一种适用于有限元数值模拟的复杂三维地质体逆向建模方法

1.本发明涉及一种适用于有限元数值模拟的复杂三维地质体逆向建模方法


背景技术：

2.三维模型是物体的多边形表示，通常用计算机或者其它视频设备进行显示。显示的物体可以是现实世界的实体，也可以是虚构的物体，三维模型经常用三维建模工具这种专门的软件生成，已有的三维建模软件可以建立比较复杂的地质几何模型，类似的软件有：petrel，autocad，solidworks，pro/e等。但是这些软件要么不具备有限元求解器(如autocad)，要么只能进行基本的线弹性数值模拟计算(如solidworks)，不能够满足复杂有限元模拟计算任务，与之不同的是，现在发展比较成熟且能够进行复杂非线性数值模拟计算的cae软件，如abaqus，ansys，comsol等，其能够满足多场耦合，黏塑性材料结构的响应分析，裂缝扩展等复杂地质、地球物理数值模拟需求，但是它们的几何建模模块的功能又比较欠缺，只能建立比较规则且简单的几何模型，做不了复杂地质体的三维几何建模工作。
3.现有技术cn110428498 a、cn109816788a针对三维地质建模提出了两种不同的建模方法，通过上述建模方法对三维地质体进行建模只能得到不完整或者不闭合的地质体模型，不能得到完整、闭合的地质体模型，且现有其他建模方法在进行有限元计算过程中不能满足网格重新生成，无法适应不同的求解精度需求。


技术实现要素：

4.本发明提供一种适用于有限元数值模拟的复杂三维地质体逆向建模方法以解决现有技术建模方法不能得到完整、闭合的地质体模型，无法适应不同的求解精度需求的技术问题。
5.一种适用于有限元数值模拟的复杂三维地质体逆向建模方法，包括以下步骤：
6.导入三维点云数据；
7.使用geomagic软件对点云数据进行处理，所述处理包括：
8.预处理点云数据，对点云数据进行采样、去除异常点数据，将点云数据转为三角面片数据；
9.曲面优化，通过插值补全曲面边界缺失的三角面片；
10.曲面分割，将地质体的每个曲面进行单独建模；
11.曲面拼接，将单独建立的每个曲面根据相应的坐标关系统一在一个坐标系中进行曲面拼接；
12.判断曲面是否闭合，若地质体尖灭则直接使用geomagic freeform软件转化为三维几何模型，否则使用gempy软件进行曲面插值延拓其几何形态使曲面闭合后再使用geomagic freeform软件转化为三维几何模型；
13.格式转换，将上述三维几何模型文件stl，igs，iges数据类型通过软件stl2stp转化为stp格式；
14.导入到有限元分析软件进行有限元分析，将格式转换后的三维几何模型导入到有限元软件中进行有限元分析。
15.优选为，所述点云数据为深度数据。
16.优选为，对点云数据进行采样的采样率为3％-5％。
17.优选为，所述有限元分析软件为abaqus。
18.优选为，所述的有限元分析为多场耦合分析和/或黏弹塑性分析。
19.本发明一种适用于有限元数值模拟的复杂三维地质体逆向建模方法能够建立闭合的地质体模型，且该地质体模型能适应不同的求解精度需求。
附图说明
20.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
21.图1为本发明一种适用于有限元数值模拟的复杂三维地质体逆向建模方法流程图；
22.图2为本发明一种适用于有限元数值模拟的复杂三维地质体逆向建模方法中三维点云数据示例；
23.图3本发明一种适用于有限元数值模拟的复杂三维地质体逆向建模方法中数据采样示意图；
24.图4本发明一种适用于有限元数值模拟的复杂三维地质体逆向建模方法中异常点示意图；
25.图5本发明一种适用于有限元数值模拟的复杂三维地质体逆向建模方法中曲面拼接示意图；
26.图6本发明一种适用于有限元数值模拟的复杂三维地质体逆向建模方法中闭合尖灭后的地质体几何模型；
27.图7本发明一种适用于有限元数值模拟的复杂三维地质体逆向建模方法中有限元网格模型示意图。
具体实施方式
28.本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
29.本说明书(包括任何附加权利要求、摘要和附图)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
30.如图1所示，本发明一种适用于有限元数值模拟的复杂三维地质体逆向建模方法包括：
31.步骤1：导入三维点云数据；
32.如图2所示，该三维点云数据为深度数据。
33.步骤2：使用geomagic软件对点云数据进行处理；
34.处理包括：
35.预处理点云数据，对点云数据进行采样、去除异常点数据，将点云数据转为三角面片数据；
36.曲面优化，通过插值补全曲面边界缺失的三角面片；
37.曲面分割，将地质体的每个曲面进行单独建模；
38.曲面拼接，将单独建立的每个曲面根据相应的坐标关系统一在一个坐标系中进行曲面拼接形成地质体初步的三维几何模型；
39.该步骤中，将三维点云数据导入geomagic逆向工程软件后，使用逆向工程软件geomagic处理三维地质体点云数据，在该软件中对点云数据数据进行预处理，从而将点云数据转为三角面片数据，其中，如图3所示，采样率优选为3％-5％，异常点数据如图4所示；通过插值补全曲面边界缺失对曲面优化后，将所有曲面进行单独逆向建模，然后再进行曲面拼接形成地质体初步的几何模型，曲面拼接后如图5所示。
40.步骤3：判断曲面是否闭合，若地质体尖灭则直接使用geomagic freeform软件转化为三维几何模型，否则使用gempy软件进行曲面插值延拓其几何形态后再使用geomagic freeform转化为三维几何模型；
41.该步骤中，若曲面未闭合，使用gempy进行曲面插值延拓其几何形态使曲面闭合，闭合后的地质体三维几何模型如图6所示。
42.步骤4：格式转换，将上述三维几何模型文件stl，igs，iges数据类型通过软件stl2stp转化为stp格式；
43.常见的stl以及igs或者iges格式的几何模型数据在导入到有限元软件中容易出现几何信息丢失或者几何畸形问题，对于几何复杂的地质体这个问题尤为严重，所以建立好几何模型之后需要进行格式转换，同时在格式转化过程中也是一个几何模型优化的过程，该步骤使用软件stl2stp，格式转换过程中可以优化三角面片数，因为在几何建模过程中所生成几何体的三角面片边长较小的话就会影响之后有限元网格的划分，所以三角面片优化的原则就是在不影响地质体整体几何形态的基础上尽可能的减少三角面片数目，增大三角面片的边长；
44.步骤5：导入到有限元分析软件进行有限元分析，将格式转换后的三维几何模型导入到有限元软件中进行有限元分析；
45.该步骤中，如图7所示，可将格式转换后的三维几何模型导入有限元分析软件abaqus，进行多场耦合分析和/或黏弹塑性等有限元分析计算。
46.本发明一种适用于有限元数值模拟的复杂三维地质体逆向建模方法使用三维点云数据进行逆向建模建立地质体的几何模型，通过曲面插值延拓其几何形态，使建立的模型更加符合地质体真实形态，且将地质体几何模型转化为有限元模型，通过数值模拟计算给模型赋予更多的地质力学意义，能够帮助解决更为复杂地质工程问题，是地质工程一体化的重要环节。
47.本发明一种适用于有限元数值模拟的复杂三维地质体逆向建模方法能够建立闭合的地质体模型，且该地质体模型能适应不同的求解精度需求。
48.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管
参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：说明书中的其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行，或者对其中部分技术特征进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。