CN111414654B - 一种分格连续数值模型检索方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种分格连续数值模型检索方法，所述方法包括如下步骤：对预构建的几何地质模型进行分割得到节点和单元结构信息；根据整体模型的节点坐标确定模型范围，将模型范围划分为若干个格子；根据单元的形心坐标估计单元所处的格子编号，将所有单元以及构成单元的面元划分到相应的格子中；对每个格子内的单元、面元进行属性分析并判断，并做剔除处理；再对所有格子间、模型边界上的面元进行二次判断剔除处理，最终根据剩余的孤立面元判断模型的几何连接问题，该方法对复杂模型检查的时间可由几天缩短到几十分钟，可明显降低模型检查的时间、并可一次性检查出多类错误，保证数值计算模型的有效性，防止因模型错误导致计算返工。

Description

一种分格连续数值模型检索方法

技术领域

本发明涉及土木工程领域，具体涉及一种分格连续数值模型检索方法。

背景技术：

数值仿真是工科力学分析的重要手段，其中以有限单元法、有限差分法为代表的连续数值方法是最为常用的数值仿真方法。采用这些方法时，要求单元必须共用节点才能正确的传递力作用，得到合理的应力结果。由于复杂的工程力学模型，如复杂的洞室群交叉联合体，建筑结构联合体等，受构筑物的复杂几何条件、结构面空间交切关系影响，很容易由于人工操作误差导致模型几何不能准确的连接，因此数值模型构建是最耗费人力的基础工作。为了搞清错误的来源，原始的方法是从点-线-面建模历程中进行检查，按照一定的顺序进行遍历，如沿着模型的坐标轴方向逐点、逐线、逐面检查，可能还需要多次反复才能找出问题所在。若模型节点、单元数目巨大，多次的返工，费时费力；或者采用编程语言对单元的组成表面进行逐一比对，从中找出边界面，通过判断模型内部没有孤立面判断模型的正确性。这些方法都需要耗费大量的时间，人工检索可能耗费数天、逐单元程序检索法需要几小时。

发明内容

本发明的目的在于提供一种分格连续数值模型检索方法，以解决现有技术中人工检索时间长的缺陷。

一种分格连续数值模型检索方法，所述方法包括如下步骤：

对预构建的几何地质模型进行分割得到节点和单元结构信息；

根据整体模型的节点坐标确定模型范围，将模型范围划分为若干个格子；

根据单元的形心坐标估计单元所处的格子编号，将所有单元以及构成单元的面元划分到具体的格子中；

对每个格子内的单元、面元进行属性分析并判断，并做剔除处理；

对所有格子间、模型边界上的面元进行二次判断剔除处理；

通过最终剩余的面元判断模型的几何连接问题。

进一步的，对预构建的几何地质模型进行分割得到节点和单元结构信息的方法包括如下步骤：

对地质模型几何进行有限分割，得到多个通过共用节点相连的4面体4节点网格对象。

进一步的，根据整体模型的节点坐标确定模型范围，将模型范围划分为若干个格子的方法包括如下步骤：

遍历所有节点的三维坐标，得出模型在x、y、z轴上的轴向坐标最大值和最小值；

将x、y、z轴方向一定长度的长方体区域定义为格子；

将x轴向格子设为行，y轴向格子设为列，z轴向格子设为排；

通过行号、列号和排号对所有格子进行编号。

进一步的，对所有格子进行编号的方法包括如下步骤：

遍历所有节点的x、y、z坐标，得出模型x轴向坐标最小值xmin，x轴向最大值xmax，y轴向最小值ymin，y轴向最大值ymax，z轴向最小值zmin以及z轴向最大值zmax；

