模拟开挖至运行全过程的拱坝三维网格模型自动剖分方法技术

本发明专利技术提供一种模拟开挖至运行全过程的拱坝三维网格模型自动剖分方法，包括步骤：根据拱坝的设计资料确定拱轴中心面的x‑z平面投影图，根据该x‑z平面投影图生成拱坝的二维网格模型；根据该二维网格模型，生成拱轴中心面的三维空间面网格；根据该三维空间面网格，生成拱坝的三维空间超单元模型；对该三维空间超单元模型进行细分，生成拱坝的结构计算超单元模型；补充开挖区域的三维空间网格，生成可模拟开挖至运行全过程的拱坝三维网格模型。依本发明专利技术的方法建立的拱坝的三维网格模型，可同时模拟拱坝开挖、浇筑、运行全过程的温度应力计算，网格形态规整。依本发明专利技术的方法，大幅缩短了网格剖分时间，大幅提高了建模效率。

【技术实现步骤摘要】
模拟开挖至运行全过程的拱坝三维网格模型自动剖分方法
本专利技术涉及一种模拟开挖至运行全过程的拱坝三维网格模型自动剖分方法，属于水利水电工程

技术介绍
有限元网格生成是工程科学与计算科学相交叉的重要研究领域，目前，二维网格的剖分方法已较为完善，根据设计图纸和商业软件即可快速完成；对于三维网格，规则的网格可以通过二维网格拉伸获得，复杂的网格可以通过四面体网格经自动剖分获得，如剖分空间体型较为复杂的空间三维模型并且采用六面体网格，则需要逐个建立超单元块体，并对超单元块体逐一细化，过程较为复杂。随着我国水电工程技术的不断发展，拱坝作为一种常见的坝型，有着材料用量少、抗震能力强等一系列优点。由于拱坝厚度较薄、结构受力较为复杂且坝体的结构安全事关重大，拱坝的结构应力安全计算十分重要。结构应力安全计算包括坝体开挖计算、坝体温控防裂计算及蓄水稳定性分析等方面的计算，涉及内容较为广泛，现有的结构计算一般是根据需求，建立多个网格，对多个网格分别进行计算，由于各种因素于各个过程是相互影响的，开挖、温度应力和蓄水对拱坝应力和结构的影响均较大，对各个因素分别计算往往会带来较大的误差，且较难考虑多场的耦合关系，故建立一个能够同时考虑开挖计算、坝体温控防裂计算及蓄水稳定性分析等多因素计算的网格模型十分重要。不同计算需求的网格模型差异较大，如温控防裂一般需要较为规则的六面体网格，而考虑开挖的网格模型由于软弱夹层结构复杂等原因，往往需要较为不规则的单元。如果采用超单元的模式进行剖分，则十分费时。但考虑拱坝体型均由对应的体型参数进行控制，根据拱坝的轴对称图形，即可确定拱坝上下游面的坐标位置，根据拱坝的轴对称图形、拱坝体型参数和软弱夹层形态参数，由计算机自动剖分出有限元计算网格，则建模过程可得到大幅简化。
技术实现思路
鉴于上述原因，本专利技术的目的在于提供一种模拟开挖至运行全过程的拱坝三维网格模型自动剖分方法，利用拱坝的轴剖面图和设计资料，生成拱坝的三维网格模型，该三维网格模型可同时模拟拱坝开挖、浇筑、运行全过程的温度应力计算，大幅缩短网格剖分时间，简化拱坝建模过程。为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：一种模拟开挖至运行全过程的拱坝三维网格模型自动剖分方法，包括步骤：S1：根据拱坝的设计资料确定拱轴中心面的x-z平面投影图，根据该x-z平面投影图生成拱坝的二维网格模型；S2：根据该二维网格模型，建立拱轴中心面的三维空间面网格；S3：根据该三维空间面网格，生成拱坝的三维空间超单元模型；S4：对该三维空间超单元模型进行细分，生成拱坝的结构计算超单元模型；S5：补充开挖区域的三维空间网格，生成可模拟开挖至运行全过程的拱坝三维网格模型。所述步骤S2中，定义拱轴中心面的三维面网格坐标为(xc，yc，zc)，已知拱坝的设计资料，根据拱圈中心线的(x，z)坐标计算y坐标，即：y＝f(x，z)(1)根据基础和坝体的材料号的区别，自动查找基础和坝体的交接线：ycb＝g(x)(2)设坝体沿x轴方向的范围为[x0，x1]，对于[x0，x1]之间的基础，其y坐标按照以下方式取值：y＝g(x)(3)如x＜x0，那么：y＝g(x0)(4)如xb＞x1，那么：y＝g(x1)(5)根据公式(1)～(5)获得拱轴中心面的三维面网格的节点信息，生成所述拱轴中心面的三维空间面网格。