[发明专利]一种复杂地质条件下边坡三维有限元网格生成方法

说明书

本发明公开一种复杂地质条件下边坡三维有限元网格生成方法，包括如下步骤：1)基于CAD平台提取地形等高线和地质界面高程点数据；2)建立目标范围平面投影的网格节点数据；3)基于反距离插值方法构建目标范围内的三维网格节点数据；4)创建规定节点次序的网格节点及单元，得到三维有限元网格；5)检查生成的有限元网格质量，如不合格，返回步骤3)，重新生成有限元网格。该方法提供了一种切实可行的有限元网格划分思路，能够高效率、高精度地建立复杂地质条件下的边坡三维有限元计算网格，可以有效控制有限元网格的质量和数量，可重复性强、不需要简化处理、有限元计算效果较好。

技术领域

本发明涉及一种三维有限元网格生成方法，特别涉及一种复杂地质条件下边坡三维有限元网格生成方法，属于水利工程及岩土工程领域。

背景技术

近年来，随着我国西南地区水利工程建设的发展，随之带来了众多高边坡问题，岩石边坡是否安全稳定影响到工程本身的正常运行，岩体边坡稳定分析与评价已经成为岩土工程领域的热点问题。

通常采用有限元分析方法(FEM)进行工程结构计算与分析，其中有限元网格的质量决定了数值计算的精度与速度。但是，有限元网格生成过程复杂、困难，特别是我国西南地区山地众多，地质条件复杂，三维有限元网格划分难度极大，常常需要多次返工和模型处理，网格划分需要耗费大量的人力和时间，而且可能划分的网格质量仍然较差，造成有限元模拟效果较差，甚至不能求解等问题。此外，通用的商业软件面对复杂的几何模型时，常常简化处理等高线和地质界面等控制面，划分网格时不能有效控制网格数量和质量，造成有限元计算量极大，仿真计算效果较差。

发明内容

发明目的：本发明针对现有技术中边坡三维建模难度大、通用商业软件无法有效控制有限元网格数量和质量等问题，提供一种复杂地质条件下边坡三维有限元网格生成方法，该方法可以高精度、高效率地实现边坡智能化有限元网格划分，用于有限元分析与计算。

技术方案：本发明所述的一种复杂地质条件下边坡三维有限元网格生成方法，包括如下步骤：

1)基于CAD平台提取边坡等高线和地质界面高程点数据；

2)建立目标范围平面投影的网格节点数据；

3)根据等高线和地质界面高程点数据以及平面网格节点数据，基于反距离插值方法构建目标范围内的三维网格节点数据；

4)创建规定节点次序的网格节点及单元，得到三维有限元网格；

5)检查生成的有限元网格质量，如不合格，返回步骤3)，重新生成有限元网格。

具体的，步骤1)中，利用CAD软件编辑边坡等高线和不同地质界面的多段线POLYLINE图元，并定义在不同图层中，然后采用Fortran语言编程读取图元中的多段线节点坐标数据，读入的多段线坐标即为等高线和地质界面的高程点坐标，从而能得到边坡等高线和各地质界面上高程点的空间X、Y、Z三向坐标信息。

当边坡等高线或地质界面上高程点数量不足时，可在多段线POLYLINE图元内采用等分方式在多段线相邻节点之间添加高程控制点，提高后续步骤中进行反距离插值的精度。

上述步骤2)中，可先确定有限元计算范围，给定有限元网格平面投影范围，然后采用平面内两个方向等分方式，生成目标范围网格节点的X、Y坐标数据，记录节点的行数和列数。

上述步骤3)中，目标范围内的三维网格节点数据的构建方法为：首先确定目标范围的最低高程，采用反距离插值方法，根据步骤2)获得的目标范围内平面网格节点的X、Y坐标数据以及步骤1)获得的等高线和地质界面高程点数据，插值得到平面网格节点的Z坐标信息，生成网格划分的三维控制面的点云数据；然后以等高线或地质界面为源面，下一层地质界面为目标面，采用扫略的方式向下平移直至最低高程，获得目标范围内的三维网格节点数据，并记录节点的层数。