CN111027244B - 一种百亿级颗粒模型的构建方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种百亿级颗粒模型的构建方法，依次通过1)利用制图软件构建实际物体的等比例数字模型；2)将待构建物体的数字模型离散成由若干个规则排布的简单三维形体构成的有限元模型；3)对每个三维形体赋予与其相应的颗粒数据和材料信息，并存储为若干个几何信息文件；4)基于步骤S3得到的数据筛选结果生成百亿级颗粒模型或包含任意指定位置的局部模型；该方法采用数据量非常小的有限元几何模型进行压缩表征，在保证可视化的前提下，有效地避免了“显存容量限制模型规模大小”的瓶颈，该方法改变传统的数值计算流程，使CPU能够更快地对数据进行存取，解决了海量计算结果的存储、耗时问题。

Description

一种百亿级颗粒模型的构建方法
技术领域
本发明涉及数字模型构建技术领域，特别涉及一种百亿级颗粒模型的构建方法。
背景技术
在岩石工程领域，对大型实体结构采用数值计算的方法进行研究已逐渐成为一种重要的研究方法，但是庞大的计算量需求一直是制约其工程应用的重要瓶颈因素，而高性能计算的发展为解决该问题提供了机遇。根据前期研究，建立100亿的单元需要消耗内存约20TB，单从内存需求上看，利用我国目前的高性能计算硬件计算百亿量级的实际工程问题已经成为可能，例如，华为的32路小型机“昆仑”的最大内存容量可以达到32TB。但是当计算模型达到百亿量级的时候，前处理和后处理以及硬盘的数据读存往往成为瓶颈，例如，对于百亿颗粒模型的显示问题，普通的图形工作站无法胜任，特别是前处理软件无法对如此大规模的模型进行有效的编辑。此外，大规模的求解结果还会产生海量的数据文件，进而导致模拟结果的后处理困难。现有的数值模拟方法在类似于“昆仑”小型机及类似的超大内存云计算平台上无法执行百亿级别数值单元的数值计算以解决工程实际问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种在保证可视化的前提下采用数据量非常小的有限元几何模型进行压缩表征，从而有效地避免了“显存容量限制模型规模大小”的瓶颈，的百亿级颗粒模型的构建方法。
在岩石工程领域，对大型实体结构采用数值计算的方法进行研究时，有效地模拟大规模问题需要的单元数量将异常庞大，也意味着前、后处理的数据量异常庞大，进而导致两方面的问题：首先，几何结构的复杂性和可能存在的误操作使得在前处理过程中必须实时的进行检查，即“可视化”必不可少，但计算机非常有限的显存容量限制了“可视化建模”的规模；其次，对于大规模问题，模型文件的读取和结果文件的存储所需的时间非常长，所需的存储空间也是巨大的，两者都有可能超出可承受的范围。这些方面的限制使得海量离散模型的实际应用变得很困难。
为此，本发明技术方案如下：
一种百亿级颗粒模型的构建方法，具体步骤如下：
S1、利用制图软件构建实际物体的等比例数字模型；
S2、采用三维有限元网格来表征待构建物体的数字模型：利用有限元软件，将待构建的数字模型离散成由若干个简单三维形体构成的有限元模型；
在该步骤中，简单三维形体可以为四面体结构、梯形台结构、四棱锥结构等凸面体结构，其构成的有限元模型仅用来表征数字模型的几何信息，不参与数值计算；这一步骤的目的是将记录庞大的数字模型的原始表征文件拆解为多个远远小于原始表征文件的几何文件，进而实现大规模四维弹簧模型的压缩表征；
S3、对每个三维形体赋予与其相应的颗粒数据和材料信息，并存储为若干个几何信息文件；其中，材料信息为该三维形体对应实体的材料信息，其为已知材料的分类号；颗粒数据为构成该三维形体的多个二维图形的坐标点集
优选，在步骤S3中，颗粒数据的获取方法为：
S301、构建一个用于生成数字模型的点阵型坐标系；
S302、对点阵坐标系内的每个点进行赋值，作为候选颗粒；
