本發(fā)明涉及一種針對三維坐標(biāo)系下的有限元模型基于拓?fù)渥R別生成接觸單元的方法，屬于三維接觸單元生成
技術(shù)領(lǐng)域：
。
背景技術(shù)：
：在水工結(jié)構(gòu)的靜、動力分析中，存在著大量的接觸面模擬問題，如巖體結(jié)構(gòu)面包括巖石的分界面、層理、節(jié)理、斷層等，混凝土結(jié)構(gòu)分縫例如橫縫、縱橫、施工縫，結(jié)構(gòu)與地基的交界面，樁基與土接觸的交界面等。這些接觸面在力學(xué)上可以采用接觸單元進行模擬，接觸單元在幾何上可抽象為一個無厚度的平面線段或空間面片，接觸單元可由上下兩對坐標(biāo)值相同、不同節(jié)點編碼的節(jié)點組成。接觸單元生成問題是有限元方法前處理技術(shù)中的一個重要問題。早期接觸單元的生成主要靠人工來處理，根據(jù)接觸面的位置，人為調(diào)整節(jié)點編碼并形成接觸單元。后來，隨著有限元網(wǎng)格剖分技術(shù)的發(fā)展，接觸單元生成基本上是按照“實體定義——網(wǎng)絡(luò)離散——接觸搜索”的步驟來實現(xiàn)的，實質(zhì)上就是在需要設(shè)置接觸單元的位置，定義兩個擁有共同節(jié)點坐標(biāo)的幾何線段或面片，網(wǎng)格離散后經(jīng)搜索便能形成滿足要求的接觸單元，或者將接觸單元兩側(cè)網(wǎng)格存為兩個不同的文件，分別對其編碼后，將其中一個文件讀入另一個文件，通過交界面屬性判斷來形成接觸單元。上述方法提高了接觸單元生成的準(zhǔn)確度和效率，避免了人工方法的不確定性，但是在進行工程問題具體計算分析時，需要根據(jù)實際情況隨時增加或改變接觸單元的設(shè)置。因此這種接觸單元的生成方法只有從實體模型層面修改模型或者從有限元模型文件操作方面才能解決，這給接觸單元生成及調(diào)整帶來了諸多不便。從客觀上來講，接觸單元的生成問題可視為一個節(jié)點重復(fù)編碼的問題，這屬于單元層面的問題，最好還是從單元層面上進行解決。由此可見，設(shè)計出一種可準(zhǔn)確、高效、便捷地生成接觸單元的技術(shù)方案，是目前急需解決的問題。技術(shù)實現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的在于提供一種基于拓?fù)渥R別的三維接觸單元生成方法，其從實體單元和節(jié)點定義出發(fā)，可快速生成完全滿足有限元網(wǎng)格拓?fù)潢P(guān)聯(lián)關(guān)系的三維接觸單元，這對接觸單元研究具有重要的實踐價值。為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用了以下技術(shù)方案：一種基于拓?fù)渥R別的三維接觸單元生成方法，其特征在于，它包括步驟：1)設(shè)定一有限元模型由若干實體單元組成，指定哪幾個實體單元上的哪幾個單元面作為接觸面需要生成接觸單元；2)獲取接觸面上的所有節(jié)點以及每個節(jié)點相關(guān)聯(lián)的實體單元，為每個節(jié)點形成關(guān)聯(lián)實體單元組；3)根據(jù)接觸面信息，找出構(gòu)成接觸面的各單元面所對應(yīng)的共軛實體單元對；4)根據(jù)單元面是否屬于接觸面，判斷接觸面上各節(jié)點的關(guān)聯(lián)實體單元組被接觸面所分割成的不連通子區(qū)域個數(shù)；5)基于接觸面上每個節(jié)點的關(guān)聯(lián)實體單元組被接觸面分割的個數(shù)，確定接觸面上各節(jié)點所需分離的個數(shù)，以對節(jié)點實施分離；6)更新共軛實體單元對的各節(jié)點編碼，生成三維接觸單元。本發(fā)明的優(yōu)點是：1、本發(fā)明可準(zhǔn)確、高效、快速、便捷地生成三維接觸單元，不涉及修改實體模型層面或者操作有限元模型文件的問題，大大簡化了接觸單元的生成過程，極大提高了生成效率，在工程數(shù)值計算中具有重要的應(yīng)用價值，對有限元前處理技術(shù)的發(fā)展具有重要的參考價值。2、本發(fā)明具有堅實的幾何拓?fù)淅碚摶A(chǔ)，所獲得的三維接觸單元嚴(yán)格滿足有限元方法中實體單元與節(jié)點之間的拓?fù)潢P(guān)聯(lián)關(guān)系。