本發(fā)明屬于土體裂縫模擬，具體涉及一種優(yōu)化約束delaunay剖分的壁面裂隙網(wǎng)格模型構(gòu)建方法。

背景技術(shù)：

1、隨著考古人員對(duì)土體的挖掘，土體裂縫會(huì)對(duì)遺址保護(hù)帶來嚴(yán)重的安全危害，因此土體裂縫是一個(gè)不可忽視的問題。此外，在地質(zhì)形成的長(zhǎng)期發(fā)育過程中，以及人為因素，挖掘后的土體必然會(huì)有裂隙產(chǎn)生。

2、因此，在相關(guān)工程中對(duì)土體裂縫進(jìn)行研究非常重要，目前常用的手段是對(duì)土體裂縫進(jìn)行建模。數(shù)值模擬研究存在一個(gè)重要的問題——真實(shí)裂隙模型的建立，即構(gòu)建能夠真實(shí)表達(dá)出壁面裂隙形狀與發(fā)育方向的裂隙模型。如中國(guó)專利，cn108090313b，公開了一種復(fù)雜巖石裂隙模型建模識(shí)別方法，前期采用proe優(yōu)秀的建模能力，對(duì)復(fù)雜模型進(jìn)行建模，中期利用ansys強(qiáng)大的網(wǎng)格處理器進(jìn)行網(wǎng)格劃分，后期利用flac3d進(jìn)行模擬計(jì)算，優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)、取長(zhǎng)補(bǔ)短，實(shí)現(xiàn)proe、ansys和flac3d之間無差錯(cuò)鏈接。該方法雖然避免了研究技術(shù)人員為研究flac3d中復(fù)雜的fish語(yǔ)言耗費(fèi)大量的時(shí)間精力，又避免了無法對(duì)巖土工程問題中復(fù)雜模型的建模以及網(wǎng)格劃分，但是沒有充分考慮裂隙在空間中的發(fā)育情況，只考慮了徑向方向。因此需要研究裂隙在三維空間發(fā)育情況的裂隙數(shù)值模擬模型，來克服規(guī)則裂隙進(jìn)行的數(shù)值模擬得出結(jié)果與現(xiàn)實(shí)不規(guī)則裂隙之間的誤差等問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種優(yōu)化約束delaunay剖分的壁面裂隙網(wǎng)格模型構(gòu)建方法，解決現(xiàn)有技術(shù)中在對(duì)裂隙建模研究過程中未考慮裂縫的走向傾角等特征，以及難以生成高質(zhì)量網(wǎng)格的技術(shù)問題。

2、為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

3、一種優(yōu)化約束delaunay剖分的壁面裂隙網(wǎng)格模型構(gòu)建方法，包括以下步驟：

4、步驟s1：根據(jù)已知的裂隙線段數(shù)據(jù)，提取所有裂隙節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)和線段編號(hào)信息，并儲(chǔ)存于文件中。這個(gè)文件不僅包含了裂隙關(guān)鍵的幾何信息，還為后續(xù)處理提供了必要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

5、步驟s2：運(yùn)用三維道格拉斯普克算法對(duì)裂隙的數(shù)據(jù)文件進(jìn)行平滑處理。在保證裂隙合理性下消除曲線不規(guī)則性，確保裂隙的表面幾何形狀更為連續(xù)和真實(shí)，以免對(duì)數(shù)值計(jì)算造成的錯(cuò)誤。

6、步驟s3：利用繪圖函數(shù)，根據(jù)步驟s2中剔除后的數(shù)據(jù)在建模軟件中繪制出平滑的裂隙曲線；然后通過垂直于壁面方向拉伸裂隙曲線，將裂隙曲線伸成多重曲面，并對(duì)多重曲面進(jìn)行網(wǎng)格劃分，拉伸后的網(wǎng)格曲面與網(wǎng)格壁面相交，獲取該交線上所有節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)信息，即得出裂隙在壁面上的真實(shí)曲線形狀。

7、步驟s4：根據(jù)每條裂隙的編號(hào)、走向和傾角，獲取對(duì)應(yīng)裂隙的拉伸向量。為后續(xù)裂紋面的精確建模提供了方向性的數(shù)據(jù)支持。

8、步驟s5：基于步驟s4中獲取的拉伸向量和對(duì)應(yīng)裂隙的深度信息，對(duì)曲面進(jìn)行雙向拉伸，形成裂隙曲面；并獲取所有裂隙曲面的頂點(diǎn)在曲面網(wǎng)格中的坐標(biāo)信息，這將在后續(xù)的建模階段發(fā)揮關(guān)鍵作用。

