一种岩土结构耦联体系的数字孪生模型构建方法技术

本发明专利技术公开了一种岩土结构耦联体系的数字孪生模型构建方法，包括：输入岩土地层面的几何与地层属性参数、模型边界范围；设定工程结构体模型及其材料属性；建立岩土结构体系的三维几何模型；对岩土地层体与工程结构体进行面—面重叠处理；建立岩土结构一体化模型；输入单元网格划分的尺寸等参数；建立岩土结构体系的可计算模型；判定岩土地层体与结构体的重叠状态，形成岩土结构耦联体系；通过数值模拟得到耦联体系的应力场、位移场等；实现了岩土结构耦联体系从可视化模型到可计算模型的数据转化，提高了岩土结构分析效率，为施工设计一体化提供了有力的支撑。一体化提供了有力的支撑。一体化提供了有力的支撑。

【技术实现步骤摘要】
一种岩土结构耦联体系的数字孪生模型构建方法


[0001]本专利技术属于土木建筑、工程地质、水利水电、交通等岩土工程与防灾减灾工程
，具体涉及一种岩土结构耦联体系的数字孪生模型构建方法，适用于边坡、隧道与基坑等工程的建模与数值模拟分析。

技术介绍

[0002]随着我国山区城镇化等国家战略实施，建筑、水利、交通领域的边坡、隧道、基坑等工程的规模快速发展。这些大规模边坡、隧道、基坑工程建设是以岩土地层为赋存环境，修建工程结构体。在工程运营过程中，岩土地层与工程结构的协调变形与相互作用是关键问题。岩土地层与工程结构作为一个体系，体系的可视化模型可以为施工人员提供直观的工程原型，便于工程建设；体系的可计算模型可以为设计人员提供明确的分析对象，便于参数校核。目前，岩土地层与工程结构体系的可视化模型可以借助Civil3D等软件将岩土地层数据、工程结构数据呈现给工程人员；岩土地层与工程结构体系的可计算模型可以借助Ansys、Abaqus等通用有限元软件实现。
[0003]然而，如何将岩土地层与工程结构体系的可视化模型转化为可计算模型，从而实现施工设计一体化是当前工程界与学术界的难题，其核心是将岩土地层与工程结构体整合为一个耦联体系。因此，亟需发展岩土结构耦联体系的数字孪生模型构建方法。

