CN117171855A - 一种基于Delaunay三角剖分的丘陵区流场模型建模方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于Delaunay三角剖分的丘陵区流场模型建模方法，包括以下步骤：(1)获取输电塔所在地区的点阵型数字高程数据；(2)对数据进行小波滤波预处理；(3)对经过预处理的数据进行Delaunay三角剖分；(4)根据剖分结果修正第二步中的小波系数；(5)构造建模文件；(6)导入有限元软件进行流场建模及有限元分析；该方法根据流场分析的需要，将三角剖分与二维小波滤波结合，首次应用于流场，利用STL模型文件生成更加适合用于流场分析的模型，建模全程简单快速稳定，可以有效提高输电塔周围流场的风场模拟效率。
Description
技术领域
本发明涉及流场分析模型建模技术领域，特别涉及一种基于Delaunay三角剖分的丘陵区流场模型建模方法。
背景技术
丘陵地区通常由连绵起伏的山丘、小山脉和丘陵组成，地形复杂多变。在这样的地理环境下，输电塔的抗风设计必须更多地结合具体的地形条件，才能更好地满足设计要求。在丘陵区域的地理条件下，塔架受到的风力影响更加显著。因为山丘和丘陵地形会产生气流的变化和阻挡，使得风速和风向在不同地方产生较大的差异。因此，模拟输电塔所在区域受地形影响的流场十分重要，考虑环境因素的设计将大幅提高输电塔的抗风性能。
针对输电线路邻域流场的计算，通常使用有限元模型进行流场分析，目前模拟该种流场的建模方法大多使用逆向工程软件，或使用建模软件进行建模，例如专利申请一种适用于精细化风场模拟的复杂地形建模方法及系统(CN113160409A)，将CAD图形输入到草图大师软件中，以生成三维模型，但是这样的方法生成的三维模型精细度不高，地形细节的部分不能进行后续处理和修改。且建模结果无法满足流场分析的需要，由于丘陵区地势高差大，数据分布不均匀且通常数据的间隔较大，使用不同建模方法的建模结果同查有较大差别，且经常会出现无法进行网格剖分，或流场计算出错的情况。
发明内容
为了解决现有的由于模型错误无法准确分析流场的问题，同时使建模过程更加可控，本发明的目的在于提供一种基于Delaunay三角剖分的丘陵区流场模型建模方法，该方法根据流场分析的需要，将三角剖分与二维小波滤波结合，得出更加适合用于流场分析的模型，可以有效提高输电塔周围流场的风场模拟效率；此外Delaunay三角剖分算法具有良好的数学性质，可以自动生成连续、无重叠的三角形网格，为流场分析提供可靠的基础，从而进行更加精确的输电塔抗风计算结果。
为了达到上述目的，本发明的技术方案为：
一种基于Delaunay三角剖分的丘陵区流场模型建模方法，包括以下步骤：
(1)获取输电塔所在地区的点阵型数字高程数据；
(2)对数据进行小波滤波预处理；
(3)对经过预处理的数据进行Delaunay三角剖分；
(4)根据剖分结果修正第二步中的小波系数；
(5)构造建模文件；
(6)导入有限元软件进行流场建模及有限元分析。
所述的步骤(1)具体包括以下几个子步骤：
(1.1)基于输电塔所在地区的点阵型数字高程地图，确定输电塔所在目标地形的边界范围；
(1.2)寻找输电塔所在目标地形的点阵型数字高程数据；
所述的步骤(2)具体包括以下几个子步骤：
(2.1)数据缺失值的插值，错误数据的剔除；
如果高程数据中存在缺失值，使用反距离加权插值(IDW)、克里金插值进行插值处理来填补这些空缺；另外在高程数据中还存在错误数据，使用统计方法来检测异常值，进行错误数据的筛选和剔除。
(2.2)对数据进行小波滤波计算以平滑模型；
选择小波函数及其阈值以及滤波的级数参数，剔除子步骤(2.1)所得数据的噪声，得到更平滑的点阵型数字高程数据。
所述的步骤(3)具体包括以下子步骤：
(3.1)对数据进行平面Delaunay三角剖分；