格子定义为沿x、y、z方向具有一定长度的长方体区域，将模型区域划分为格子的过程称为分格；

设置格子在x轴向长度xlength，y轴向长度ylength，z轴向长度zlength；

设置x轴向格子为m行，y轴向格子为n列，z轴向格子为k排；

每个格子编号由行、列、排号构成，则第i行、j列、l排的格子所处的x范围为：(xmin+xlength*(i-1),xmin+xlength*i)；

y范围为：(ymin+ylength*(j-1),ymin+ylength*j)；

z范围为：(zmin+zlength*(l-1),zmin+zlength*l)。

进一步的，根据具体单元的坐标估计单元所处的格子编号，将所有单元划分到具体的格子中的方法包括如下步骤：

遍历所有四面体单元，利用构成四面体单元网格信息的4个节点坐标，计算单元的形心坐标(xcoord，ycoord，zcoord)；

其中形心x坐标、形心y坐标、形心z坐标公式分别为：

xcoord＝0.25*(x1+x2+x3+x4)；

ycoord＝0.25*(y1+y2+y3+y4)；

zcoord＝0.25*(z1+z2+z3+z4)；

根据单元形心坐标(xcoord，ycoord，zcoord)估计该形心点所处的格子编号：

行号：m1＝int((xcoord-xmin)/xlength)+1；

列号：n1＝int((ycoord-ymin)/ylength)+1；

排号：k1＝int((zcoord-zmin)/zlength)+1；

则该单元被划分到(m1,n1,k1)格子中，其中int()为取整函数。

进一步的，对每个格子内的单元、面元进行属性分析并判断，并做剔除处理的方法包括如下步骤：

遍历所有格子，将格子内的每个四面体单元拆分为4个三角形面元；

对每个格子内的面元进行判断，得到每个面元的属性；

对格子内面元进行检索，根据面元的属性做剔除以及保留处理。

进一步的，所述面元的属性包括两个或多个四面体单元公用的公用面元以及仅被一个单元体使用的孤立面元。

进一步的，根据面元的属性，对面元进行剔除以及保留处理的方法包括如下步骤：

对单个格子中的所有面元进行判断，若为公用面元则进行剔除；

若为孤立面元则进行保留；

对所有相邻的格子进行判断，若存在公用面元则进行剔除；

若为孤立面元则进行保留。

进一步的，对所有格子间、模型边界上的面元进行二次判断剔除处理的方法包括如下步骤：

对遍历格子检索后剩余的所有面元进行二次检索，若存在公用面元则进行剔除，若为孤立面元则进行保留；

利用模型边界坐标，设置容差error，剔除边界面元；

若构成面元的三个节点坐标同时满足xmin-error<x<xmin+error,则该面元为左侧边界面元；

若同时满足xmax-error<x<xmax+error,则该面元为右侧边界面元；

若同时满足ymin-error<y<ymin+error,则该面元为前侧边界面元；

若同时满足ymax-error<y<ymax+error,则该面元为后侧边界面元；

若同时满足zmin-error<z<zmin+error,则该面元为底侧边界面元；

若同时满足zmax-error<z<zmax+error,则该面元为顶侧边界面元；

对属于左侧边界面元、右侧边界面元、前侧边界面元、后侧边界面元、底侧边界面元、顶侧边界面元的6种边界面元也剔除。

进一步的，通过最终剩余的面元判断模型的几何连接问题的方法包括如下步骤：

对最终得到的孤立面元进行判断；

若模型内部出现面元，则表示模型连接存在问题；

反之则表示模型不存在几何连接问题。

本发明的优点在于：该种分格连续数值模型检索方法：

(1)所有几何体均划分为最简单的四面体单元，再对单元信息分格子自动检索，算法简单可靠，可减少对单元面积的判断，节省时间；

(2)采用单元坐标位置对单元定位检索，确定单元所处格子编号，进一步将面元归类到不同格子中，定位快速有效；

(3)按格子编号检索，输出孤立面元，分格子检索与格间二次检索相结合，大幅提高检索效率，得出模型几何潜在问题的位置；该方法可明显降低模型检查的时间，并可一次性检查出多类错误，保证数值计算模型的有效性，防止因模型错误导致计算返工。