技术实现思路

[0004]为解决现有技术的不足，本专利技术要解决的是如何将岩土地层与工程结构体系的可视化模型转化为可计算模型的问题。
[0005]为了实现上述目的，本专利技术涉及：一种岩土结构耦联体系的数字孪生模型构建方法，包括如下步骤，
[0006]步骤一、设定岩土地层面的几何与地层属性参数、模型边界范围；
[0007]步骤二、按体—面—线—点的几何拓扑关系建立工程结构体模型，给定每个工程结构体的材料属性，并将其赋予组成该结构体的所有面、点；
[0008]步骤三、采用模型边界切割岩土地层面，形成岩土地层体，并集成工程结构体，建立岩土结构体系的三维几何模型；
[0009]步骤四、针对所有的岩土地层体与工程结构体，如果存在面—面重叠，在几何上进行布尔运算处理，并对重叠面的地层或材料属性进行修正；
[0010]步骤五、针对所有的岩土地层体与工程结构体，对存在重叠的岩土地层体与结构体进行面—面布尔运算，通过回路分析得到岩土结构一体化模型，并对模型中的有向体、有向面、有限线段、顶点的地层或材料属性进行修正；
[0011]步骤六、设定单元网格划分的尺寸参数；
[0012]步骤七、针对岩土结构一体化模型，采用单元网格划分方法，建立岩土结构体系的可计算模型，并给每个单元赋予地层或材料属性；
[0013]步骤八、建立三维几何模型、一体化模型、可计算模型三者之间的拓扑相关关系，判定岩土地层体与结构体的重叠状态，形成岩土结构耦联体系；
[0014]步骤九、得到耦联体系的单元、面、线、点几何与属性参数；
[0015]步骤十、设定岩土物理力学参数、接触计算参数以及模型边界条件；
[0016]步骤十一、设置岩体—结构耦联体系的分析流程，采用数值模拟方法进行分步模拟，得到耦联体系的应力场、位移场等；
[0017]步骤十二、结束分析。
[0018]进一步的，所述步骤三中建立岩土结构体系的三维几何模型；该方法的具体步骤为：
[0019]步骤3.1、在统一三维坐标系下描述岩土地层面、模型边界、工程结构体模型；
[0020]步骤3.2、采用模型边界切割岩土地层面，去除岩土地层面在边界外的部分，剩下的岩土地层面与模型边界围成岩土地层体，根据岩土地层面的属性确定岩土地层体的属性；
[0021]步骤3.3、采用体—面—线—点的几何拓扑关系描述岩土地层体、工程结构体，建立岩土结构体系的三维几何模型。
[0022]进一步的，所述步骤四中岩土地层体与工程结构体的面—面重叠处理；该处理过程的具体步骤为：
[0023]步骤4.1、选取任意一个岩土地层体与一个工程结构体，开始面—面重叠分析，进入步骤4.2；若所有岩土地层体与工程结构体都分析完，进入步骤4.7；
[0024]步骤4.2、选取岩土地层体的一个面与工程结构体的一个面，进行共面分析，若所有面都分析完，进入步骤4.1；
[0025]步骤4.3、判断两个面是否共面，若不共面，进入步骤4.6；
[0026]步骤4.4、判断两个面的重叠状态，包括不重叠、部分重叠、包含三种状态，若为不重叠状态，进入步骤4.6；
[0027]步骤4.5、两个面为部分重叠或包含状态，对两个重叠面进行布尔运算，将重叠区域视为新的面(重叠面)，更新两个面的几何形态，并修正重叠面的地层或材料属性；
[0028]步骤4.6、两个面的重叠分析结束，进入步骤4.2；
[0029]步骤4.7、岩土地层体与工程结构体的面—面重叠分析结束。
[0030]进一步的，所述通过回路分析得到岩土结构一体化模型的具体方法为：
[0031]步骤5.1、选取任意一个岩土地层体与一个工程结构体，开始面—面分析，若所有岩土地层体与工程结构体都分析完，进入步骤5.4；
[0032]步骤5.2、选取岩土地层体的一个面与工程结构体的一个面，进行相交分析，若所有面都分析完，进入步骤5.1；
[0033]步骤5.3、计算面与面相交的点、线，将岩土地层体与工程结构体的面属性参数，设定给交点与交线，进入步骤5.2；
[0034]步骤5.4、岩土地层体与工程结构体的面—面分析结束；
[0035]步骤5.5、选取任意一个岩土地层体或工程结构体，进行有向面与有向体搜索；若所有岩土地层体与工程结构体都分析完，进入步骤5.14；否则进入步骤5.6
[0036]步骤5.6、选取岩土地层体或工程结构体的一个面，进行有向面搜索，若所有面都
分析完，进入步骤5.11，否则进入步骤5.7；
[0037]步骤5.7、根据面上的有向线段，包括岩土地层体与工程结构体的线、面面之间的交线，搜索出所有闭合回路，每个闭合回路为一个有向环；