3、本發(fā)明對接觸單元的生成是基于實體單元層面操作的，不受有限元模型實體單元布置的局限與影響，換句話說，本發(fā)明的實施不局限于某種實體單元形態(tài)，其可適用于任意空間形態(tài)的實體單元(有限元網(wǎng)格)。附圖說明圖1是本發(fā)明的實施流程圖。圖2是待生成接觸單元的一有限元模型圖。圖3是接觸面上各節(jié)點示意圖。圖4是生成的三維接觸單元示意圖。具體實施方式如圖1所示，本發(fā)明基于拓?fù)渥R別的三維接觸單元生成方法包括如下步驟：1)設(shè)定一有限元模型由若干實體單元組成，指定哪幾個實體單元上的哪幾個單元面作為接觸面需要生成接觸單元。2)獲取接觸面上的所有節(jié)點以及每個節(jié)點相關(guān)聯(lián)的實體單元，為每個節(jié)點形成關(guān)聯(lián)實體單元組。具體來說，若某一節(jié)點處于某一實體單元上，則此節(jié)點與此實體單元關(guān)聯(lián)。某一節(jié)點的關(guān)聯(lián)實體單元組即為與此節(jié)點相關(guān)聯(lián)的所有實體單元的集合。3)根據(jù)接觸面信息，找出構(gòu)成接觸面的各單元面所對應(yīng)的共軛實體單元對。具體來說，構(gòu)成共軛實體單元對的兩個實體單元共同擁有屬于接觸面的某一個單元面。4)根據(jù)單元面是否屬于接觸面，判斷接觸面上各節(jié)點的關(guān)聯(lián)實體單元組被接觸面所分割成的不連通子區(qū)域個數(shù)，即得到各關(guān)聯(lián)實體單元組的區(qū)域分割特性。5)基于接觸面上每個節(jié)點的關(guān)聯(lián)實體單元組被接觸面分割的個數(shù)，確定接觸面上各節(jié)點所需分離的個數(shù)，以對節(jié)點實施分離。6)更新共軛實體單元對的各節(jié)點編碼，生成三維接觸單元。在步驟1)中，接觸面由至少一個實體單元的至少一個單元面構(gòu)成。例如，接觸面由一個實體單元的一個單元面構(gòu)成。又例如，接觸面由兩個實體單元、每個實體單元上的兩個單元面構(gòu)成。在步驟1)中，輸入以下數(shù)據(jù)：有限元模型數(shù)據(jù)，其包括節(jié)點個數(shù)、實體單元個數(shù)、各節(jié)點坐標(biāo)以及各節(jié)點編碼、各實體單元編碼、各實體單元上的各節(jié)點編碼；接觸面信息，其包括構(gòu)成接觸面的單元面?zhèn)€數(shù)、構(gòu)成接觸面的各單元面所屬實體單元編碼以及構(gòu)成接觸面的各單元面所在實體單元上的單元面編碼。在實際設(shè)計中，步驟2)具體包括：根據(jù)有限元模型的實體單元與節(jié)點之間的拓?fù)潢P(guān)聯(lián)關(guān)系，對接觸面上所有節(jié)點進行遍歷查找，為每個節(jié)點形成關(guān)聯(lián)實體單元組，其中：關(guān)聯(lián)實體單元組用于存儲一節(jié)點編碼以及此節(jié)點所關(guān)聯(lián)的所有實體單元編碼。在實際設(shè)計中，步驟3)具體包括：根據(jù)接觸面信息以及關(guān)聯(lián)實體單元組，查找共用接觸面上的各單元面的另外一個實體單元，從而找出構(gòu)成接觸面的各單元面所對應(yīng)的共軛實體單元對，并且獲得各共軛實體單元對中各實體單元編碼以及實體單元上屬于接觸面的單元面編碼。也就是說，在設(shè)定預(yù)生成的接觸單元所對應(yīng)的接觸面所包括的單元面后，此時僅得到共軛實體單元對中的一個實體單元，而與此實體單元共軛的另一實體單元需要通過步驟3)來獲得。