CN108520097A - 一种建立三维地形有限元模型的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种建立三维地形有限元模型的方法，包括步骤：1)确定研究目标经纬度范围；2)构建DEM数字高程数据；3)构建目标区域Grid网格数据；4)密化Grid网格数据；5)三维地形的有限元建模。本发明通过改进传统建模的方法，利用COMSOL Multiphysics软件自身特点，提出了一种快速、高精度、高效率的三维地形有限元模型的建立方法。

Description

一种建立三维地形有限元模型的方法

技术领域

本发明涉及土木与水利的技术领域，尤其是指一种利用COMSOL Multiphysics软件建立三维地形有限元模型的方法。

背景技术

目前，有限元已经成为工程数值分析的重要工具。在土木工程领域，运用有限元法可以进行边坡稳定、隧道开挖等工程问题的数值模拟。在风工程研究领域中，可以通过流固耦合技术，研究流体在固体表面的变化现象。而这一类的研究，仅仅凭二维模型是很难以全面反映问题本质，需要应用到三维地形有限元建模技术。

在现有有限元软件中，如ANSYS、ABAQUS、COMSOL等，都无法很方便直接构建地形模型，因此需要建立一种快速、高精度、高效率的三维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场建模与工程仿真软件平台，广泛应用于声学、结构力学、光学、燃料电池、化学反应、流体力学、电磁学等多个领域的科学研究以及工程计算，被当今世界科学家称为“第一款真正的任意多物理场直接耦合分析软件”，其软件内置高程函数及软件自带数据处理方法可以方便快速地建立三维地形有限元模型。

发明内容

本发明是针对现有大型有限元软件中无法直接构建三维地形模型的问题，利用COMSOL Multiphysics软件具备的快速建立高程模型、强大耦合能力等特点，提出了一种快速、高精度、高效率的建立三维地形有限元模型的方法。

为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：一种建立三维地形有限元模型的方法，包括以下步骤：

1)确定研究目标经纬度范围；

2)构建DEM数字高程数据：是指从集成的遥感数据中提取含有经纬度信息的矢量数据，通过在中国科学院数据云获取对以确定区域构建GDEMDEM 30M分辨率数字高程数据；

3)构建目标区域Grid网格数据：是基于Global Mapper软件进行的，通过上步所建立的数字高程数据进行编辑，生成等高线，并将含有经纬度信息的数据转换为含有xyz坐标的点云数据；

4)密化Grid网格数据：是基于Surfer软件，利用Kriging插值算法，对步骤3)所输出的点云数据进行数据插值拟合，将点云数据均匀密化，形成复杂地形结构体系的地形精度网格数据，并将数据存为COMSOL Multiphysics软件可识别的DEM高程文件格式。

5)三维地形的有限元建模：是基于COMSOL Multiphysics软件，通过“高程”函数，导入上步所构建的数据，并进行进一步的数据拟合，利用软件布尔运算的方法，去除建模过程中生成的多余对象，完善并构建三维地形有限元模型。

本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：

1、本发明方法是在COMSOL Multiphysics商业软件基础上，相对于其他大型商业有限元软件，COMSOL Multiphysics在多物理场耦合、后处理与可视化有着更强大的优势，其可以通过各附加模块及其LiveLink产品与MATLAB、CAD、SOLIDWORKS无缝连接，方便在后期开展更加复杂的研究。

2、本发明方法实现了通用软件的专业化，降低了软件的使用门槛。同时本发明通过改进传统建模的方法，利用COMSOL软件自身特点，如数据内插、参数化面等功能，结合Kriging插值算法，提出了一种快速、高精度、高效率的三维地形有限元模型的建立方法。

附图说明

图1为本发明方法的流程图。

图2为本发明实施例的研究目标范围。

图3为本发明实施例的密化等高线数据。

图4为本发明实施例在COMSOL Multiphysics软件中所构建的模型。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步的说明。

本实施例通过改进传统建模的方法，利用COMSOL Multiphysics软件自身特点，提出了一种快速、高精度、高效率的三维地形有限元模型的建立方法。如图1所示，所述方法包括以下步骤：

1)确定研究目标经纬度范围：在此确定研究目标广州市白云山，经度范围为113.2786°E–113.3174°E，纬度范围为23.1583°N–23.2171°N。地图参见图2所示。

2)构建DEM数字高程数据：是指从集成的遥感数据中提取含有经纬度信息的矢量数据，通过在中国科学院数据云获取对以确定区域构建GDEMDEM 30M分辨率数字高程数据。

3)构建目标区域Grid网格数据：是基于Global Mapper软件进行的，通过上步所建立的数字高程数据进行编辑，生成等高线，并将含有经纬度信息的数据转换为含有xyz坐标的点云数据。

4)密化Grid网格数据：是基于Surfer软件，利用Kriging插值算法，对上述步骤所输出的点云数据进行数据插值拟合，将点云数据均匀密化，形成复杂地形结构体系的地形精度网格数据，参见图3所示，并将数据存为COMSOL Multiphysics软件可识别的DEM高程文件格式。

5)三维地形的有限元建模：是基于COMSOL Multiphysics软件，通过“高程”函数，导入上步所构建的数据，并进行进一步的数据拟合，利用软件布尔运算的方法，去除建模过程中生成的多余对象，完善并构建三维地形有限元模型，如图4所示。

以上所述实施例只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (1)

1.一种建立三维地形有限元模型的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)确定研究目标经纬度范围；

2)构建DEM数字高程数据：是指从集成的遥感数据中提取含有经纬度信息的矢量数据，通过在中国科学院数据云获取对以确定区域构建GDEMDEM30M分辨率数字高程数据；

3)构建目标区域Grid网格数据：是基于Global Mapper软件进行的，通过上步所建立的数字高程数据进行编辑，生成等高线，并将含有经纬度信息的数据转换为含有xyz坐标的点云数据；

4)密化Grid网格数据：是基于Surfer软件，利用Kriging插值算法，对步骤3)所输出的点云数据进行数据插值拟合，将点云数据均匀密化，形成复杂地形结构体系的地形精度网格数据，并将数据存为COMSOL Multiphysics软件可识别的DEM高程文件格式。

5)三维地形的有限元建模：是基于COMSOL Multiphysics软件，通过“高程”函数，导入上步所构建的数据，并进行进一步的数据拟合，利用软件布尔运算的方法，去除建模过程中生成的多余对象，完善并构建三维地形有限元模型。