所述步骤S3中，所述拱坝的三维空间超单元模型的节点生成方法为：1)确定坝体上下游面的节点；根据拱轴中心面的(x，z)坐标得到拱圈任意位置的厚度为：tc＝f(x，z)(6)根据拱轴中心面的z坐标，得到左右岸的半中心角αl和αr，根据拱轴中心面的三维面网格的(xc，yc)坐标，确定三维空间超单元模型对应左岸上游的节点坐标：其中，λ为软弱夹层出露面和水平面的交角，d为软弱夹层所在区域开挖宽度，λ和d仅在软弱夹层附近考虑；确定三维空间超单元模型对应左岸下游的节点坐标：确定三维空间超单元模型对应右岸上游的节点坐标：确定三维空间超单元模型对应右岸下游的节点坐标：2)确定坝体对应的基础节点；①设坝体沿x轴的范围为[x0，x1]，与基础接触处坝体的厚度为：tcb＝f(x，zb)(11)其中，zb为基础和坝体交界处的坐标；根据拱轴中心面的三维面网格的(xc，yc)坐标，确定三维空间超单元模型对应左岸基础上游的节点坐标：确定三维空间超单元模型对应左岸基础下游的节点坐标：确定三维空间超单元模型对应右岸基础上游的节点坐标：确定三维空间超单元模型对应右岸基础下游的节点坐标：②对于x＜x0区域的基础，按以下方式考虑：tcb＝f(x0，zb)(16)根据拱轴中心面的三维面网格的(xc，yc)坐标，确定三维空间超单元模型对应左岸基础上游的节点坐标：确定三维空间超单元模型对应左岸基础下游的节点坐标：③对于x＞x1区域的基础，按以下方式考虑：tcb＝f(x1，zb)(19)根据拱轴中心面的三维面网格的(xc，yc)坐标，确定三维空间超单元模型对应右岸基础上游的节点坐标：确定三维空间超单元模型对应右岸基础下游的节点坐标：按照公式(6)～(21)确定三维空间超单元模型对应上下游的节点坐标后，生成所述三维空间超单元模型。所述三维空间超单元模型的三维空间超单元为空间八节点网格，八个节点分别为下游的N1、N2、N3、N4和上游的N5、N6、N7、N8，即，S＝{N1，N2，N3，N4，N5，N6，N7，N8}。所述步骤S4中，基于拱坝的三维空间超单元模型的基础上下游面向上下游方向扩展，其中，上游基础延伸的节点坐标：其中，θ为坝轴线和上游河流流向的夹角，ds为延伸的距离；下游基础延伸的节点坐标：其中：为坝轴线和上游河流流向的夹角；对于三维空间超单元模型的任意节点，其对应的延伸节点，按照公式(24)、(25)生成拱坝的结构分析超单元模型；然后，对拱坝的结构分析超单元模型进行细分，生成拱坝的结构计算超单元模型。所述步骤S5中，生成所述拱坝三维网格模型的方法是：生成开挖区域及其对应上下游基础的CAD网格布置图，生成开挖体的结构计算超单元模型，将其与所述拱坝的结构计算超单元模型合并，生成所述拱坝三维网格模型。生成所述开挖体的结构计算超单元模型的方法是，根据开挖体的二维网格模型生成开挖体的三维空间超单元模型，根据开挖体的三维空间超单元模型生成开挖体的结构分析超单元模型，对该结构分析超单元模型进行细分，生成开挖体的结构计算超单元模型。生成所述开挖体的三维空间超单元模型的方法是：根据所述拱坝的结构计算超单元模型的基础交界面节点坐标，生成对应的开挖体扩展模型的节点坐标：其中，左岸上游的节点坐标：其中，Kx、Ky、Kz分别是开挖体扩展模型的三个方向的坐标，Jx、Jy、Jz分别是开挖体扩展模型上节点对应的基础交接面节点的三个方向坐标，l为开挖体扩展模型的节点和对应交接面节点的距离，γ为开挖向上游的倾斜角；右岸上游的节点坐标：左岸下游的节点坐标：其中，β为开挖向下游的倾斜角；右岸下游的节点坐标：对所述结构分析超单元模型进行细分的方法是：对结构分析超单元模型的每个超单元，按河流方向对超单元边进行增加节点并二次剖分网格，形成细化后的结构分析网格。本专利技术的优点是：本专利技术的模拟开挖至运行全过程的拱坝三维网格模型自动剖分方法，根据拱坝的设计资料，生成拱坝的三维本文档来自技高网...

