CN112528515B - 一种基于混合编程技术的flac3d复杂模型识别方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于混合编程技术的FLAC^3D复杂模型识别方法，包括如下步骤：S1、对矿山的CAD地质剖面图纸进行处理；S2、调整点高程；S3、生成DTM模型，并把顶板、底板、地表DTM模型连接；S4、生成实体模型；S5、生成块体模型；S6、导出Surpac生成的复杂模型网格信息；S7、利用matlab以及c语言编写转换接口程序实现Surpac网格信息的转换。本发明可以实现Surpac软件与FLAC^3D软件之间的高效且无差错连接，采用matlab与c语言混合编程技术，结合利用matlab强大内置函数库和编译性语言高效循环速度的优势，提升了接口转换网格数据的速度。

Description

一种基于混合编程技术的FLAC3D复杂模型识别方法

技术领域

本发明涉及岩土工程与采矿工程的仿真模拟研究领域，具体涉及一种基于混合编程技术的 FLAC^3D复杂模型识别方法。

背景技术

随着我国近几年经济的快速发展和基础设施等的大力投资，涉及复杂地质环境下的岩土工程层出不穷。随着岩土工程和采矿工程领域技术的不断进步，基坑工程、隧道工程，采矿工程等也呈现出了开挖深度更深、开挖面积更大、施工更加复杂的趋势，早在90年代初国内最深的基坑约为20m，目前深度达到30-40m的基坑也不在少数，隧道开挖方法也由简单的矿山法发展为多种多样的浅埋暗挖工法体系。在这种形势下，岩土工程对于设计者和施工者的专业要求更加严格。

近些年，随着计算机技术的迅猛发展，数值仿真方法已经成为现代工程技术分析、计算、预测工程稳定性、可靠性的重要手段。Surpac和FLAC^3D是两款岩土工程设计和研究领域应用较为普遍的软件。Surpac是加拿大一款优秀的矿山和地质勘探领域的综合管理平台集成软件系统，具有强大的模型前处理功能，可以形成一整套三维立体的和块体的建模工具，可将土建工程设计、三维模型建立、工程数据库构建等完全图形化，并解决复杂工程中境界优化的施工管理问题。

但Surpac也有其自身缺陷，其软件只是作为对矿业领域各种资源的管理集成平台，并不能进行数值计算。FLAC^3D是针对岩土类介质进行连续介质力学问题分析的三维快速拉格朗日分析 (有限差分)软件，包含丰富的弹、塑性材料本构模型，具有静力、渗流、蠕变、动力和温度分析的5种计算模式，它可以从宏观整体的趋势上，探讨岩体场效应的变化规律，适用于绝大多数的工程力学问题，为岩土工程和矿业工程力学分析的专业软件。FLAC^3D中采用的“混合离散法”可以准确地模拟岩土体的塑性剪切破坏以及介质的塑性流动。显式有限差分法不同于隐式有限元计算方法，由于显式法并不形成刚度矩阵，计算时步占用较少的内存，节约计算资源，并且计算时步很小，计算更加稳定，具有解决失稳、振动、坍塌等问题较强的适用性。然而FLAC^3D在前处理建模上存在很大的问题，尤其是对于复杂多介质、多边质地质体模型的建立显得十分困难，由于FLAC^3D软件操作界面较为简单，许多操作命令需要利用内置语言 FISH进行写入，对于一个设计者或者研究者来说难度较大。即使掌握了FISH语言的使用方法，在FLAC^3D中实现复杂几何的建立和模型的网格划分仍是一个难题，甚至无法实现。为了解决这个问题，工程人员往往通过一些简化模型表述岩土模型，而实际上，不同的岩性具有不同的力学性质，过度的简化使数值模拟结果的可靠性受到质疑。另一方面，三维地学模拟表现出较好的三维建模能力，它可以精确地表示出各种不同岩性的岩层、地质结构体在空间上的分布。然而，地学模拟相对独立于数值模拟，其功能一般局限在可视化和定性判断上。

因此，有必要将Surpac三维地质建模以及FLAC^3D数值计算的优点进行结合，摒弃各自的不足，实现前期利用建模工程强大的Surpac进行复杂工程矿区几何建模、网格划分，后期利用 FLAC^3D进行分析计算，以解决FLAC^3D建模的困难，建立精确的三维矿区模型，提高其模拟结果的可靠度，从而使FLAC^3D强大的计算能力能得到发挥；同时，Surpac也能在数据采集、储存、管理和查询等固有功能基础上扩展其力学分析能力，满足工程模型在预测预报、决策支持等方面的要求。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种基于混合编程技术的FLAC^3D复杂模型识别方法，实现了Surpac三维模型导入FLAC^3D中进行仿真计算的方法，解决了Surpac与FLAC^3D的软件接口问题。

