复杂坝基拱坝三维有限元四面体网格自动剖分方法与流程

本发明涉及计算机应用技术领域，具体涉及一种复杂坝基拱坝三维有限元四面体网格自动剖分方法。

背景技术：

随着我国水利水电工程技术的不断发展，拱坝作为常见坝型，有着广泛的应用，特别是在我国西部的高山峡谷区，尤其适合修建高拱坝。对于坝基条件较为复杂的高拱坝，一般均采用三维有限元法进行结构的计算分析。有限元法分析的前提是整体结构的离散化，即有限元网格剖分，对于西部地区的高拱坝而言，坝基三维空间中各种结构面对岩体切割而形成纵横交错的形态，且拱坝坝体网格本身因具有横缝、诱导缝等而存在不连续面，因此其三维有限元模型的建立是一项较为困难的工作。近年来，随着计算机硬件的迅速发展及商用有限元软件的广泛应用，超大规模结构分析问题的求解已经成为现实，而此时有限元前处理工作(即网格剖分)成为整个分析流程的瓶颈，极大地影响了研究效率，阻碍了应用水平的提高。现阶段，在三维空间中，四面体网格自动生成的算法已经相当成熟，而六面体网格的生成方面还没有通用的算法，复杂三维实体的全六面体单元网格全自动生成问题始终未能获得真正意义上的解决。对于具有复杂边界条件的拱坝及其坝基而言，全六面体网格自动剖分更加困难。

技术实现要素：

本发明的目的是为了克服上述背景技术的不足，提供一种复杂坝基拱坝三维有限元四面体网格自动剖分方法。

为了解决上述技术问题本发明所采用的技术方案包括以下步骤：

1)建立均质条件下的坝体坝基四面体背景网格；

2)将坝体横缝及坝基中各种结构面，在三维空间中作为切割面投放在背景网格中；

3)针对每一个切割面，根据其在背景网格上的切割位置，对每一个四面体背景网格进行网格重新生成，直至所有的切割面投放处理完毕；

4)优化重生网格的质量，完成建模工作。

优选地，步骤2)中坝体横缝及坝基中各种结构面采用无厚度的接触单元进行模拟，在该切割面上生成空间位置重合的双节点信息。

优选地，步骤2)中切割面的空间位置确定方法为：

若切割面与三维坐标系中的其中一条坐标轴垂直，直接采用切割面内一个点的坐标值确定切割面的位置；

若切割面不与三维坐标系中的任一坐标轴垂直，取切割面平面内不在同一条直线上的三个点的坐标值确定切割面的位置或取切割面平面内一点与切割面平面的法矢量确定切割面位置。

优选地，所述步骤3)中根据切割位置进行网格重新生成的方法为：

若切割面切割四面体单元的两个顶点和一条棱边，原四面体被分割为两个四面体单元；

若切割面切割四面体单元的一个顶点和两条棱边，原四面体被分割为一个四面体和一个四棱锥，在四棱锥底面取一点并与四棱锥的五个顶点连接，可将四棱锥分解为四个四面体，原四面体最终被分解为五个四面体单元；

若切割面切割四面体单元的三条棱边，原四面体被分割为一个四面体和一个三棱柱，在三棱柱内部取一点并与三棱柱的六个顶点连接，可将三棱柱分解为两个四面体和三个四棱锥，每个四棱锥又可以被分解为四个四面体，这样一个三棱柱可被分解为十四个四面体，原四面体最终被分解为十五个四面体单元；

若切割面切割四面体单元的四条棱边，原四面体被分割为两个三棱柱，每个三棱柱可被分解为十四个四面体，原四面体最终被分解为二十八个四面体单元；

切割面切割四面体单元的棱边时，控制切割后的长短棱边长度比例，若长度比例大于5，则将其调整为5。所有切割完成后，新生成的四面体单元网格节点信息取代被分割的原四面体单元网格节点信息。