[0038]步骤5.8、通过判断面上有向环之间的包含关系，搜索面上所有的有向面；
[0039]步骤5.9、针对面上没有形成有向环的有向线段、顶点，将它们存储到对应的有向面；
[0040]步骤5.10、形成该面上的有向面—有向环—有向线段—顶点的几何拓扑关系，将面的属性继承给有向面，进入步骤5.6；
[0041]步骤5.11、根据岩土地层体或工程结构体上的有向面，搜索出所有闭合回路，每个闭合回路为一个有向壳；
[0042]步骤5.12、通过判断体上有向壳之间的包含关系，搜寻体上所有的有向体；
[0043]步骤5.13、形成该体上的有向体—有向壳—有向面的几何拓扑关系，将体的属性设定给有向体，进入步骤5.5；
[0044]步骤5.14、得到岩土结构一体化模型，结束分析。
[0045]进一步的，所述步骤七中建本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种岩土结构耦联体系的数字孪生模型构建方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一、设定岩土地层面的几何与地层属性参数、模型边界范围；步骤二、按体—面—线—点的几何拓扑关系建立工程结构体模型，给定每个工程结构体的材料属性，并将其赋予组成该结构体的所有面、点；步骤三、采用模型边界切割岩土地层面，形成岩土地层体，并集成工程结构体，建立岩土结构体系的三维几何模型；步骤四、针对所有的岩土地层体与工程结构体，如果存在面—面重叠，在几何上进行布尔运算处理，并对重叠面的地层或材料属性进行修正；步骤五、针对所有的岩土地层体与工程结构体，对存在重叠的岩土地层体与结构体进行面—面布尔运算，通过回路分析得到岩土结构一体化模型，并对模型中的有向体、有向面、有限线段、顶点的地层或材料属性进行修正；步骤六、设定单元网格划分的尺寸参数；步骤七、针对岩土结构一体化模型，采用单元网格划分方法，建立岩土结构体系的可计算模型，并给每个单元赋予地层或材料属性；步骤八、建立三维几何模型、一体化模型、可计算模型三者之间的拓扑相关关系，判定岩土地层体与结构体的重叠状态，形成岩土结构耦联体系；步骤九、得到耦联体系的单元、面、线、点几何与属性参数；步骤十、设定岩土物理力学参数、接触计算参数以及模型边界条件；步骤十一、设置岩体—结构耦联体系的分析流程，采用数值模拟方法进行分步模拟，得到耦联体系的应力场、位移场；步骤十二、结束分析。2.根据权利要求1所述的岩土结构耦联体系的数字孪生模型构建方法，其特征在于，所述步骤三中建立岩土结构体系的三维几何模型；该方法的具体步骤为：步骤3.1、在统一三维坐标系下描述岩土地层面、模型边界、工程结构体模型；步骤3.2、采用模型边界切割岩土地层面，去除岩土地层面在边界外的部分，剩下的岩土地层面与模型边界围成岩土地层体，根据岩土地层面的属性确定岩土地层体的属性；步骤3.3、采用体—面—线—点的几何拓扑关系描述岩土地层体、工程结构体，建立岩土结构体系的三维几何模型。3.根据权利要求1所述的岩土结构耦联体系的数字孪生模型构建方法，其特征在于，所述步骤四中岩土地层体与工程结构体的面—面重叠处理；该处理过程的具体步骤为：步骤4.1、选取任意一个岩土地层体与一个工程结构体，开始面—面重叠分析，进入步骤4.2；若所有岩土地层体与工程结构体都分析完，进入步骤4.7；步骤4.2、选取岩土地层体的一个面与工程结构体的一个面，进行共面分析，若所有面都分析完，进入步骤4.1；步骤4.3、判断两个面是否共面，若不共面，进入步骤4.6；步骤4.4、判断两个面的重叠状态，包括不重叠、部分重叠、包含三种状态，若为不重叠状态，进入步骤4.6；步骤4.5、两个面为部分重叠或包含状态，对两个重叠面进行布尔运算，将重叠区域视为新的面(重叠面)，更新两个面的几何形态，并修正重叠面的地层或材料属性；
步骤4.6、两个面的重叠分析结束，进入步骤4.2；步骤4.7、岩土地层体与工程结构体的面—面重叠分析结束。4.根据权利要求1所述的岩土结构耦联体系的数字孪生模型构建方法，其特征在于，所述通过回路分析得到岩土结构一体化模型的具体方法为：步骤5.1、选取任意一个岩土地层体与一个工程结构体，开始面—面分析，若所有岩土地层体与工程结构体都分析完，进入步骤5.4；步骤5.2、选取岩土地层体的一个面与工程结构体的一个面，...

【专利技术属性】
技术研发人员：付晓东，陈健，盛谦，吴佳明，杜文杰，周永强，黄珏皓，陈国良，
申请(专利权)人：中国科学院武汉岩土力学研究所，
类型：发明
国别省市：