为本发明至少通过如下技术方案之一实现。

一种基于混合编程技术的FLAC^3D复杂模型识别方法，包括如下步骤：

S1、对矿山的CAD地质剖面图纸进行处理；

S2、调整点高程；

S3、生成DTM模型，并把顶板、底板、地表DTM模型连接；

S4、生成实体模型；

S5、生成块体模型；

S6、导出Surpac生成的复杂模型网格信息；

S7、利用matlab以及c语言编写转换接口程序实现Surpac网格信息的转换。

优选的，步骤S1具体是将矿山井上井下对照二维CAD地质剖面图的每一个中段以及地表图层分别单独提取出来，并另存为DXF格式。

优选的，步骤S2具体是分别将提取好的每个中段以及地表的DXF图纸导入到矿山工程软件Surpac中，并且对照原始CAD图纸，修改各点高程。

优选的，步骤S3具体是分别将修改好点高程的底板、顶板、地表散点图闭环连接，生成底板、顶板、地表DTM模型。

优选的，步骤S4具体是分别把各中段生成的底板、顶板以及地表DTM模型连接，生成实体模型。

优选的，步骤S5具体是对生成的实体模型，进行网格划分，设置实体模型网格单元尺寸，并赋予属性分组，生成块体模型。

优选的，步骤S6具体是根据Surpac以及FLAC^3D六面体网格单元空间展布的特点，以及建立的原理，利用matlab以及c语言，采用混合编程技术编制c-mex文件供matlab调用分别实现对节点、单元、分组信息的数据转换处理，并生成供直接调用的.F3grid格式的网格数据文本。

优选的，步骤S7具体是在FLAC^3D中采用import grid命令调用网格数据文本，后续赋予整个复杂三维实体模型本构关系、材料属性、边界条件、初始条件进行求解。

本发明的有益效果：

(1)提供了一整套建立复杂矿区三维地质数值模型的流程；

(2)首次采用matlab与c语言混合编程技术，结合利用matlab强大内置函数库和编译性语言高效循环速度的优势，极大效率地提升了接口转换网格数据的速度；

(3)通过本发明的FLAC^3D复杂三维实体模型的识别方法，可实现Surpac软件与FLAC^3D软件之间的无差错连接，既避免了工程技术人员以及科研工作者为研究FLAC^3D中FISH语言而耗费大量时间精力，又克服了Surpac无法进行数值计算的薄弱之处。

附图说明

图1为本发明实施例一种基于混合编程技术的FLAC^3D复杂模型识别方法的总流程图；

图2为本发明实施例所要建立复杂三维地质矿山数值模型的二维CAD地质剖面图；

图3为本发明实施例对二维CAD地质剖面图中分离出来的各中段剖面图；

图4为本发明实施例选取一中段剖面图将其导入Surpac中生成的散点图；

图5为本发明实施例调整好点高程的空区轮廓图；

图6为本发明实施例生成的顶底板DTM模型图；

图7为本发明实施例生成的地表DTM模型图；

图8为本发明实施例将DTM模型连接生成的实体模型图；

图9为本发明实施例将各中段实体模型连接生成的总实体模型图；

图10为本发明实施例生成的总块体模型图；

图11为本发明实施例Surpac六面体单元的空间形态图；

图12为本发明实施例FLAC^3D块体单元的空间形态图；

图13本发明实施例一种基于混合编程技术的FLAC^3D复杂模型识别方法中转换接口编制的详细流程图；

图14为本发明实施通过转换接口转换好的FLAC^3D模型图。

具体实施方式

为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合附图对本发明实施例进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明实施专利提供了一种基于混合编程技术的FLAC^3D复杂模型识别方法。实现了从Surpac软件建立复杂三维数值模型导入FLAC^3D中的模型识别方法，共包括三维模型建模、模型文件转换和模型计算，具体包括如下步骤：

A、对矿山二维CAD地质剖面图纸进行处理

如图2所示，此图为某个矿山的二维CAD地质井上井下对照剖面图，根据不同中段所在的图层，将每个中段提取到一个新的图层中。若有的中段在不同的图层，则需自行调整，调整提取完毕后另存为DXF格式，图3即为提取后的各中段的DXF图纸。

