基于渐进有限元网格和Voronoi分割法的块体离散元模型生成方法技术

本发明专利技术涉及一种基于渐进有限元网格和Voronoi分割法的块体离散元模型生成方法，属于数值计算领域。该方法包括步骤：S1：采用CAD绘制建模信息；S2：读取建模信息和生成高质量、连续、渐进的三角网格；S3：生成离散模型与输出最终计算文件；S4：将步骤S1‑S3整合到一个软件，使得仅需绘制CAD图和给定块体最小尺寸，便直接生成直接用于计算的DDA块体离散元模型、UDEC块体离散元模型和3DEC块体离散元模型。本发明专利技术能给定特定的块体尺寸分布规律或尺寸数据，生成满足特定空间分布的块体离散元模型，解决当前方法无法生成给定尺寸分布规律的问题。

Discrete element model generation method based on progressive finite element mesh and Voronoi segmentation method

The invention relates to a block discrete element model generation method based on progressive finite element mesh and Voronoi partition method, belonging to the field of numerical calculation. This method includes the following steps: S1: using CAD to draw modeling information; S2: reading modeling information and generating high-quality, continuous and progressive triangular meshes; S3: generating discrete models and outputting final calculation files; S4: integrating S 3 into a software so that only CAD drawings and a given minimum block size are needed to be drawn directly DDA block discrete element model, UDEC block discrete element model and 3DEC block discrete element model are generated directly for calculation. The invention can give a specific block size distribution rule or size data, generate a block discrete element model satisfying a specific spatial distribution, and solve the problem that the current method can not generate a given size distribution rule.