使用Delaunay三角剖分算法对预处理后的数据进行平面的Delaunay三角剖分；
(3.2)将平面三角剖分网格转化成三维网格；
将高程数据赋值给平面的Delaunay三角剖分网格顶点，得到三维立体的Delaunay三角剖分网格。
所述的步骤(4)具体包括以下子步骤：
(4.1)获取步骤(3)中剖分得到的网格中不平坦处或尖刺处的网格细节；
(4.2)根据网格细节，使用阈值或滤波的方法对步骤(2)中消除异常值时使用的小波系数进行修正处理，修正步骤(2)中消除异常值时使用的小波系数，重复步骤(2)到步骤(4)。
所述的步骤(5)具体包括以下步骤：
(5.1)提取步骤(4)调整后网格的三角形顶点坐标；
(5.2)根据步骤(4)调整后网格的三角形顶点坐标，计算每个三角形面的法向量；
(5.3)利用网格的顶点坐标和三角形面的法向量集合按照STL文件标准写成STL模型文件。
所述的步骤(6)具体包括以下子步骤：
(6.1)将STL模型文件导入有限元计算软件，使用针对stl模型的网格划分软件直接进行体网格划分，以减少面网格的划分步骤；
(6.2)将当地的风速气象数据条件作为约束条件，对流场模型进行边界条件的加载，以进行流场模型的有限元分析。
相较于现有技术，本发明的创新点为：
1、步骤(2)对原始数据进行小波滤波处理，可以平滑模型，避免原始数据中的异常值对建模的真实性和可靠性产生影响。
2、步骤(3)使用Delaunay三角剖分得到的模型精细度更高，避免后续有限元分析时因为模型精度导致的无法网格剖分等问题。
3、由于不平坦处或尖刺处主要时影响流场分析时的网格质量，网格质量低的时候会降低模型的收敛性而且会增加分析时间，因此通过步骤(4)对步骤(2)的小波系数进行修正，调整网格使其与实际地形更相符。
4、本发明将小波分析和三角剖分结合形成stl文件，首次应用于流场，利用STL模型文件生成流场模型，建模全程简单快速稳定，而且可以根据不同需求，通过计算机编程对建模精度和地形区域进行调整，相较于目前的建模手段都力求模型更加贴近实际模型，更加侧重流场分析的快速和稳定来进行流场分析和建模。
附图说明
图1为三维三角网格图。
图2为STL模型文件。
图3为流场风速分布图。
图4为输电塔抗风设计计算结果。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。
本发明一种基于Delaunay三角剖分的丘陵区流场模型建模方法，包括以下步骤：
(1)获取输电塔所在地区的点阵型数字高程数据
(1.1)确定输电塔所在地区的边界范围
通过使用地理信息系统(GIS)工具或在线地图服务来查找和标记地区范围，选取输电塔周围地形的具体经纬度坐标形成所需要的边界范围；
(1.2)寻找可用的点阵型数字高程数据
寻找可用的点阵型数字高程数据，这些数据来自地方政府、测绘机构、遥感数据提供商或其他可靠的数据源；若使用激光雷达测量、航空摄影测量或卫星遥感数据等获取的高程数据则根据实际测量范围进行计算。
(2)数据进行预处理
(2.1)数据缺失值的插值，错误数据的剔除
缺失值插值：如果高程数据中存在缺失值，需要使用反距离加权插值(IDW)、克里金插值进行插值处理来填补这些空缺；这些插值方法根据周围已知数据点的高程值，推测缺失位置的高程值；
在高程数据中可能存在异常值或错误数据，这些数据可能会对最终地图结果产生负面影响；因此，需要进行错误数据的筛选和剔除。可以使用统计方法或规则来检测异常值；
(2.2)对数据进行小波滤波计算
小波滤波方法具有良好的频域局部化特性，能够在保持信号或图像的局部细节的同时平滑整体特征，可以用来平滑信号或图像，去除噪声，并提取有用的特征。通过调整小波函数的选择、阈值的设定以及滤波的级数等参数，得到满足条件的点阵型数字高程数据。
(3)对经过预处理的数据进行Delaunay三角剖分
(3.1)对数据进行平面Delaunay三角剖分