B、调整点高程

如图4所示，将提取好的DXF格式的图纸导入到矿山工程软件Surpac中后即为各中段的空区投影轮廓雏形，因各散点高程有错乱，导致没有形成闭合曲线，因此需要对照原始CAD 图纸自行手动修改调整每一个点的高程，调整好高程之后的空区投影轮廓即为图5。

C、生成DTM模型并连接

如图6、图7所示，分别利用各中段以及地表调整好的空区轮廓来生成底板、顶板、地表 DTM模型。

D、生成实体模型

如图8、图9所示，分别把各中段生成的底板、顶板以及地表DTM模型连接，生成实体模型。

E、生成块体模型并导出网格数据文本

如图10所示，对生成的实体模型，赋予块体属性，进行网格划分，设置其网格单元尺寸，并赋予属性分组，生成块体模型。导出网格数据文本如表1所示，共有8列。第1列是线串编号，对网格数据的表示没有意义；第2-7列是代表单元的坐标；第8列代表单元的属性。

表1导出的网格数据文

F、如图13所示，利用matlab以及c语言编写转换接口程序实现Surpac网格信息的转换，源代码见下。

close all

clc

tic

shuchupath＝'C:\Users\shaofan\Desktop\1.f3grid'；％％输出路径

filename＝'.\bk.csv'；％定义文件名

fid＝fopen(filename,'r')；

C＝textscan(fid,'％f％f％f％*d％d','delimiter',',')；％读取文本，小数浮点型用f，这里delimiter是指读数据自动跳过分隔符，即逗号；％*d是指跳过此项读取

fclose(fid)；x＝C{1}；y＝C{2}；z＝C{3}；prop＝C{4}；sx＝2.5；sy＝2.5；sz＝2.5；[m,～]＝size(x)；ii＝0:m-1；

AA＝8*ii；px＝zeros(8*m,1)；py＝zeros(8*m,1)；pz＝zeros(8*m,1)；

％开始转换坐标

px(AA+1)＝x(ii+1)-0.5*sx；py(AA+1)＝y(ii+1)-0.5*sy；pz(AA+1)＝z(ii+1)-0.5*sz；

px(AA+2)＝px(AA+1)+sx；py(AA+2)＝py(AA+1)；pz(AA+2)＝pz(AA+1)；

px(AA+3)＝px(AA+1)；py(AA+3)＝py(AA+1)+sy；pz(AA+3)＝pz(AA+1)；

px(AA+4)＝px(AA+1)；py(AA+4)＝py(AA+1)；pz(AA+4)＝pz(AA+1)+sz；

px(AA+5)＝px(AA+2)；py(AA+5)＝py(AA+2)+sy；pz(AA+5)＝pz(AA+2)；

px(AA+6)＝px(AA+3)；py(AA+6)＝py(AA+3)；pz(AA+6)＝pz(AA+4)；

px(AA+7)＝px(AA+2)；py(AA+7)＝py(AA+2)；pz(AA+7)＝pz(AA+6)；

px(AA+8)＝px(AA+5)；py(AA+8)＝py(AA+5)；pz(AA+8)＝pz(AA+7)；

px＝px-px(1)；py＝py-py(1)；

chubujiedianxinxi1＝[px,py,pz]；

[chubujiedianxinxi2,～,zxh]＝unique(chubujiedianxinxi1,'rows','stable')；

[n,～]＝size(chubujiedianxinxi2)；％提取chubujiedianxinxi2的行数

zz＝(1:n)'；％建立间隔为1的列向量

jiedianxinxijuzhen＝zeros(n,4)；％预先给一个维度加快运算速度

jiedianxinxijuzhen＝[zz,chubujiedianxinxi2]；％

D＝zeros(m,8)；％提前生成维度，会加快运算速度

D＝(reshape(zxh,8,m))'；％把zxh划分为8行m列并转置即可得到所需要的

C＝(1:m)'；％给单元信息矩阵编号

danyuanxinxijuzhen＝zeros(m,9)；％％提前生成维度

danyuanxinxijuzhen＝[C,D]；

zu1＝find(prop＝＝1)；zu2＝find(prop＝＝2)；zu3＝find(prop＝＝3)；zu4＝find(prop＝＝4)；zu5＝find(prop＝＝5)；

zu6＝find(prop＝＝6)；zu7＝find(prop＝＝7)；zu8＝find(prop＝＝8)；zu9＝find(prop＝＝9)；zu10＝find(prop＝＝1 0)；