S303、依次判断候选颗粒是否落入每个三维形体内：取坐标原点P0与一个三角形组成的四面体为单纯形子域；设该三角形组成的四面体的顶点坐标为：P0(0,0,0)，P1(x1,y1,z1)，P2(x2,y2,z2)，P3(x3,y3,z3)，
则其带有符号的单纯形体积为：J为4*4矩阵；
单元体积的计算公式为：V＝ΣVs i，
设定某候选颗粒的坐标为P(xt,yt,zt)，计算该点与三角形片组成的单纯形体积为：J为4*4矩阵；
根据公式:判断该点是否落入单元体内：当该公式成立时，则确定某一候选点是落在单元体外；当该公式不成立时，则确定某一候选点是在落在单元体外；
S204、根据上述步骤S203的判断结果，获得构成该三维形体的多个二维图形的坐标点集。
优选，在步骤S3中，所述几何信息文件为stl格式文件。
与现有技术相比，该百亿级颗粒模型的构建方法不直接建立庞大的离散颗粒模型，而是采用数据量非常小的有限元几何模型进行压缩表征，从而在保证前处理过程可视化的前提下，有效地避免了“显存容量限制模型规模大小”的瓶颈；该方法改变传统的数值计算流程，使CPU能够更快地对数据进行存取，解决了海量计算结果的存储、耗时问题。
附图说明
图1为本发明的实施例中采用百亿级颗粒模型构建方法对大坝进行数字模型构建过程中可视化进程的示意图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的说明，但下述实施例绝非对本发明有任何限制。
如图1所示，采用该百亿级颗粒模型的构建方法对大型的实体大坝的数字模型进行构建的具体步骤为：
S1、利用制图软件构建实际物体的等比例数字模型；
S2、采用三维有限元网格来表征大坝的数字模型：利用有限元软件，将待构建的大坝数字模型离散成由若干个简单三维形体构成的有限元模型；
在该步骤中，三维形体包括四面体结构、梯形台结构和四棱锥结构三种凸面体结构，其构成的有限元模型仅用来表征数字模型的几何信息，不参与数值计算；这一步骤的目的是将记录庞大的数字模型的原始表征文件拆解为多个远远小于原始表征文件的几何文件，进而实现大规模四维弹簧模型的压缩表征；
S3、对每个三维形体赋予与其相应的颗粒数据和材料信息，并存储为若干个几何信息文件；其中，材料信息为该三维形体对应实体的材料信息，其为已知材料的分类号；颗粒数据为构成该三维形体的多个二维图形的坐标点集
具体地，上述颗粒数据的获取方法为：
S301、构建一个用于生成数字模型的点阵型坐标系；
S302、对点阵坐标系内的每个点进行赋值，作为候选颗粒；
S303、依次判断候选颗粒是否落入每个三维形体内：取坐标原点P0与一个三角形组成的四面体为单纯形子域；设该三角形组成的四面体的顶点坐标为：P0(0,0,0)，P1(x1,y1,z1)，P2(x2,y2,z2)，P3(x3,y3,z3)，
则其带有符号的单纯形体积为：J为4*4矩阵；
单元体积的计算公式为：V＝ΣVs i，
设定某候选颗粒的坐标为P(xt,yt,zt)，计算该点与三角形片组成的单纯形体积为：J为4*4矩阵；
根据公式:判断该点是否落入单元体内：当该公式成立时，则确定某一候选点是落在单元体外；当该公式不成立时，则确定某一候选点是在落在单元体外；
S304、根据上述步骤S203的判断结果，获得构成该三维形体的多个二维图形的坐标点集。
在上述过程中，各几何信息文件均采用stl格式文件，便于使用计算机对其进行存储和读取。
经过测试，该大坝模型采用目前的直接建立庞大的离散颗粒模型的思路预计需要计算的颗粒数104866784个，而采用本申请的百亿级颗粒模型的构建方法，对数字模型整体进行离散并对离散后的若干个三维形体的颗粒模型表面的数据进行计算，使需要计算的颗粒数减少为1628029个，有效减少数据处理量的同时还能够保证可视要求和高度近似度的模型模拟的要求。