【技术实现步骤摘要】
基于渐进有限元网格和Voronoi分割法的块体离散元模型生成方法
本专利技术属于数值计算领域，涉及基于渐进有限元网格和Voronoi分割法的块体离散元模型生成方法。
技术介绍
块体离散元将岩体看作岩石和节理组成的不连续离散介质，计算中允许岩体内部存在大位移、旋转和滑动乃至块体的分离，同时块体和节理参数为宏观参数，可以较真实地模拟节理岩体中的非线性大变形。当前块体离散元方法广泛用于滑坡动力、隧道开挖、以及砌体稳定性、岩体裂隙渗流等岩土工程领域。但块体离散元计算成本高，计算精度和效率高度依赖离散块体个数、形态、尺寸等，块体的大小和质量严重影响着实际计算。现有离散块体建模采用节理面切割形成块石离散元模型，或将块体考虑为均匀规则的矩形块体。考虑岩体破碎时的复杂块体离散元建模通常生成Voronoi图的节理来切割块体。然而当前离散元模型生成方法难以自动生成数量适中、形态好，且块体尺寸渐进变化的高质量块体离散元模型，更重要的是无法考虑复杂岩土工程中块体尺寸的空间位置分布，从而无法考虑实际岩土工程中块体尺寸分布对整个岩土问题的影响，进而限制了块体离散元方法的应用，为此有必要研发一种能够根据具体复杂工程，对考虑块体尺寸空间分布，且块体尺寸渐进变化的块体离散元生成方法。现有离散块体建模方法，先生成节理面，然后采用节理面切割形成块石离散元模型，或直接将块体考虑为均匀规则的矩形块体。当复杂岩土工程块体离散元建模时，常采用Voronoi图生成的节理来切割，但Voronoi图节理切割效果与迭代次数相关，例如常见二维块体离散元UDEC软件自带的Voronoi图节理切割在复杂岩土工程中通常难以达到满意的切割效果，且最终将切割为等尺寸的正六边形，这与实际岩土工程问题的块体形态和尺寸不相符，进而实际应用中需不断调试。1.离散元块体尺寸无法满足特定的空间分布复杂岩土工程中常采用Vornoi图生成节理切割岩体，但常规软件UDEC或其他方法生成的Vornoi无法考虑块体尺寸在空间上的分布规律，其分布通常为均匀分布。这样无法考虑实际岩土工程因地质成因引起的块体尺寸空间分布，如自然滑落引起的块体为下大上小，动力滑落下形成的块体上大下小等分布规律。同时由于实际岩土工程施工，将使得施工边界处产生块体松动，掉块等，块体尺寸将随着距离施工边界的距离发生变。这些在现有块体离散元模型生成方法中，均难以得到很好的解决。2.离散元块体数量过多，质量分布不均，复杂工程块体尺寸渐进式分布难因为无法考虑块体尺寸空间上的分布，具体岩土工程问题中，现有离散元块体尺寸基本相同，这就使得满足一定精度前提下，现有块体离散元计算中块体数量过多，且块体生成的质量难以保证。同时无法生成渐进式的高质量块体离散元模型。3.复杂岩土工程的离散块体模型生成复杂没有专业的建模软件和方法，建模通常生成多个结构面进行逐一切割，这些方法需要一定软件使用基础，且操作复杂，生成效率低。为此需要，简洁方便的块体离散元建模方法和前处理软件。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种基于渐进有限元网格和Voronoi分割法的块体离散元模型生成方法，达到以下目的：(1)生成能够满足任意尺寸分布的块体离散元模型，降低块体离散元模型与实际岩土工程中块体尺寸分布和形态的差异性，扩真块体离散元模型的应用范围；(2)生成块体形态好、数量适中，块体尺寸渐进，能够有效提高计算效率，降低计算成本的高质量块体离散元模型；(3)开发能够易于操作，建模效率高，可以直接适用于当前大部分块体离散元软件计算的块体离散元建模软件，减小复杂、繁琐的建模过程。为达到上述目的，本专利技术提供如下技术方案：基于渐进有限元网格和Voronoi分割法的块体离散元模型生成方法，包括以下步骤：S1：采用CAD绘制建模信息；S2：读取建模信息和生成高质量、连续、渐进的三角网格；S3：生成离散模型与输出最终计算文件；S4：将步骤S1-S3整合到一个软件，使得仅需绘制CAD图和给定块体最小尺寸，便直接生成直接用于计算的DDA块体离散元模型、UDEC块体离散元模型和3DEC块体离散元模型。进一步，所述步骤S1具体为：采用CAD交互操作绘制岩土工程问题所需的外形边界轮廓和施工边界轮廓，并在CAD图中绘制出所需特定块体尺寸分布的尺寸轮廓，若无法给定尺寸分布轮廓，则输入节点点阵代替尺寸分布规律，并最终保存为dxf格式；其中绘图的CAD建模信息，满足以下建模准则：(1)图层编号：用于区分外形轮廓、内施工轮廓和尺寸轮廓；①图层编号等于0代表岩土工程外形轮廓边界和结构面；②图层编号小于0代表岩土施工边界，可以含有多个岩体施工面；③图层编号大于0代表尺寸分布边界，其值即为网格尺寸和离散元块体尺寸，默认为国际长度单位“米”；(2)几何组成：用于绘制具体的建模信息；①节点：用于定位，当单个位置需要设立块体或特定块体尺寸分布时，绘制单个节点或采用节点点阵的方式，采用点阵插值的方式表征整体模型的块体尺寸分布和块体分布；②线段：代表结构面或其他需要切割块体的非封闭区域；③封闭多线段：代表边界轮廓，即表征外边界轮廓、施工边界轮廓或块体的尺寸分布轮廓；三种轮廓采用图层编号的类别进行区分；其中：①若不给定块体最大最小尺寸，最大尺寸为最小尺寸的4倍，最小尺寸默认为1m；②软件在岩土施工边界和线段处，自动将块体均匀切割，实际施工边界和线段处，块体尺寸将为最小块体尺寸的一半，即在岩土施工边界处块体尺寸进行自动加密；③块体尺寸分布存在冲突时，默认优先级顺序为：1)岩土施工边界、线段；2)尺寸轮廓边界；3)节点点阵分布；4)外边界；即同一位置块体尺寸由优先级最高的尺寸规律控制，若含有施工边界或结构面，该处块体尺寸自动减小一半；④模型中没有设置块体尺寸的区域，将根据周边已设定的块体尺寸进行渐进插值，自动生成尺寸渐进分布的模型；⑤生成的最终UDEC计算模型中，整体块体离散元节理接触ID为1，岩土施工边界处的节理接触ID为2，结构面切割产生的接触ID大于3，其具体数值为线段图层编号的绝对值+3。进一步，所述步骤S2具体为：首先编写软件自动读入格式为dxf，含有建模信息CAD文件，获取详细的岩土工程内、外边界和块体尺寸的建模信息，再根据块体尺寸分布信息和岩土工程轮廓编写尺寸分布函数，采用尺寸分布函数，利用改进后DISTMESH代码对整个复杂岩土工程区域进行包含内边界、高质量的渐进连续三角网格划分；包括以下内容：①dxf格式导入接口，用于获取点、线、多线的几何信息和图层信息，并对获取的信息；安装步骤S1制定的规则进行分类和整理；②根据外边界轮廓、岩土工程内边界轮廓、尺寸分布轮廓或尺寸分布点阵，生成整个岩土工程区域范围的块体尺寸分布函数；③改进DISTMESH代码，采用建立的块体尺寸分布函数，使其生成包含内边界的高质量三角渐进网格。进一步，所述步骤S3具体为：对生成的高质量渐进三角网格，生成其对偶的Voronoi图，并采用已有的施工边界轮廓对其进行切割，完成最终包含整个施工轮廓线的Voronoi图；将生成Voronoi图导出为dxf格式，对整个块体进行切割，生成所需的块体数量适中，高质量的渐进块体离散元模型，并转换为当前主流块体离散元软件所需的模型格式；包括以下内容：①三角网格的对偶Voronoi图生成；本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于渐进有限元网格和Voronoi分割法的块体离散元模型生成方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：S1：采用CAD绘制建模信息；S2：读取建模信息和生成高质量、连续、渐进的三角网格；S3：生成离散模型与输出最终计算文件；S4：将步骤S1‑S3整合到一个软件，使得仅需绘制CAD图和给定块体最小尺寸，便直接生成直接用于计算的DDA块体离散元模型、UDEC块体离散元模型和3DEC块体离散元模型。

