模型信息库。数值模型信息包括节点信息、单元信息、材料组信息，其中节点信息包含节点编号和坐标，单元信息包含单元的8个节点编号、单元类型(六面体单元，五面体锥形单元，五面体棱柱形单元，四面体单元)及单元包含的节点编号，其中，材料组信息包含材料组编号、每个材料组包含的单元编号。利用数值模型拓扑关系，采用至顶向下的思想，建立数值模型信息库，如图8所示。

图1所示的六面体单元的8个节点编号各不相同；图2所示的五面体棱柱形单元有6个节点编号是不相同的，其中编号为7的节点与编号为4的节点共用一个模型节点，编号为8的节点与编号为6的节点共用一个模型节点；图3所示的五面体锥形单元有5个节点编号不相同，其中编号为6、7、8的节点与编号为4的节点共用一个模型节点；图4所示四面体单元有4个节点编号不相同，其中编号为6、7、8的节点与编号为4的节点共用一个模型节点，编号为5的节点与编号为3的节点共用一个模型节点。

2）、对需要建立衬砌单元的每个材料组按照单元体拆分规则进行单元拆分，建立单元面信息面板如图9所示，将其与数值模型信息库相连接。其中单元体拆分为单元面的规则为：根据单元节点将单元体拆分为单元面，按右手坐标系下，大拇指方向指向单元体内部，四指环绕方向为单元面节点排列顺序进行节点编号。

请参阅图1、图2、图3和图4所示，

六面体单元可以拆分为6个4节点单元面，各单元面的节点分别为1352，4786，1463，2587，3685，1274；

五面体锥形单元可以拆分为1个4节点单元面和4个3节点单元面，各单元面节点分别为1352，254，143，345，124；

五面体棱柱形单元可以拆分为3个4节点单元面和2个3节点单元面，各单元面节点分别为1352，2564，1463，365，124；

四面体单元可以拆分为4个3节点单元面，各单元面的节点分别为132，234，143，124；

图8为建立的单元面的信息面板，将单元面信息面板通过单元节点编号与单元信息面板联系起来，每个单元面信息包括单元编号、单元面编号、单元面类型，单元面包含节点、单元面拓扑关系，并将单元面拓扑关系初始化为组内部单元面。

3）、对需要建立衬砌单元的每个材料组的全部单元面进行一次单元面拓扑关系检索。遍历每个材料组的全部单元面，判断在该材料组内是否存在与该单元面相同或部分相同的单元面。

单元面相同的类型包括4节点单元面与4节点单元面相同和3节点单元面与3节点单元面相同，单元面部分相同的类型包括4节点单元面与3节点单元面部分相同。

图5为单元面相同的类型中4节点单元面与4节点单元面相同：六面体单元a中一个4节点单元面的节点顺序为2587，五面体棱柱形单元b中一个4节点单元面的节点顺序为2785，构成每个单元面的节点是相同的。

图6为单元面相同的类型中4节点与3节点单元面部分相同：六面体单元a中一个4节点单元面的节点顺序为2587，四面体单元b中一个3节点单元面的节点顺序为275，构成这两个单元面的节点有3个是相同的。

图7为单元面相同的类型中3节点单元面与3节点单元面相同。四面体单元a中一个3节点单元面的节点顺序为234，四面体单元b中一个3节点单元面的节点顺序为243，构成这两个单元面的节点是相同的。

若在组内不存在与该单元面相同或部分相同的单元面，则此单元面为组边界单元面，更新其单元面拓扑关系为组边界单元面；循环结束后，每个组的全部单元面被分为face_total1个内部单元面和face_total2个组边界单元面。

然后对需要建立衬砌单元的每个材料组的face_total2个组边界单元面进行二次单元面拓扑关系检索。遍历每个材料组中的face_total2个组边界单元面，判断在其他材料组中是否存在与此组边界单元面完全相同或部分相同的边界单元面。若在其他组中不存在与该组边界单元面完全相同的和部分相同的组边界单元面，则此组边界单元面属于该组所独有，将此组边界单元面的单元面拓扑关系更新为组独有边界单元面。循环结束后，将每个组中单元面拓扑关系为组边界单元面的单元面拓扑关系更新为组相接单元面，这些单元面属于组与组相连接的单元面。二次单元面拓扑关系检索后，将每个组中的face_total2个组边界单元面分为face_total3个组独有边界单元面和face_total4个组相接边界单元面。