附图说明

图1为本发明中四面体网格结构图。

图2为本发明中面元素组合关系图。

图3为本发明中划分网格后的数值模型示意图。

图4为本发明中分格计算后的孤立面元示意图。

图5为本发明中包含潜在问题面元的孤立面元示意图。

图6为本发明中检索无问题的模型孤立面元示意图。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

一种分格连续数值模型检索方法，所述方法包括如下步骤：

步骤一：对预构建的几何地质模型进行分割得到节点和单元结构信息；

对地质模型几何进行有限分割，得到多个通过共用节点相连的4面体4节点网格对象；

具体为：

对复杂几何进行四面体(三维情况)进行有限网格划分，对网格信息进行归类，得到节点信息和单元结构信息，包括节点(np)和单元数目(ne)，节点坐标，单元结构形状，由节点编号构筑成的单元结构信息等。

每个四面体四节点有限元网格对象可以画出如图1所示的空间单元体，规定编号顺序如1-2-3-4所示；则单元结构由局部节点编号构筑可写为：1234，并由单元节点的全局编号得其空间位置；

步骤二：根据整体模型的节点坐标确定模型范围，将模型范围划分为若干个格子；

遍历所有节点的三维坐标，得出模型在x、y、z轴上的轴向坐标最大值和最小值；

将x、y、z轴方向一定长度的长方体区域定义为格子；

将x轴向格子设为行，y轴向格子设为列，z轴向格子设为排；

通过行号、列号和排号对所有格子进行编号；

对所有格子进行编号的方法包括如下步骤：

遍历所有节点的x、y、z坐标，得出模型x轴向坐标最小值xmin，x轴向最大值xmax，y轴向最小值ymin，y轴向最大值ymax，z轴向最小值zmin以及z轴向最大值zmax；

格子定义为沿x、y、z方向具有一定长度的长方体区域，将模型区域划分为格子的过程称为分格；

设置格子在x轴向长度xlength，y轴向长度ylength，z轴向长度zlength；

设置x轴向格子为m行，y轴向格子为n列，z轴向格子为k排；

每个格子编号由行、列、排号构成，则第i行、j列、l排的格子所处的x范围为：(xmin+xlength*(i-1),xmin+xlength*i)；

y范围为：(ymin+ylength*(j-1),ymin+ylength*j)；

z范围为：(zmin+zlength*(l-1),zmin+zlength*l)；

具体为：

遍历所有单元的节点坐标，找出模型的左边界(xmin),右边界(xmax),前边界(ymin),后边界(ymax),下边界(zmin),上边界(zmax),尝试用一定长度x、y、z方向上分别为xlength，ylength，zlength,将所有单元所处的范围，xmin<x<xmax,ymin<y<ymax,zmin<z<zmax,利用xlength、ylength、zlength设置划分为m行，n列，k排长方体区域，或者设置x向划分m行，y向划分n列，z向划分k排，计算xlength、ylength、zlength，划分长方体区域，每个长方体区域称为一个格子；

遍历所有的ne个四面体单元，利用四个顶点计算形心坐标(xcoord，ycoord，zcoord),则该单元所处的行号为m＝int((xcoord-xmin)/xlength)+1,列号n＝int((ycoord-ymin)/ylength)+1,排号k＝int((zcoord-zmin)/zlength)+1；

步骤三：根据单元的坐标估计单元所处的格子编号，将所有单元以及构成单元的面元划分到具体的格子中；

遍历所有四面体单元，利用构成四面体单元网格信息的4个节点坐标，计算单元的形心坐标(xcoord，ycoord，zcoord)；

其中形心x坐标、形心y坐标、形心z坐标公式分别为：

xcoord＝0.25*(x1+x2+x3+x4)；

ycoord＝0.25*(y1+y2+y3+y4)；

zcoord＝0.25*(y1+y2+y3+y4)；

根据单元形心坐标(xcoord，ycoord，zcoord)估计该形心点所处的格子编号：

行号：m1＝int((xcoord-xmin)/xlength)+1；

列号：n1＝int((ycoord-ymin)/ylength)+1；

排号：k1＝int((zcoord-zmin)/zlength)+1；

则该单元被划分到(m1,n1,k1)格子中，其中int()为取整函数；

具体为：

每个四面体单元可视作由4个面元构成，对步骤1中四面体单元结构进行拆分可得四个空间面元结构，对每个面元按照顺序编号可写为：①1-2-3②1-4-2③1-3-4④2-4-3，规定每个面元符合右手定则；则ne个单元可划分为4*ne个面元；按照面元所依托单元所处的格子将面元分配到相应格子中；