【技术特征摘要】
1.基于渐进有限元网格和Voronoi分割法的块体离散元模型生成方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：S1：采用CAD绘制建模信息；S2：读取建模信息和生成高质量、连续、渐进的三角网格；S3：生成离散模型与输出最终计算文件；S4：将步骤S1-S3整合到一个软件，使得仅需绘制CAD图和给定块体最小尺寸，便直接生成直接用于计算的DDA块体离散元模型、UDEC块体离散元模型和3DEC块体离散元模型。2.根据权利要求1所述的基于渐进有限元网格和Voronoi分割法的块体离散元模型生成方法，其特征在于：所述步骤S1具体为：采用CAD交互操作绘制岩土工程问题所需的外形边界轮廓和施工边界轮廓，并在CAD图中绘制出所需特定块体尺寸分布的尺寸轮廓，若无法给定尺寸分布轮廓，则输入节点点阵代替尺寸分布规律，并最终保存为dxf格式；其中绘图的CAD建模信息，满足以下建模准则：(1)图层编号：用于区分外形轮廓、内施工轮廓和尺寸轮廓；①图层编号等于0代表岩土工程外形轮廓边界和结构面；②图层编号小于0代表岩土施工边界，可以含有多个岩体施工面；③图层编号大于0代表尺寸分布边界，其值即为网格尺寸和离散元块体尺寸，默认为国际长度单位“米”；(2)几何组成：用于绘制具体的建模信息；①节点：用于定位，当单个位置需要设立块体或特定块体尺寸分布时，绘制单个节点或采用节点点阵的方式，采用点阵插值的方式表征整体模型的块体尺寸分布和块体分布；②线段：代表结构面或其他需要切割块体的非封闭区域；③封闭多线段：代表边界轮廓，即表征外边界轮廓、施工边界轮廓或块体的尺寸分布轮廓；三种轮廓采用图层编号的类别进行区分；其中：①若不给定块体最大最小尺寸，最大尺寸为最小尺寸的4倍，最小尺寸默认为1m；②软件在岩土施工边界和线段处，自动将块体均匀切割，实际施工边界和线段处，块体尺寸将为最小块体尺寸的一半，即在岩土施工边界处块体尺寸进行自动加密；③块体尺寸分布存在冲突时，默认优先级顺序为：1)岩土施工边界、线段；2)尺寸轮廓边界；3)节点点阵分布；4)外边界；即同一位置...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘新荣，杜立兵，何伟，蔡白洁，
申请(专利权)人：重庆大学，四川建筑职业技术学院，
类型：发明
国别省市：重庆,50