4）、遍历需要建立衬砌单元的材料组，根据数值模型信息库对每个材料组face_total3个组独有边界单元面的类型及单元面的节点排列顺序进行检索，若该材料组独有边界单元面的类型为4节点单元面，则根据4节点单元面拆分规则，可将此4节点单元面拆分为两个3节点单元面，利用这两个3节点单元面信息根据衬砌单元建立规则建立无厚度3节点衬砌单元，若该组独有边界单元面为3节点单元面，则无需拆分，直接利用此3节点单元面的信息根据衬砌建立规则建立无厚度3节点衬砌单元。

4节点单元面拆分规则为：在右手坐标系下，大拇指的方向4节点单元面法相，四指环绕的方向即为拆分的3节点单元面的节点排列顺序(即保证拆分出的3节点单元面与原4节点单元面法相相同)。

3节点衬砌单元外法向方向约定：在右手坐标系下，四指沿衬砌单元节点排列顺序弯曲，大拇指指向即为3节点衬砌单元外法向方向。

3节点衬砌构建规则：①衬砌单元必须依附每个组的组独有边界单元面，且衬砌单元的节点必须共用组边界单元面的节点，②所有衬砌单元的外法向方向均一致，即衬砌单元的节点排列顺序是规则的。

图10为4节点组独有边界单元面abcd，根据4节点单元面拆分规则，可将4节点组独有边界单元面abcd分为两个3节点单元面，分别为abd和bcd，则根据这两个3节点单元面建立两个3节点衬砌单元，分别为abd和bcd；

图11为所述的3节点组独有边界单元面abc，则根据此3节点单元面建立的3节点衬砌单元为abc；

采用本发明，可以快速地、正确地在数值模型中构建衬砌单元，使原来耗时地、复杂地建立衬砌单元变为一件快速地、简单地的事情。

实施例1

某地区地下三心隧道模型，模型几何参数为：10m（长）×32m（宽）×32m（高），三心隧道的模型几何参数为：3.2m（宽）×2.9m（高），高跨比f=1/4。

请参阅图15、图16、图17和图18所示，应用本发明建立衬砌单元的步骤如下：

(1)应用六面体单元对地质模型进行网格剖分，建立数值模型（如图13）。数值模型共分为2个材料组（其中，围岩模型为材料组1（图14），三心隧道模型为材料组2（图15）），包含32960个单元和35343个节点；根据数值模型网格拓扑关系，按组建了数值模型信息库。

(2)如图15所示，对需要施加衬砌的材料组2按单元体拆分规则进行体拆分，建立单元面信息面板。

(3)搜索需要施加衬砌的组独享边界面。遍历材料组2单元拆分的所有单元面，检索单元拓扑关系，最后得到材料组2的组独享边界面，如图16所示。

(4)建立材料组2的3节点衬砌单元。根据搜索出的材料组2的组独享边界面（图16）按照3节点衬砌单元的节点排列规则（如图18所示，所有衬砌单元的法线方向均一致），建立无厚度3节点衬砌单元，如图17所示。

Claims (4)

1.一种组独有边界单元面的无厚度3节点衬砌单元智能构建方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)、根据分步开挖和分步浇筑的规则构建三维地质模型，对所述三维地质模型进行有网格剖分建立数值模型，对数值模型信息进行检索，建立数值模型信息库，所述数值模型信息包括：节点信息、单元信息和材料组信息，所述节点信息包括节点编号和坐标；所述单元信息包括单元编号、单元类型和单元包含的节点编号；所述材料组信息包括材料组编号和每个材料组包含的单元编号，所述节点编号均为8个，所述单元类型包括6面体单元、5面体锥形单元、5面体棱柱形单元或4面体单元，其中，节点排列符合右手坐标系；