步骤四：对每个格子内的单元、面元进行属性分析并判断，并做剔除处理；

遍历所有格子，将格子内的每个四面体单元拆分为4个三角形面元；

对每个格子内的面元进行判断，得到每个面元的属性；

对格子内面元进行检索，根据面元的属性做剔除以及保留处理；

所述面元的属性包括两个或多个四面体单元公用的公用面元以及仅被一个单元体使用的孤立面元；

对面元进行剔除以及保留处理的方法包括如下步骤：

对单个格子中的所有面元进行判断，若为公用面元则进行剔除；

若为孤立面元则进行保留；

对所有相邻的格子进行判断，若存在公用面元则进行剔除；

若为孤立面元则进行保留；

步骤五：对所有格子间、模型边界上的面元进行二次判断剔除处理；

包括如下步骤：

对所有面元进行二次检索，若存在公用面元则进行剔除，若为孤立面元则进行保留；

利用模型边界坐标，设置容差error，剔除边界面元；

若构成面元的三个节点坐标同时满足xmin-error<x<xmin+error,则该面元为左侧边界面元；

若同时满足xmax-error<x<xmax+error,则该面元为右侧边界面元；

若同时满足ymin-error<y<ymin+error,则该面元为前侧边界面元；

若同时满足ymax-error<y<ymax+error,则该面元为后侧边界面元；

若同时满足zmin-error<z<zmin+error,则该面元为底侧边界面元；

若同时满足zmax-error<z<zmax+error,则该面元为顶侧边界面元；

对属于左侧边界面元、右侧边界面元、前侧边界面元、后侧边界面元、底侧边界面元、顶侧边界面元的6种边界面元也剔除。

具体为：

定义若某一面元被两个及以上单元公用，如图2所示，2-4-3面元为两单元公用，则该面元为单元间正常连接，称为公用面元。若面元只出现一次，为某个单元独有，称为孤立面元；

对格子进行遍历，对每个格子中的四面体单元，检索其孤立面元，将孤立面元输出。则搜索出的孤立面元为整个模型的外部边界与格间的面元；

针对外围边界与隔间面元，进行所有面元遍历判断，将共用面元剔除，剔除格子间连接面元。此时剩余的面元应该为整个数值模型的外围边界，所有公用面元与孤立面元即被区分开；

利用整体模型都边界坐标(xmin,xmax,ymin,ymax,zmin,zmax)设置一定的容差(如0.1),将位于范围内的孤立面元视为模型边界，因此剔除。则剩下的孤立面元应为模型的非规则表面面元和潜在问题孤立面元；

步骤六：通过最终剩余的面元判断模型的几何连接问题；

将最终得到的孤立面元进行判断；

若模型内部出现面元，则表示模型连接存在问题；

反之则表示模型不存在几何连接问题。

具体为：

将最终剩余的孤立面元输出到AUTOCAD中，如发现在模型内部出现面元，则表明模型存在连接错误，如果不存在内部面元，则模型不存在几何连接问题。

潜在问题孤立单元信息一般不影响其它单元网格，因此问题面元特征是独一无二的，必然是孤立面元。模型几何错误即包含在这些孤立面元中，将所有孤立的面元写到CAD文件中3DFACE中进行显示，可视化定位，对问题进行归类。

通过以下实施例进一步对本发明的方法进行阐述：

某水电工程拱坝，由多个断层与材料构成，建模完成后有限元数值计算提示提示局部变形过大，需要检查该模型的单元节点是否正确连接。应用本发明对模型检索步骤如下：

(1)将有限元网格信息归类为节点信息和四面体单元结构信息，包括节点和单元数目，节点坐标，单元结构形状，由节点编号构筑单元结构的信息；总节点数目为51545，总单元数目为277259，模型如图3所示。