9、步驟s6：利用裂隙的頂點(diǎn)坐標(biāo)信息進(jìn)行建模，并導(dǎo)出數(shù)據(jù)文件。該文件包含了裂隙面的幾何信息，為下一步的模型切割提供了基礎(chǔ)。

10、步驟s7：對(duì)裂隙曲面進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并與壁面網(wǎng)格進(jìn)行結(jié)合，形成整個(gè)裂隙幾何模型，確保整體模型的完整性和穩(wěn)定性。

11、步驟s8：對(duì)整個(gè)裂隙幾何模型進(jìn)行有限元網(wǎng)格的重新劃分，達(dá)到進(jìn)一步優(yōu)化模型網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的目的，確保其在數(shù)值模擬中能夠提供高效且準(zhǔn)確的結(jié)果。

12、進(jìn)一步優(yōu)化，所述步驟1中，通過循環(huán)函數(shù)將裂隙曲線的編號(hào)以及各點(diǎn)三維坐標(biāo)導(dǎo)出數(shù)據(jù)文件。

13、進(jìn)一步優(yōu)化，所述步驟s2中，平滑裂隙曲線的過程如下：

14、s2.1：設(shè)置閾值d，找到并連接裂隙曲線兩頂點(diǎn)作為初始線段；

15、s2.2：計(jì)算裂隙曲線上的點(diǎn)到線段之間的最大距離dmax并判斷其是否小于閾值d；

16、s2.2.1：當(dāng)最大距離大于d，則連接裂隙曲線上最大距離對(duì)應(yīng)的點(diǎn)和線段兩段的頂點(diǎn)，形成新的折線段；重新判斷新形成的折線段中的兩條線段與其對(duì)應(yīng)部分裂隙曲線上的點(diǎn)之間的最大距離是否小于閾值d：

17、s2.2.1.1若最大距離dmax大于d，則重復(fù)步驟s2.2.1，直至新形成的折線段中的兩條線段與其對(duì)應(yīng)部分裂隙曲線上的點(diǎn)之間的最大距離dmax小于等于d；

18、s2.2.2：當(dāng)最大距離小于等于d，該條裂縫平滑過程結(jié)束；

19、s2.3：重復(fù)步驟s2.1、s2.2，直至完所有分形曲線平滑過程。

20、進(jìn)一步優(yōu)化，所述步驟s3中，得出三維壁面裂隙曲線的過程如下：將步驟2中平滑處理后的裂隙曲線沿垂直于壁面方向拉伸成多重曲面，使其穿過壁面網(wǎng)格，再將多重曲面轉(zhuǎn)化為網(wǎng)格，最后通過軟件對(duì)壁面網(wǎng)格和拉伸網(wǎng)格相交得出曲交線。

21、進(jìn)一步優(yōu)化，所述步驟s4中，得出裂隙拉伸向量的過程如下：調(diào)用python腳本將excel中的裂隙編號(hào)、深度、傾角數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為字典，遍歷每一行數(shù)據(jù)，并將每組數(shù)據(jù)的名稱、深度和傾向傾角存儲(chǔ)到列表中，計(jì)算向量投影和單位向量，然后得出走向單位向量，循環(huán)每一條裂隙導(dǎo)出拉伸向量pkl文件。

22、進(jìn)一步優(yōu)化，所述步驟s5中，裂紋網(wǎng)格頂點(diǎn)坐標(biāo)信息的過程如下：根據(jù)步驟s4得出的拉伸向量，對(duì)裂隙曲線進(jìn)行雙向拉伸形成裂隙曲面，通過循環(huán)函數(shù)記錄裂隙面頂點(diǎn)信息并導(dǎo)出dat文件。

23、進(jìn)一步優(yōu)化，所述步驟s6中，裂隙面建模的過程如下：讀取步驟s5的數(shù)據(jù)文件，整理裂隙信息并循環(huán)生成多個(gè)部件，將裂隙邊兩個(gè)節(jié)點(diǎn)中點(diǎn)作為邊的關(guān)鍵字，生成部件后創(chuàng)建裂紋面，合并部件并刪除臨時(shí)裂隙曲線，導(dǎo)出裂隙面幾何文件。

24、進(jìn)一步優(yōu)化，所述步驟s7中，將裂隙與壁面結(jié)合的過程如下：將裂隙曲面轉(zhuǎn)化為網(wǎng)格，通過軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)裂隙網(wǎng)格的切割，將切割后所需要部分的網(wǎng)格與壁面網(wǎng)格進(jìn)行小三角形面結(jié)合。