TYJDDYZHSC(shuchupath,jiedianxinxijuzhen,danyuanxinxijuzhen,zu1,zu2,zu3,zu4,zu5,zu6,zu7,z u8,zu9,zu10)；％节点单元组号输出

toc％计时停止

Surpac以及FLAC^3D六面体网格单元空间展布的特点以及建立的原理，如图11和图12所示：Surpac中的块体模型生成网格最小基本单元形状是六面体，对应于FLAC^3D中的块体单元形状。Surpac六面体单元根据质心坐标(x₀，y₀，z₀)以及三边长度S₁、S₂、S₃来确定；而FLAC^3D块体单元根据8个顶点坐标来确定，通过以下转换原理公式可以互相转换数据：

其中，

分别表示FLAC^3D块体单元中顶点P₀的x、y、z坐标；x₀、y₀、z₀分别表示Surpac六面体单元质心x、y、z坐标；S₁、S₂、S₃表示六面体和块体单元中三条相互垂直边的边长。此外，其他七个顶点坐标可根据与顶点P₀的相对空间位置一一转换。

FLAC^3D网格数据文本中的节点、单元、分组信息需要有特定的数值格式以及排列方式。如表2所示，节点信息第1列全是G，第2列是节点的编号，第3-6列是节点的坐标；单元信息第1列全是Z，第2列B8在FLAC^3D中代表块体单元，第3列是单元的编号，第4-11列是属于该单元8个节点的编号；分组信息第1行是固定的表头名，SLOT是比GROUP更高级别的分组，可统一设置属于SLOT1中，后面接属于此组的单元编号。

表2

由于matlab具有强大的内置函数库，且对矩阵的计算具有极高的效率，因此节点、单元、分组信息的数据转换处理采用matlab自身的语言编写，但matlab是一种脚本语言，涉及大量数据的循环计算速度极慢；c语言是一种编译型语言，没有广泛的函数库可用，但其循环计算速度极快，因此选择循环打印文本的部分用c语言编写，然后编译成mex文件供matlab调用。最终结合两者优势，利用matlab以及c语言，采用混合编程技术分别实现对节点、单元、分组信息的数据转换处理，并生成可供直接调用的.F3grid格式的网格数据文本，转换接口程序流程如图13所示；

G、导入到FLAC^3D并赋予复杂三维实体模型本构关系、材料属性、边界条件、初始条件进行求解。

在FLAC^3D中采用import grid命令可调用网格数据文本，转换好的模型如图14所示。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于混合编程技术的FLAC^3D复杂模型识别方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、对矿山的CAD地质剖面图纸进行处理，具体是将矿山井上井下对照二维CAD地质剖面图的每一个中段以及地表图层分别单独提取出来，并另存为DXF格式；

S2、调整点高程：分别将提取好的每个中段以及地表的DXF图纸导入到矿山工程软件Surpac中为各中段的空区投影轮廓雏形，并且对照原始CAD图纸，修改各点高程；

S3、分别利用各中段以及地表调整好的空区轮廓生成底板、顶板、地表DTM模型；

S4、分别把各中段生成的底板、顶板以及地表DTM模型连接，生成实体模型；

S5、对生成的实体模型，进行网格划分，设置实体模型网格单元尺寸，并赋予属性分组，生成块体模型；

S6、导出Surpac生成的复杂模型网格信息：根据Surpac以及FLAC^3D六面体网格单元空间展布的特点，以及建立的原理，利用matlab以及c语言，采用混合编程技术编制c-mex文件供matlab调用分别实现对节点、单元、分组信息的数据转换处理，并生成供直接调用的.F3grid格式的网格数据文本；

S7、利用matlab以及c语言编写转换接口程序实现Surpac网格信息的转换；

Surpac中的块体模型生成网格最小基本单元形状是六面体，对应于FLAC^3D中的块体单元形状，Surpac六面体单元根据质心坐标(x₀，y₀，z₀)以及三边长度S₁、S₂、S₃来确定；而FLAC^3D块体单元根据8个顶点坐标来确定，通过以下转换原理公式互相转换数据：

其中，

分别表示FLAC^3D块体单元中顶点P₀的x、y、z坐标；x₀、y₀、z₀分别表示Surpac六面体单元质心x、y、z坐标；S₁、S₂、S₃表示六面体和块体单元中三条相互垂直边的边长，其他七个顶点坐标可根据与顶点P₀的相对空间位置一一转换。

2.根据权利要求1所述的一种基于混合编程技术的FLAC^3D复杂模型识别方法，其特征在于，步骤S7具体是在FLAC^3D中采用import grid命令调用网格数据文本，后续赋予复杂三维实体模型本构关系、材料属性、边界条件、初始条件进行求解。

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