将预处理后的高程数据与平面的二维坐标对应起来，可以通过将高程值作为点的第三个坐标表示。然后，利用Delaunay三角剖分算法对这些平面的二维坐标点进行剖分，得到一个由三角形构成的平面网格；在二维平面上，Delaunay三角剖分通过连接点集中所有不和其他点相交的圆的圆周边缘来构成三角形；
(3.2)将平面三角剖分网格转化成三维网格
将高程数据值作为平面三角剖分网格的第三个坐标赋值给平面网格的对应顶点，得到一个三维立体的Delaunay三角剖分网格；每个三角形的顶点都对应一个高程数据，结果如图1所示；将高程数据赋值给平面的Delaunay三角剖分网格顶点后，得到的三维立体Delaunay三角剖分网格不仅考虑了点的二维位置关系，还考虑了点的高度差异。
(4)根据剖分结果修正第二步中的小波系数
(4.1)查看网格剖分后的具体模型，检查模型不平坦处或尖刺处的模型细节；
(4.2)根据模型细节进一步调整模型的高频系数或低频系数，通过设置阈值或使用统计值方法进行系数的修正，重复步骤(2)到步骤(4)，使模型在保证建模趋势相同的同时，进一步使模型表面光滑，避免流场分析时网格划分出现低质量网格。
(5)构造建模文件
(5.1)提取步骤(4)调整后网格的顶点坐标
从Delaunay三角剖分的结果中提取每个顶点的坐标信息。这些顶点坐标是构建建模文件的基础数据；
(5.2)提取结果中三角面的法向量
从三角形顶点坐标结果中计算每个三角面的法向量。这些法向量可以用于后续的建模、分析和渲染等操作；
(5.3)利用网格的顶点坐标和三角形面的法向量集合按照STL文件标准写成STL模型文件
STL(Standard Tessellation Language)文件是一种用于表示三维几何体表面网格的标准文件格式，如图2所示意常用于CAD软件、3D打印和模拟等领域。根据STL文件的规范，每个三角面片包含三个顶点的坐标和法向量信息；
根据提取的顶点坐标和三角面的法向量，按照STL文件的格式，将构造好的三角面片集合写入STL模型文件。建模结果如图2所示。
(6)导入有限元软件进行流场建模及有限元分析
(6.1)STL模型文件导入进行网格划分后导入有限元计算软件，使用针对stl模型的网格划分软件直接进行体网格划分，以减少面网格的划分步骤；
(6.2)将当地的风速气象数据条件作为约束条件，即已知的网格节点上的风速情况，对流场进行边界条件的加载，如图3所示，以进行流场模型的有限元分析，得到输电塔周围地域内的速度场结果。
基于本发明上述步骤，得到输电塔周围地域内的速度场，应用在输电塔抗风设计计算中：根据输电塔的GPS信息提取该位置随高度变化的速度场分布情况；将风速变为载荷施加在输电塔上，查看其最大应力位置与最大位移位置。
风压是风速和风阻系数的乘积。输电塔的风阻系数(Cd)可以通过实验或计算来确定。实验方法是将输电塔置于风洞中，测量风速和输电塔受到的阻力。计算方法是使用风阻系数计算公式，计算风速、输电塔的形状和粗糙度等参数。使用计算出的风压乘以投影面积即可得到风载荷。
风载荷的施加通过对输电塔有限元模型的节点施加外载荷的形式实现的。
在后处理中使用Get命令的MaxStressNode和MaxDisplacementNode来提取最大应力位置和最大位移位置。
根据最大应力位置和最大位移位置，使用增加横隔面、增加塔身宽度或跟开等方法优化输电塔结构的抗风设计，如图4所示。输电塔的最大应力和位移有所减小，说明本发明能够有效指导抗风设计。
Claims (7)
1.一种基于Delaunay三角剖分的丘陵区流场模型建模方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)获取输电塔所在地区的点阵型数字高程数据；
(2)对数据进行小波滤波预处理；
(3)对经过预处理的数据进行Delaunay三角剖分；
(4)根据剖分结果修正第二步中的小波系数；
(5)构造建模文件；
(6)导入有限元软件进行流场建模及有限元分析。