【技术保护点】
模拟开挖至运行全过程的拱坝三维网格模型自动剖分方法，其特征在于，包括步骤：S1：根据拱坝的设计资料确定拱轴中心面的x‑z平面投影图，根据该x‑z平面投影图生成拱坝的二维网格模型；S2：根据该二维网格模型，建立拱轴中心面的三维空间面网格；S3：根据该三维空间面网格，生成拱坝的三维空间超单元模型；S4：对该三维空间超单元模型进行细分，生成拱坝的结构计算超单元模型；S5：补充开挖区域的三维空间网格，生成可模拟开挖至运行全过程的拱坝三维网格模型。

【技术特征摘要】
1.模拟开挖至运行全过程的拱坝三维网格模型自动剖分方法，其特征在于，包括步骤：S1：根据拱坝的设计资料确定拱轴中心面的x-z平面投影图，根据该x-z平面投影图生成拱坝的二维网格模型；S2：根据该二维网格模型，建立拱轴中心面的三维空间面网格；S3：根据该三维空间面网格，生成拱坝的三维空间超单元模型；S4：对该三维空间超单元模型进行细分，生成拱坝的结构计算超单元模型；S5：补充开挖区域的三维空间网格，生成可模拟开挖至运行全过程的拱坝三维网格模型。2.根据权利要求1所述的模拟开挖至运行全过程的拱坝三维网格模型自动剖分方法，其特征在于，所述步骤S2中，定义拱轴中心面的三维面网格坐标为(xc，yc，zc)，已知拱坝的设计资料，根据拱圈中心线的(x，z)坐标计算y坐标，即：y＝f(x，z)(1)根据基础和坝体的材料号的区别，自动查找基础和坝体的交接线：ycb＝g(x)(2)设坝体沿x轴方向的范围为[x0，x1]，对于[x0，x1]之间的基础，其y坐标按照以下方式取值：y＝g(x)(3)如x＜x0，那么：y＝g(x0)(4)如xb＞x1，那么：y＝g(x1)(5)根据公式(1)～(5)获得拱轴中心面的三维面网格的节点信息，生成所述拱轴中心面的三维空间面网格。3.根据权利要求2所述的模拟开挖至运行全过程的拱坝三维网格模型自动剖分方法，其特征在于，所述步骤S3中，所述拱坝的三维空间超单元模型的节点生成方法为：1)确定坝体上下游面的节点；根据拱轴中心面的(x，z)坐标得到拱圈任意位置的厚度为：tc＝f(x，z)(6)根据拱轴中心面的z坐标，得到左右岸的半中心角αl和αr，根据拱轴中心面的三维面网格的(xc，yc)坐标，确定三维空间超单元模型对应左岸上游的节点坐标：其中，λ为软弱夹层出露面和水平面的交角，d为软弱夹层所在区域开挖宽度，λ和d仅在软弱夹层附近考虑；确定三维空间超单元模型对应左岸下游的节点坐标：确定三维空间超单元模型对应右岸上游的节点坐标：确定三维空间超单元模型对应右岸下游的节点坐标：2)确定坝体对应的基础节点；①设坝体沿x轴的范围为[x0，x1]，与基础接触处坝体的厚度为：tcb＝f(x，zb)(11)其中，zb为基础和坝体交界处的坐标；根据拱轴中心面的三维面网格的(xc，yc)坐标，确定三维空间超单元模型对应左岸基础上游的节点坐标：确定三维空间超单元模型对应左岸基础下游的节点坐标：确定三维空间超单元模型对应右岸基础上游的节点坐标：确定三维空间超单元模型对应右岸基础下游的节点坐标：②对于x＜x0区域的基础，按以下方式考虑：tcb＝f(x0，zb)(16)根据拱轴中心面的三维面网格的(xc，yc)坐标，确定三维空间超单元模型对应左岸基础上游的节点坐标：

【专利技术属性】
技术研发人员：朱振泱，张国新，汪娟，王振红，刘毅，侯文倩，
申请(专利权)人：中国水利水电科学研究院，
类型：发明
国别省市：北京,11