2)、按单元体拆分规则将需要建立衬砌单元的材料组边界单元拆分为不重复编号单元面，所述单元面的信息包括单元面编号、单元面类型、节点编号顺序和拓扑关系，所述单元面类型为4节点单元面或3节点单元面，其中，6面体单元拆分为6个4节点单元面，5面体锥形单元拆分为1个4节点单元面和4个3节点单元面，5面体棱柱形单元拆分为3个4节点单元面和2个3节点单元面，4面体单元拆分为4个3节点单元面，初始化拆分所得单元面的拓扑类型为材料组内部单元面，建立单元面信息面板，将单元面信息面板与数值模型信息库联接起来；

3)、遍历需要建立衬砌单元的所有材料组，对每个材料组中的全部单元面进行一次单元拓扑关系检索，将每个材料组的全部单元面分为face_total1个组内部单元面和face_total2个组边界单元面；再次遍历需要建立衬砌单元的所有材料组，对每个材料组face_total2个组边界单元面进行二次单元拓扑关系检索，将每个材料组face_total2个组边界单元面分为face_total3个组独有边界单元面和face_total4个组相接边界单元面，

其中，对每个材料组的单元面进行一次单元拓扑关系检索时，依次对每个材料组的全部单元面进行循环判断，若在材料组内不存在与该单元面相同和部分相同的单元面，则该单元面为组边界单元面，更新该单元面的拓扑关系为组边界单元面，遍历需要建立衬砌单元的所有材料组，则每个材料组的全部单元面被分为face_total1个内部单元面和face_total2组边界单元面，对每个材料组的face_total2个组边界单元面进行二次单元拓扑关系检索时，依次对face_total2个组边界单元面进行判断，若其他材料组中不存在与该组边界单元面相同和部分相同的组边界单元面，则此组边界单元面属于该组所独有，更新该组边界单元面的拓扑关系为组独有边界单元面，并将所有需要建立衬砌单元的材料组中单元面拓扑关系为组边界单元面的单元面拓扑关系更新为组相接单元面，遍历需要建立衬砌单元的所有材料组，将每个组中的face_total2个组边界单元面分为face_total3个组独有边界单元面和face_total4个组相接边界单元面，

单元面相同的类型包括4节点单元面与4节点单元面相同和3节点单元面与3节点单元面相同，单元面部分相同的类型包括4节点单元面与3节点单元面部分相同；

4)、遍历需要建立衬砌单元的所有材料组，根据数值模型信息库对每个材料组face_total3个组独有边界单元面类型及节点排列顺序进行检索，若该材料组独有边界单元面类型为4节点单元面，则将此4节点单元面拆分为2个3节点单元面，并利用这2个3节点单元面的信息建立无厚度3节点衬砌单元，若该材料组独有边界单元面为3节点单元面，则直接根据此3节点单元面信息建立无厚度3节点衬砌单元，遍历所有需要建立衬砌单元的材料组即可实现衬砌单元的智能构建。

2.如权利要求1所述的组独有边界单元面的无厚度3节点衬砌单元智能构建方法，其特征在于，步骤2)中每个材料组单元面总数＝该材料组6面体单元个数*6+该材料组5面体单元个数*5+该材料组4面体单元个数*4。

3.如权利要求1所述的组独有边界单元面的无厚度3节点衬砌单元智能构建方法，其特征在于，步骤2)中将材料组边界单元拆分为不重复编号单元面的规则为：根据单元节点将单元体拆分为单元面，按照右手坐标系，大拇指方向指向单元体内部，四指环绕方向为单元面节点排列顺序进行节点编号。

4.如权利要求1所述的组独有边界单元面的无厚度3节点衬砌单元智能构建方法，其特征在于，步骤1)中，所述6面体单元的8个节点编号各不相同；所述5面体棱柱形单元有6个节点编号是不相同的，其中编号为7的节点与编号为4的节点共用一个模型节点，编号为8的节点与编号为6的节点共用一个模型节点；所述5面体锥形单元有5个节点编号不相同，其中，编号为6、7、8的节点与编号为4的节点共用一个模型节点；所述4面体单元有4个节点编号不相同，其中编号为6、7、8的节点与编号为4的节点共用一个模型节点，编号为5的节点与编号为3的节点共用一个模型节点。