CN110706343B - 应用于有限元分析的地质剖面分区赋值方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种应用于有限元分析的地质剖面分区赋值方法，属于岩土工程数值分析领域。本发明中：确定计算域，以计算域边界为轮廓建立初始几何面；从原始地质图提取地层分界线的坐标信息，投影在初始几何面上并进行切割分区运算；对区块进行参数赋值，完成地质背景层赋值；提取结构面中心线坐标信息，同时给定该结构面宽度B，由此推算该结构面两侧边界线坐标，并利用结构面边界线投影切割背景层；对整个计算域内所有区块进行搜索，区块形心距离该结构面中线距离不超过B/2的即判定为该结构面内子区块，采取该结构面材料力学参数统一赋值，距离超过B/2的判定为该结构面外子区块，保持原有值不作更新；依次完成每个结构面赋值。

Description

应用于有限元分析的地质剖面分区赋值方法
技术领域
本发明涉及岩土工程数值分析技术领域，特别涉及一种应用于有限元分析的地质剖面分区赋值方法。
背景技术
有限元分析正在工程设计中得到越来越多的应用，但是其前处理(建模)过程较为繁杂，特别是对于地质条件复杂的岩土工程分析，由于大量结构面的切割，岩土材料分区与力学参数赋值工作量极大。
目前的工程设计中，网格划分和有限元计算已经依托商用或自编软件完成，实现了效率的提升，但是前序过程，即从原始的工程地质剖面图到划分网格之前的处理仍依靠人工操作，即在CAD图纸中对每一个分块建立面域，最后再对每一个面域赋材料力学参数值，目前采用的地质剖面分区赋值方法示意图参见附图1。
地质剖面被结构面切割成的区块数量随着结构面数量的增加成倍增加，现有分区数量随着切分线条数的增加而快速增加示意图见附图2。计算分析中，若想要达到更高精度就必须模拟更多结构面或地质单元，而由此带来的地质分区和材料属性赋值工作量的增加是难以承受的，给设计分析快速化、一体化升级带来了巨大的障碍。
发明内容
本发明的目的是提供一种应用于有限元分析的地质剖面分区赋值方法，能够快速实现地质剖面的分区和赋值。
本发明解决其技术问题，采用的技术方案是：应用于有限元分析的地质剖面分区赋值方法，包括如下步骤：
步骤1、确定计算域，以计算域边界为轮廓建立初始几何面；
步骤2、从原始地质图提取地层分界线的坐标信息，投影在初始几何面上并进行切割分区运算；
步骤3、对切割生成的区块进行地质背景层材料力学参数赋值，完成地质背景层赋值；
步骤4、从原始地质图提取结构面中心线坐标信息，同时给定该结构面宽度B，由此推算该结构面两侧边界线坐标，并利用结构面边界线投影切割背景层；
步骤5、对整个计算域内所有区块进行搜索，区块形心距离该结构面中线距离不超过B/2的即判定为该结构面内子区块，采取该结构面材料力学参数统一赋值，距离超过B/2的判定为该结构面外子区块，保持原有值不作更新；
步骤6、按照步骤5依次对每一个结构面进行相同操作，完成结构面赋值。
具体的是，步骤2中，所述切割分区运算基于现有商业软件或自编工具完成。
进一步的是，步骤3中，地质背景层材料力学参数赋值的数量为有限个,一般5个左右。
具体的是，步骤5中，所述区块形心由商业软件自动计算或自编工具获得。
本发明的有益效果是，通过上述应用于有限元分析的地质剖面分区赋值方法，首先，极大地提高了有限元建模速度，若按照常规思路，分区和赋值工作量随着分界线数量的增加成倍增长，不受控，本发明使得分区和赋值工作量的增长完全受控，极大地减轻有限元前期建模的工作负担。其次，提高了岩土工程有限元分析精度，本发明以极低的代价实现大量的结构面以及地质分区的模拟，因此对于提高分析精度十分有利。另外，有利于有限元模型动态修改，本发明以分层叠加赋值的思想进行建模，下一层的分区赋值在上一层上叠加更新，对于地质信息更新或者地层处理措施施加后造成的更改等，都能通过新的一层赋值快速叠加从而实现模型的动态修改，类似于图层划分的思想，便于分析模型的动态管理。
附图说明
图1为目前采用的地质剖面分区赋值方法示意图；
图2为现有分区数量随着切分线条数的增加而快速增加示意图；
图3为本发明应用于有限元分析的地质剖面分区赋值方法的流程图；
图4为本发明应用于有限元分析的地质剖面分区赋值方法的流程示意图；
图5为本发明中分界线直接切割初始几何面生成分区示意图；
图6为本发明中结构面一次赋值示意图；
其中，Ⅱ、Ⅲ1、Ⅲ2、Ⅳ分别为不同类别的岩体，①为结构面，②为地层分界线，③为计算域边界，④为分块建立面域并赋值，a为层状地层分区，b为单线切分后的分区，c为一个结构面切分后的分区。
具体实施方式
下面结合实施例及附图，详细描述本发明的技术方案。
本发明所述应用于有限元分析的地质剖面分区赋值方法，其流程图参见图3，其流程示意图参见图4，其中，该方法包括如下步骤：
步骤1、确定计算域，以计算域边界为轮廓建立初始几何面。
步骤2、从原始地质图提取地层分界线的坐标信息，投影在初始几何面上并进行切割分区运算，其中，切割分区运算可以基于现有商业软件或自编工具完成。
步骤3、对切割生成的区块进行地质背景层材料力学参数赋值，完成地质背景层赋值，一般情况下，地质背景层材料力学参数赋值的数量在五个左右。
步骤4、从原始地质图提取结构面中心线坐标信息，同时给定该结构面宽度B，由此推算该结构面两侧边界线坐标，并利用结构面边界线投影切割背景层。
步骤5、对整个计算域内所有区块进行搜索，区块形心距离该结构面中线距离不超过B/2的即判定为该结构面内子区块，采取该结构面材料力学参数统一赋值，距离超过B/2的判定为该结构面外子区块，保持原有值不作更新，其中，区块形心可以由商业软件自动计算或自编工具获得。
步骤6、按照步骤5依次对每一个结构面进行相同操作，完成结构面赋值。
由上述描述可知，本发明具体内容可包括如下两个重要组成部分：
(1)地质剖面分区-投影切割法
摒弃原有的“分块建立面域-拼接”思路，而采用投影切割的方式，具体为，以地质剖面轮廓作为边界建立一个完整的初始几何平面，即计算域，然后直接利用地质分界线的投影切割该几何平面，从而形成多个区块，其中，地质分界线包括岩级界线和结构面界线，分界线直接切割初始几何面生成分区示意图参见附图5。
(2)分区的材料参数赋值-双层赋值法
赋值过程分两步进行：第一次赋值以天然层状地质条件作为背景地质条件，由于其分布具有一般规律性和均匀性，故本次赋值工作量很小；第二次赋值在背景层上投影出结构面界线并进行赋值，重叠区域出现两次赋值，以后一次赋值覆盖前一次，由于众多结构面对背景地层分区的切割以及结构面之间的相互切割，产生数量较大的区块。结合结构面的条带形状，采取进一步处理使得一个结构面一次性赋值完成，结构面一次赋值示意图参见附图6。
实施例
本发明实施例应用于有限元分析的地质剖面分区赋值方法，包括如下步骤：
步骤1、确定计算域，以计算域边界为轮廓建立初始几何面。
步骤2、从原始地质图提取地层分界线的坐标信息，投影在初始几何面上并进行切割分区运算。
步骤3、对切割生成的区块进行地质背景层材料力学参数赋值，完成地质背景层赋值。
步骤4、从原始地质图提取结构面中心线坐标信息，同时给定该结构面宽度B，由此推算该结构面两侧边界线坐标，并利用结构面边界线投影切割背景层。
步骤5、对整个计算域内所有区块进行搜索，区块形心距离该结构面中线距离不超过B/2的即判定为该结构面内子区块，采取该结构面材料力学参数统一赋值，距离超过B/2的判定为该结构面外子区块，保持原有值不作更新。
步骤6、按照步骤5依次对每一个结构面进行相同操作，完成结构面赋值。
本实施例中：一个地质剖面水平地层分层数为n，则每一条穿越所有地层的分界线的切割会增加n个分块，一个有限宽度的结构面包含2条分界线，则一个结构面的切割会增加2n个分块，x个结构面在相互不相交的情况下则会划分出n+2nx个分块，若出现相交则产生的分块数量更多，建模时需要对这些分块一一建立面域再进行相应的赋值。而采用本发明的方法分区赋值的数量完全可控，切割分区由软件平台自动完成，即ABAQUS,ANSYS,CATIA等计算分析或建模软件均能快速实现，赋值则包括第一次背景层赋值的n次和第二次结构面赋值的x次，总计n+x次，对比见表一。
表一
分块次数(人工操作) 赋值次数(人工操作)
现有方法 ≥n+2nx ≥n+2nx
本发明 0(自动) n+x
若按照常规思路，分区和赋值工作量随着分界线数量的增加成倍增长，不受控。本发明实施例使得分区和赋值工作量的增长完全受控，因此，极大地减轻了有限元前期建模的工作负担。