在實際設(shè)計中，在步驟4)中，對于每個節(jié)點的關(guān)聯(lián)實體單元組執(zhí)行如下步驟：4-1)在此節(jié)點的關(guān)聯(lián)實體單元組中，找出所有共面實體單元對，共面實體單元對即為共同擁有同一單元面的兩個實體單元；4-2)根據(jù)共面實體單元對共同擁有的單元面屬性這一區(qū)域連通性要求，判斷共面實體單元對的兩個實體單元之間的連通性，其中：若共面實體單元對共同擁有的單元面屬于接觸面，即此單元面為構(gòu)成接觸面中的某一單元面，則共面實體單元對的兩個實體單元的區(qū)域特性不同，分別標(biāo)記為不同的區(qū)域特性符號(例如可分別表示為1、2，或者a、b)，若共面實體單元對共同擁有的單元面不屬于接觸面，即此單元面不是接觸面中的某一單元面，則，共面實體單元對的兩個實體單元的區(qū)域特性相同，標(biāo)記為相同的區(qū)域特性符號；4-3)重復(fù)執(zhí)行4-2)直至遍歷完所有共面實體單元對，其中：同一實體單元的區(qū)域特性符號相同；4-4)統(tǒng)計區(qū)域特性符號的類型個數(shù)，相同區(qū)域特性符號屬于同一類型，反之屬于不同類型，從而得出此節(jié)點的關(guān)聯(lián)實體單元組被接觸面分割成不連通子區(qū)域的個數(shù)，其中：不連通子區(qū)域的個數(shù)等于區(qū)域特性符號的類型個數(shù)。在實際設(shè)計中，步驟5)具體包括：對于接觸面上每個節(jié)點的關(guān)聯(lián)實體單元組進行如下判斷：若此節(jié)點的關(guān)聯(lián)實體單元組被接觸面分割的個數(shù)n等于1，則此節(jié)點不需要分離；若此節(jié)點的關(guān)聯(lián)實體單元組被接觸面分割的個數(shù)n大于1，則此節(jié)點需要分離的個數(shù)m為(n-1)，即m＝n-1，并對分離出的節(jié)點進行編碼，此編碼應(yīng)異于原始節(jié)點編碼。需要指出的是，分離出的節(jié)點編碼與原始節(jié)點編碼不同，此分離的含義為坐標(biāo)值相同的若干節(jié)點重疊在一起的“分離”，分離操作的節(jié)點以其自身原始坐標(biāo)重復(fù)表示若干次，即分離出的節(jié)點與原始節(jié)點坐標(biāo)相同。在實際設(shè)計中，步驟6)具體包括：根據(jù)接觸面上分離后的節(jié)點編碼，更新各共軛實體單元對的各節(jié)點編碼；基于三維接觸單元編碼規(guī)則，根據(jù)實體單元與節(jié)點之間的拓?fù)潢P(guān)聯(lián)關(guān)系，遍歷接觸面所對應(yīng)的所有共軛實體單元對，獲得接觸單元上的各節(jié)點編碼，完成三維接觸單元的生成。在本發(fā)明中，實體單元可為六面體、五面體或四面體等，例如立方體、長方體，當(dāng)然還可為其它立體圖形，如棱錐等。但在本發(fā)明中，相鄰實體單元之間應(yīng)滿足一個實體單元上的一個單元面僅與另一個實體單元上的相應(yīng)一個單元面共面。在本發(fā)明中，有限元模型、實體單元、單元面、三維接觸單元、接觸面、節(jié)點以及連通性、分離等概念均為本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)掌握的常規(guī)概念，故在這里不再對其定義進行詳述。下面將以圖2所示有限元模型為例，來說明本發(fā)明的具體實施過程：第一步，根據(jù)輸入的有限元模型得到兩部分?jǐn)?shù)據(jù)：一部分是有限元模型數(shù)據(jù)，包括節(jié)點個數(shù)，實體單元個數(shù)，各節(jié)點坐標(biāo)、各節(jié)點編碼、各實體單元編碼、以及各實體單元上的各節(jié)點編碼，其屬于實體單元與節(jié)點拓?fù)湫畔ⅲ缦卤?～3所示；另一部分是接觸面信息，包括接觸面所涉及的單元面?zhèn)€數(shù)、接觸面所涉及的各單元面所在的實體單元編碼以及接觸面所涉及的各單元面所在實體單元上的編碼(單元面編碼)，如下表4～5所示。在本發(fā)明中，每個實體單元上的8個節(jié)點所處位置按照自定義順序排序，每個實體單元上的6個單元面按照自定義順序排序，因此，對于實體單元，每個單元面與其上四個節(jié)點所處實體單元上的位置之間具有一定的拓?fù)潢P(guān)系，如表6所示。表3、6中的括弧加數(shù)字表示實體單元上的節(jié)點所處的位置編碼。如圖2，圖中示出的有限元模型由8個實體單元組成，共27個節(jié)點，各實體單元的編碼以數(shù)字形式在圓圈內(nèi)標(biāo)出，各節(jié)點編碼在節(jié)點旁以粗體數(shù)字標(biāo)出。圖2未示出實體單元上各單元面的編碼。此有限元模型預(yù)生成的接觸單元對應(yīng)的接觸面由3個單元面組成。