(2)对所有节点坐标进行遍历，计算出模型范围-266<x<204.36，-255<y<93.94，638.5<z<873。将整个范围x、y、z方向分别划分为5行(m＝5,xlength＝94.1)，5列(n＝5,ylength＝70.0)，1排(k＝1，zlength＝234.5),共25个格子。

对所有单元，计算单元的形心坐标，设置格子尺寸，根据形心坐标得出每个单元所处的格子行-列-排编号。

(3)遍历每个格子中的单元，将该格子内的每个4面体4节点单元拆分为4个空间面元，分析每个面元的属性。

进行网格自检索。通过各单元体的面元对应关系，分析各单元体是否满足数值计算的规则，通过判断各面元是否为两个或多个单元体公用，若为公用面元则剔除，若某面元仅被一个单元体使用则作为孤立面元。

遍历完成所有格子后，则孤立面元为整个数值模型的外表面面元、格子间连接面元、潜在问题孤立面元，如图4所示。

(4)在上一步保留下来都孤立面元中，再次进行检索，判断各面元是否为两个或多个单元体公用，若为公用面元则剔除，此时保留下来都面元为整个数值模型的外表面面元和潜在问题孤立面元。格子间连接面元已经被剔除。

(5)在上一步保留面元中，利用整体模型都边界坐标(xmin,xmax,ymin,ymax,zmin,zmax)设置一定的容差(如0.1),将位于范围内的孤立面元视为模型边界，是正常模型，因此剔除。则剩下的孤立面元应为模型的非规则表面和潜在问题孤立面元。

(6)将所有孤立面元写到CAD文件中3DFACE中，对孤立面源都位置进行可视化定位；

根据这些孤立面元属性，提示单元错误原因，并可进行归类，可以查出以下六类错误：①建模时体和体之间不共面；②某一体未划分网格；③模型单元手动编号时，单元节点编号不合有限元规则；④边界条件不平齐一致；⑤体元重叠；⑥模型边界坐标不一致。如图5为包含潜在问题面元的孤立面元，(a)部位(模型内部孤立面元位置)为①类错误造成，(b)部位(模型左侧边界面元部位)为⑥类错误造成。

模型经修改后重新用本发明进行查错，写到CAD文件中3DFACE中，得到无错误信息的检查结果如图6所示，该模型都孤立面元均为整体模型的外表面，几何体连接良好，检索通过，可用于数值计算。

利用台式机电脑(配置:处理器Intel(R)CPU-1650v33.50GHz,RAM32.00G)，设置格子数目m＝5，n＝5，k＝1,检索共耗时5分钟，如果设置格子数目m＝1，n＝1，k＝1,则耗时50分钟,该设置即为全局检索法，表明利用本专利方法进行分格检索，由于面元只需要在局部格子内检索，局部加速效果明显，检索效率显著提高约9倍，耗费时间仅为全局搜索方法的10％

由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。

Claims (1)

1.一种分格连续数值模型检索方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

对预构建的几何地质模型进行分割得到节点和单元结构信息；

根据整体模型的节点坐标确定模型范围，将模型范围划分为若干个格子；

根据单元的形心坐标估计单元所处的格子编号，将所有单元以及构成单元的面元划分到具体的格子中；

对每个格子内的单元、面元进行属性分析并判断，并做剔除处理；

对所有格子间、模型边界上的面元进行二次判断剔除处理；

通过最终剩余的面元判断模型的几何连接问题；

对预构建的几何地质模型进行分割得到节点和单元结构信息的方法包括如下步骤：

对地质模型几何进行有限分割，得到多个通过共用节点相连的4面体4节点网格对象；

根据整体模型的节点坐标确定模型范围，将模型范围划分为若干个格子的方法包括如下步骤：

遍历所有节点的三维坐标，得出模型在x、y、z轴上的轴向坐标最大值和最小值；

将x、y、z轴方向一定长度的长方体区域定义为格子；

将x轴向格子设为行，y轴向格子设为列，z轴向格子设为排；

通过行号、列号和排号对所有格子进行编号；

对所有格子进行编号的方法包括如下步骤：

遍历所有节点的x、y、z坐标，得出模型x轴向坐标最小值xmin，x轴向最大值xmax，y轴向最小值ymin，y轴向最大值ymax，z轴向最小值zmin以及z轴向最大值zmax；