2.根据权利要求1所述的一种基于Delaunay三角剖分的丘陵区流场模型建模方法，其特征在于，所述的步骤(1)具体包括以下几个步骤：
(1.1)基于输电塔所在地区的点阵型数字高程地图，确定输电塔所在目标地形的边界范围；
(1.2)寻找输电塔所在目标地形的点阵型数字高程数据。
3.根据权利要求1所述的一种基于Delaunay三角剖分的丘陵区流场模型建模方法，其特征在于，所述的步骤(2)具体包括以下几个步骤：
(2.1)数据缺失值的插值，错误数据的剔除；
如果高程数据中存在缺失值，需要使用反距离加权插值(IDW)、克里金插值进行插值处理来填补这些空缺；另外在高程数据中还存在错误数据，使用统计方法来检测异常值，进行错误数据的筛选和剔除；
(2.2)对数据进行小波滤波计算以平滑模型；
选择小波函数及其阈值以及滤波的级数参数，剔除步骤(2.1)所得数据的噪声，得到更平滑的点阵型数字高程数据。
4.根据权利要求1所述的一种基于Delaunay三角剖分的丘陵区流场模型建模方法，其特征在于，所述的步骤(3)具体包括以下步骤：
(3.1)对数据进行平面Delaunay三角剖分；
使用Delaunay三角剖分算法对预处理后的数据进行平面的Delaunay三角剖分；
(3.2)将平面三角剖分网格转化成三维网格；
将高程数据赋值给平面的Delaunay三角剖分网格顶点，得到三维立体的Delaunay三角剖分网格。
5.根据权利要求4所述的一种基于Delaunay三角剖分的丘陵区流场模型建模方法，其特征在于，所述的步骤(4)具体包括以下步骤：
(4.1)获取步骤(3)中剖分得到的网格中不平坦处或尖刺处的网格细节；
(4.2)根据网格细节，使用阈值或滤波的方法对步骤(2)中消除异常值时使用的小波系数进行修正处理，修正步骤(2)中消除异常值时使用的小波系数，重复步骤(2)到步骤(4)。
6.根据权利要求5所述的一种基于Delaunay三角剖分的丘陵区流场模型建模方法，其特征在于，所述的步骤(5)具体包括以下步骤：
(5.1)提取步骤(4)调整后网格的顶点坐标；
(5.2)根据步骤(4)调整后网格的三角形顶点坐标，计算每个三角形面的法向量；
(5.3)利用网格的顶点坐标和三角形面的法向量集合按照STL文件标准写成STL模型文件。
7.根据权利要求6所述的一种基于Delaunay三角剖分的丘陵区流场模型建模方法，其特征在于，所述的步骤(6)具体包括以下步骤：
(6.1)将STL模型文件导入有限元计算软件，使用针对stl模型的网格划分软件直接进行体网格划分，以减少面网格的划分步骤；
(6.2)将当地的风速气象数据条件作为约束条件，对流场模型进行边界条件的加载，以进行流场模型的有限元分析。
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117609401A (zh) * | 2024-01-19 | 2024-02-27 | 贵州北斗空间信息技术有限公司 | 三维地形场景中的白模可视化展示方法、装置和系统 |
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Cited By (2)
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| CN117609401A (zh) * | 2024-01-19 | 2024-02-27 | 贵州北斗空间信息技术有限公司 | 三维地形场景中的白模可视化展示方法、装置和系统 |
| CN117609401B (zh) * | 2024-01-19 | 2024-04-09 | 贵州北斗空间信息技术有限公司 | 三维地形场景中的白模可视化展示方法、装置和系统 |
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