表1節(jié)點個數(shù)及實體單元個數(shù)信息節(jié)點個數(shù)實體單元個數(shù)278表2節(jié)點坐標(biāo)信息表3實體單元的各節(jié)點編碼信息表4接觸面信息表一單元面?zhèn)€數(shù)3表5接觸面信息表二表6單元面與節(jié)點間的拓?fù)潢P(guān)系表第二步，針對接觸面上的所有節(jié)點，如圖3所示，為各節(jié)點形成關(guān)聯(lián)實體單元組，如下表7所示。表7關(guān)聯(lián)實體單元組第三步，針對接觸面的各單元面，找出所有共軛實體單元對，并且針對各共軛實體單元對，獲得共軛實體單元對中各實體單元編碼以及各實體單元上屬于接觸面的單元面編碼，如下表8～9所示。表8共軛實體單元對信息表一共軛實體單元對個數(shù)3表9共軛實體單元對信息表二第四步，獲得接觸面上每個節(jié)點的關(guān)聯(lián)實體單元組的區(qū)域分割特性，如下表10所示。表10節(jié)點的關(guān)聯(lián)實體單元組的區(qū)域分割特性表舉例說明，由上表10可以看出，處于接觸面上的節(jié)點12的關(guān)聯(lián)實體單元組由實體單元2、4、6、8構(gòu)成，通過共面實體單元對共同擁有的單元面屬性(是否屬于接觸面)，得到實體單元8的區(qū)域特性符號異于實體單元2、4、6的區(qū)域特性符號，實體單元2、4、6的區(qū)域特性符號相同。即判斷出實體單元2與實體單元4之間、實體單元2與實體單元6之間是連通的，實體單元4與實體單元8之間、實體單元6與實體單元8之間是不連通的。由此，統(tǒng)計出區(qū)域特性符號的類型個數(shù)為2，所以節(jié)點12的關(guān)聯(lián)實體單元組被接觸面分割成不連通子區(qū)域的個數(shù)為2。由此可以得出，接觸面上的所有節(jié)點7、12、15、18、21、24、25對應(yīng)的關(guān)聯(lián)實體單元組均被接觸面分割成2個不連通子區(qū)域。第五步，因為接觸面上的所有節(jié)點的關(guān)聯(lián)實體單元組被接觸面分割成的不連通子區(qū)域均為2個，大于1，因此，各節(jié)點需要分離的個數(shù)m為(2-1)，即需要分離出1個新節(jié)點，由此對分離出的新節(jié)點進行異于原始節(jié)點編碼的編碼，如下表11所示。表11分離后形成的新節(jié)點匯總表第六步，基于對各共軛實體單元對的各節(jié)點編碼的更新，再根據(jù)實體單元與節(jié)點之間的拓?fù)潢P(guān)聯(lián)關(guān)系，更新接觸單元上的各節(jié)點編碼，如下表12所示，從而最終生成三維接觸單元。表12更新后接觸單元的節(jié)點編碼由表12可以看出，最終生成的接觸單元由三個子單元組成，每個子單元是原來形成接觸面的相應(yīng)單元面生成的，最終生成的三維接觸單元如圖4所示。本發(fā)明的優(yōu)點是：1、本發(fā)明可準(zhǔn)確、高效、快速、便捷地生成三維接觸單元，不涉及修改實體模型層面或者操作有限元模型文件的問題，大大簡化了接觸單元的生成過程，極大提高了生成效率，在工程數(shù)值計算中具有重要的應(yīng)用價值，對有限元前處理技術(shù)的發(fā)展具有重要的參考價值。2、本發(fā)明具有堅實的幾何拓?fù)淅碚摶A(chǔ)，所獲得的三維接觸單元嚴(yán)格滿足有限元方法中實體單元與節(jié)點之間的拓?fù)潢P(guān)聯(lián)關(guān)系。3、本發(fā)明對接觸單元的生成是基于實體單元層面操作的，不受有限元模型實體單元布置的局限與影響，換句話說，本發(fā)明的實施不局限于某種實體單元形態(tài)，其可適用于任意空間形態(tài)的實體單元(有限元網(wǎng)格)。以上所述是本發(fā)明較佳實施例及其所運用的技術(shù)原理，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，在不背離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，任何基于本發(fā)明技術(shù)方案基礎(chǔ)上的等效變換、簡單替換等顯而易見的改變，均屬于本發(fā)明保護范圍之內(nèi)。當(dāng)前第1頁12