优选地，步骤4)的具体步骤包括：

41)计算新生成的四面体单元的体积，控制每个四面体单元的最小体积，若体积小于0.1m³，则将其直接缩为一点；

42)计算新生成的四面体单元的最小坍塌比(四面体的高度乘以1.24后与其对应底面面积的比值)，若比值小于0.1，则将其顶点对应的节点位置进行移动。

本发明提供的技术方案带来的有益效果是：

本发明通过实现有限元网格自动剖分，可大大减少前期处理工作量，有效缩短有限元模型建立时间，提高研究水平与效率。

附图说明

图1为本发明中切割面切割四面体单元时不同切割位置的结构示意图。

图2为四棱锥的分解结构示意图；

图3为三棱柱的分解结构示意图；

图4为坝体坝基背景网格划分；

图5为针对一条断层进行一次切割后自动重新生成的网格；

图6为针对三条断层进行三次切割后自动重新生成的网格；

图7为本发明方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述。

如图所示，本发明提出一种复杂坝基拱坝三维有限元四面体网格自动剖分方法，所述方法的具体步骤包括：

1)建立均质条件下的坝体坝基四面体背景网格；

根据拱坝体形与坝基地形条件，借助adina、abaqus、ansys等有限元软件的前处理模块，建立均质坝体和坝基的有限元四面体网格，其中根据计算机性能确定四面体的长度尺寸，该网格作为背景网格。

2)将坝体横缝及坝基中各种结构面，在三维空间中作为切割面投放在背景网格中；

坝体横缝及坝基中各种结构面采用无厚度的接触单元进行模拟，在该切割面上生成空间位置重合的双节点信息。

切割面的空间位置确定方法为：

若切割面与三维坐标系中的其中一条坐标轴垂直，直接采用切割面内一个点的坐标值确定切割面的位置；

若切割面不与三维坐标系中的任一坐标轴垂直，取切割面平面内不在同一条直线上的三个点的坐标值确定切割面的位置或取切割面平面内一点与切割面平面的法矢量确定切割面位置。

3)针对每一个切割面，根据其在背景网格上的切割位置，对每一个四面体背景网格进行网格重新生成，直至所有的切割面投放处理完毕；

根据切割位置进行网格重新生成的方法为：

若切割面切割四面体单元的两个顶点和一条棱边，原四面体被分割为两个四面体单元；

若切割面切割四面体单元的一个顶点和两条棱边，原四面体被分割为一个四面体和一个四棱锥，在四棱锥底面取一点并与四棱锥的五个顶点连接，可将四棱锥分解为四个四面体，原四面体最终被分解为五个四面体单元；

若切割面切割四面体单元的三条棱边，原四面体被分割为一个四面体和一个三棱柱，在三棱柱内部取一点并与三棱柱的六个顶点连接，可将三棱柱分解为两个四面体和三个四棱锥，每个四棱锥又可以被分解为四个四面体，这样一个三棱柱可被分解为十四个四面体，原四面体最终被分解为十五个四面体单元；

若切割面切割四面体单元的四条棱边，原四面体被分割为两个三棱柱，每个三棱柱可被分解为十四个四面体，原四面体最终被分解为二十八个四面体单元；

切割面切割四面体单元的棱边时，控制切割后的长短棱边长度比例，若长度比例大于5，则将其调整为5。所有切割完成后，新生成的四面体单元网格节点信息取代被分割的原四面体单元网格节点信息。

4)优化重生网格的质量，完成建模工作；

具体步骤包括：

41)计算新生成的四面体单元的体积，控制每个四面体单元的最小体积，若体积小于0.1m³，则将其直接缩为一点；

42)计算新生成的四面体单元的最小坍塌比(四面体的高度乘以1.24后与其对应底面面积的比值)，若比值小于0.1，则将其顶点对应的节点位置进行移动。

其它未详细说明的部分均属于现有技术。