格子定义为沿x、y、z方向具有一定长度的长方体区域，将模型区域划分为格子的过程称为分格；

设置格子在x轴向长度xlength，y轴向长度ylength，z轴向长度zlength；

设置x轴向格子为m行，y轴向格子为n列，z轴向格子为k排；

每个格子编号由行、列、排号构成，则第i行、j列、l排的格子所处的x范围为：(xmin+xlength*(i-1),xmin+xlength*i)；

y范围为：(ymin+ylength*(j-1),ymin+ylength*j)；

z范围为：(zmin+zlength*(l-1),zmin+zlength*l)；

根据具体单元的形心坐标估计单元所处的格子编号，将所有单元划分到具体的格子中的方法包括如下步骤：

遍历所有四面体单元，利用构成四面体单元网格信息的4个节点坐标，计算单元的形心坐标(xcoord，ycoord，zcoord)；

其中形心x坐标、形心y坐标、形心z坐标公式分别为：

xcoord＝0.25*(x1+x2+x3+x4)；

ycoord＝0.25*(y1+y2+y3+y4)；

zcoord＝0.25*(z1+z2+z3+z4)；

根据单元形心坐标(xcoord，ycoord，zcoord)估计该形心点所处的格子编号：

行号：m1＝int((xcoord-xmin)/xlength)+1；

列号：n1＝int((ycoord-ymin)/ylength)+1；

排号：k1＝int((zcoord-zmin)/zlength)+1；

则该单元被划分到(m1,n1,k1)格子中，其中int()为取整函数；

对每个格子内的单元、面元进行属性分析并判断，并做剔除处理的方法包括如下步骤：

遍历所有格子，将格子内的每个四面体单元拆分为4个三角形面元；

对每个格子内的面元进行判断，得到每个面元的属性；

对格子内面元进行检索，根据面元的属性做剔除以及保留处理；所述面元的属性包括两个或多个四面体单元公用的公用面元以及仅被一个单元体使用的孤立面元；

根据面元的属性，对面元进行剔除以及保留处理的方法包括如下步骤：

对单个格子中的所有面元进行判断，若为公用面元则进行剔除；若为孤立面元则进行保留；

对所有相邻的格子进行判断，若存在公用面元则进行剔除；

若为孤立面元则进行保留；

对所有格子间、模型边界上的面元进行二次判断剔除处理的方法包括如下步骤：

对遍历格子检索后剩余的所有面元进行二次检索，若存在公用面元则进行剔除，若为孤立面元则进行保留；

利用模型边界坐标，设置容差error，剔除边界面元；

若构成面元的三个节点坐标同时满足xmin-error<x<xmin+error,则该面元为左侧边界面元；

若同时满足xmax-error<x<xmax+error,则该面元为右侧边界面元；

若同时满足ymin-error<y<ymin+error,则该面元为前侧边界面元；

若同时满足ymax-error<y<ymax+error,则该面元为后侧边界面元；

若同时满足zmin-error<z<zmin+error,则该面元为底侧边界面元；

若同时满足zmax-error<z<zmax+error,则该面元为顶侧边界面元；

对属于左侧边界面元、右侧边界面元、前侧边界面元、后侧边界面元、底侧边界面元以及顶侧边界面元的6种边界面元也剔除；

通过最终剩余的面元判断模型的几何连接问题的方法包括如下步骤：

对最终得到的孤立面元进行判断；

若模型内部出现面元，则表示模型连接存在问题；

反之则表示模型不存在几何连接问题。