Claims (4)

1.应用于有限元分析的地质剖面分区赋值方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、确定计算域，以计算域边界为轮廓建立初始几何面；
步骤2、从原始地质图提取地层分界线的坐标信息，投影在初始几何面上并进行切割分区运算；
步骤3、对切割生成的区块进行地质背景层材料力学参数赋值，完成地质背景层赋值；
步骤4、从原始地质图提取结构面中心线坐标信息，同时给定该结构面宽度B，由此推算该结构面两侧边界线坐标，并利用结构面边界线投影切割背景层；
步骤5、对整个计算域内所有区块进行搜索，区块形心距离该结构面中线距离不超过B/2的即判定为该结构面内子区块，采取该结构面材料力学参数统一赋值，距离超过B/2的判定为该结构面外子区块，保持原有值不作更新；
步骤6、按照步骤5依次对每一个结构面进行相同操作，完成结构面赋值。
2.根据权利要求1所述的应用于有限元分析的地质剖面分区赋值方法，其特征在于，步骤2中，所述切割分区运算可以基于商用软件或自编工具完成。
3.根据权利要求1所述的应用于有限元分析的地质剖面分区赋值方法，其特征在于，步骤3中，地质背景层材料力学参数赋值的数量在五个左右。
4.根据权利要求1所述的应用于有限元分析的地质剖面分区赋值方法，其特征在于，步骤5中，所述区块形心由商用软件自动计算或自编工具获得。
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