Claims (2)

1.一种百亿级颗粒模型的构建方法，其特征在于，步骤如下：
S1、利用制图软件构建实际物体的等比例数字模型；
S2、采用三维有限元网格来表征待构建物体的数字模型，即将待构建的数字模型离散成由若干个规则排布的简单三维形体构成的有限元模型；
S3、对每个三维形体赋予与其相应的颗粒数据和材料信息，并存储为若干个几何信息文件；其中，材料信息为该三维形体对应实体的材料信息，其为已知材料的分类号；颗粒数据为构成该三维形体的多个二维图形的坐标点集；
在步骤S3中，颗粒数据的获取方法为：
S301、构建一个用于生成数字模型的点阵型坐标系；
S302、对点阵坐标系内的每个点进行赋值，作为候选颗粒；
S303、依次判断候选颗粒是否落入每个三维形体内：取坐标原点P0与一个三角形组成的四面体为单纯形子域；设该三角形组成的四面体的顶点坐标为：P0(0,0,0)，P1(x1,y1,z1)，P2(x2,y2,z2)，P3(x3,y3,z3)，
则其带有符号的单纯形体积为：J为4*4矩阵，
单元体积的计算公式为：
设定某候选颗粒的坐标为P(xt,yt,zt)，计算该点与三角形片组成的单纯形体积为：J为4*4矩阵；
根据公式:判断该点是否落入单元体内：当该公式成立时，则确定某一候选点是落在单元体外；当该公式不成立时，则确定某一候选点是在落在单元体外；
S304、根据上述步骤S303的判断结果，获得构成该三维形体的多个二维图形的坐标点集；
S4、基于步骤S3得到的数据筛选结果生成百亿级颗粒模型或包含任意指定位置的局部模型。
2.根据权利要求1所述的百亿级颗粒模型的构建方法，其特征在于，在步骤S3中，所述几何信息文件为stl格式文件。
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Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2014094410A1 (zh) * 2012-12-20 2014-06-26 中国科学院近代物理研究所 颗粒流动仿真系统和方法
CN106446421A (zh) * 2016-09-28 2017-02-22 桂林电子科技大学 一种基于图像识别的快速有限元建模和求解分析方法
CN107729667A (zh) * 2017-10-26 2018-02-23 天津大学 基于四维空间理论的三维空间球体填充算法
CN109063275A (zh) * 2018-07-12 2018-12-21 西安电子科技大学 基于feap的三维多晶微观结构材料模型的构建方法
WO2019010859A1 (zh) * 2017-07-13 2019-01-17 山东大学 一种高致密度离散颗粒多相体系的建模方法
CN109979009A (zh) * 2019-03-04 2019-07-05 天津大学 一种具有功能梯度的胶结颗粒材料三维细观数字模型重构方法

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8560286B2 (en) * 2011-03-31 2013-10-15 Dem Solutions Limited Method and apparatus for discrete element modeling involving a bulk material

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2014094410A1 (zh) * 2012-12-20 2014-06-26 中国科学院近代物理研究所 颗粒流动仿真系统和方法
CN106446421A (zh) * 2016-09-28 2017-02-22 桂林电子科技大学 一种基于图像识别的快速有限元建模和求解分析方法
WO2019010859A1 (zh) * 2017-07-13 2019-01-17 山东大学 一种高致密度离散颗粒多相体系的建模方法
CN107729667A (zh) * 2017-10-26 2018-02-23 天津大学 基于四维空间理论的三维空间球体填充算法
CN109063275A (zh) * 2018-07-12 2018-12-21 西安电子科技大学 基于feap的三维多晶微观结构材料模型的构建方法
CN109979009A (zh) * 2019-03-04 2019-07-05 天津大学 一种具有功能梯度的胶结颗粒材料三维细观数字模型重构方法

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