25、進(jìn)一步優(yōu)化，所述步驟s8中，重新劃分網(wǎng)格的過程如下：對(duì)整個(gè)裂隙幾何模型進(jìn)行remesh，對(duì)網(wǎng)格邊長(zhǎng)大小以及網(wǎng)格形狀的重新設(shè)置，生成具有良好均勻性的網(wǎng)格模型，其中，設(shè)定網(wǎng)格尺寸為0.05m、脊角為20°生成全三角形曲面網(wǎng)格。網(wǎng)格質(zhì)量直接影響著數(shù)值模擬的穩(wěn)定性、精度、收斂速度等關(guān)鍵屬性，因此高質(zhì)量網(wǎng)格在仿真過程中至關(guān)重要。

26、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果：

27、本發(fā)明能夠生成任意角度發(fā)育的裂隙網(wǎng)格，并可以改變裂隙發(fā)育深度，更準(zhǔn)確地描述裂隙；此外本發(fā)明能夠確保生成高質(zhì)量網(wǎng)格，從而提高數(shù)值模擬的效率和精度，為未來的裂隙建模提供了有價(jià)值的參考，并對(duì)實(shí)際考古工程建設(shè)具有極強(qiáng)的指導(dǎo)意義。

技術(shù)特征：

1.一種優(yōu)化約束delaunay剖分的壁面裂隙網(wǎng)格模型構(gòu)建方法，其特征在于，包括以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的優(yōu)化約束delaunay剖分的壁面裂隙網(wǎng)格模型構(gòu)建方法，其特征在于，所述步驟s1中，提取裂隙信息過程如下：遍歷每一條裂隙曲線，對(duì)所有裂隙進(jìn)行編號(hào)，并根據(jù)編號(hào)獲取對(duì)應(yīng)裂隙曲線每個(gè)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)信息。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的優(yōu)化約束delaunay剖分的壁面裂隙網(wǎng)格模型構(gòu)建方法，其特征在于，所述步驟s6中，裂隙面建模的過程如下：

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種優(yōu)化約束delaunay剖分的壁面裂隙網(wǎng)格模型構(gòu)建方法，其特征在于，所述步驟s7中，將裂隙與壁面結(jié)合的過程如下：對(duì)裂隙曲面進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并對(duì)裂隙網(wǎng)格進(jìn)行切割；將切割后所需部分的網(wǎng)格與壁面網(wǎng)格進(jìn)行小三角形面連接，確保整體模型的完整性和穩(wěn)定性。

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的優(yōu)化約束delaunay剖分的壁面裂隙網(wǎng)格模型構(gòu)建方法，其特征在于，所述步驟s8中，重新劃分網(wǎng)格的過程如下：整個(gè)裂隙幾何模型進(jìn)行remesh，重新設(shè)置網(wǎng)格邊長(zhǎng)大小，生成具有良好均勻性的網(wǎng)格模型；其中，設(shè)定網(wǎng)格尺寸為0.05m、脊角為20°生成全三角形曲面網(wǎng)格。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種優(yōu)化約束Delaunay剖分的壁面裂隙網(wǎng)格模型構(gòu)建方法，包括S1：提取所有裂隙節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)和線段編號(hào)信息；S2：對(duì)裂隙進(jìn)行平滑處理；S3：在建模軟件中繪制出平滑的裂隙曲線；通過垂直于壁面方向拉伸裂隙曲線，轉(zhuǎn)化為多重曲面，曲面與壁面網(wǎng)格的相交，得出裂隙在壁面上的真實(shí)曲線形狀；S4：獲取裂隙的拉伸向量；S5：對(duì)裂紋面的雙向拉伸；S6：利用裂紋網(wǎng)格的頂點(diǎn)坐標(biāo)信息進(jìn)行建模；S7：將裂紋面轉(zhuǎn)化為網(wǎng)格，并切割；將切割后所需部分的網(wǎng)格與壁面網(wǎng)格進(jìn)行結(jié)合；S8：對(duì)整個(gè)幾何模型進(jìn)行有限元網(wǎng)格的重新劃分。本發(fā)明在簡(jiǎn)化裂隙曲線的同時(shí)，生成了更符合實(shí)際、具備指定傾向、傾角及深度的裂縫面，從而在數(shù)值模擬的精度和效率方面實(shí)現(xiàn)了顯著的提升。

技術(shù)研發(fā)人員：孟慶祥,趙凡,周鑫,胡睿,謝振斌,陶振西,張景嫻,范凱豐
受保護(hù)的技術(shù)使用者：河海大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/30