一种基于BRep模型的多面域地层有限元网格生成方法

一种基于brep模型的多面域地层有限元网格生成方法
技术领域
1.本发明涉及三维有限元网格生成技术领域，尤其涉及一种基于brep模型的多面域地层有限元网格生成方法。


背景技术：

2.目前，有限元数值模拟在岩土领域得到广泛应用，但定量分析结果与实际偏差较大。分析误差原因，与有限元网格的准确度有较大关系，由于多面域地层空间的复杂地质模型建模过程极其困难，往往会对模型进行简化，这样会直接影响到计算精度。对实际工程中任意性开挖的模拟较为复杂，对含断层等复杂地质构造的建模繁琐，需要研究人员有较高的水准，也严重影响了多面域地层空间有限元分析的进一步应用。因此，寻求一种简单高效，且精度高的多面域地层空间建模方法是一个迫切需要解决的问题，其对实际应用具有重大意义。
3.目前，已经有一些三维地质模型的构建方法普遍应用。三维模型按照集合特点可大致分为三类：体模型、面模型以及线模型。其中，体模型按照表示方法可分为：边界表示(brep)、构造表示(csg)以及分解表示。但在针对于多面域地层空间的复杂地质三维实体模型方面仍然存在一些精度不够、效率低及适应条件有限等问题，这些问题都限制着有限元数值模拟在岩土领域的应用。因此，针对多面域地层空间的有限元网格生成方法至关重要。
4.发明方法
5.针对新技术的出现和现有技术的缺陷，本发明提供一种基于brep模型的多面域地层有限元网格生成方法。
6.一种基于brep模型的多面域地层有限元网格生成方法，包括以下步骤：
7.步骤1：建立露天矿采场、地层界面和断层界面的三角形网格，具体方法为：
8.对露天矿采场台阶线进行约束delaunay三角形剖分，生成露天矿采场面；以钻孔岩性分布数据为样本，使用距离平方反比法对所需要的岩性数据进行插值，分别生成各地层界面和断层界面的三角形网格。得到露天矿采场面的三角形集t＝{t1,t2,...,ti,...,tn}，其中，ti为露天矿采场面的第i个三角形，i∈[1,n]，n为露天矿采场面的三角形总数；得到地层界面的三角形集l＝{l
11
,l
12
,...,l
re
,...,l
oq
}，其中，l
re
为第r层地层界面上的第e个三角形，q为第o层地层界面上的三角形总数；得到断层界面的三角形集f＝{f
11
,f
12
,...,f
hg
,...,f
vb
}，其中，f
hg
为第h层断层界面上的第g个三角形，b为第v层断层界面上的三角形总数。
[0009]
步骤2：建立以采场为表面的模型范围网格，具体方法为：
[0010]
步骤2.1：按照给定的建模范围的长、宽和高尺寸，建立模型范围的四边形网格；
[0011]
进一步地，得到四边形集m＝{m1,m2,...,m
x
,...,mz}，其中，m
x
为模型范围四边形网格上的第x个四边形，x∈[1,z]，z为模型范围四边形的总数。
[0012]
步骤2.2：采场界面约束模型范围网格，形成以采场为表面的模型范围网格集m
′
，具体方法为：
[0013]
步骤2.2.1：用露天矿采场界面与模型范围网格求交，得到交线p＝{p1,p2,...,py,...,pu}，作为约束边，其中，py为约束线上的第y个点，y∈[1,u]，u为约束线上点的总数；
[0014]
步骤2.2.2：将约束边p按delaunay准则分别加入到采场界面三角形集t和模型范围网格集m，利用约束边为界删除多余的采场界面三角形和模型范围网格四边形，保留有效的采场三角形和模型范围四边形，并进行组合，形成以采场为表面的模型范围网格集m
′
。
[0015]
步骤3：地层界面与断层界面之间进行相互约束，具体方法为：
[0016]
步骤3.1：对地层界面进行约束，得到有效的地层面三角形集l'；
[0017]
进一步地，两个相互约束的地层界面三角形网格l和断层界面三角形网格f求交，得地层界面与断层界面之间的交线，将该交线作为地层界面的约束边p，将约束边p按delaunay准则加入到地层界面三角形集l，并以约束边p为界删除地层界面多余三角形，保留有效地层面三角形集l'。
[0018]
步骤3.2：将约束边p按delaunay准则加入到断层界面三角形网格f，形成断层面f'；
[0019]
进一步地，按照各个地层的生成机理来确定地层间的拓扑关系，根据地层界面顺序对以上方法进行重复操作，直到完成所有地层界面与断层界面之间的求交并约束断层界面三角形网格，即实现了实现地层界面与断层界面之间的约束。
[0020]
步骤4：建立多面域地层空间brep模型，具体方法为：
[0021]
步骤4.1：使用由露天矿采场面构建的范围网格m'对地层界面l'进行多面域brep模型建立，具体建立方法为：
[0022]
步骤4.1.1：根据建立两个相互约束的地层界面l'和模型范围网格m
′
求得地层界面与模型范围网格之间的交线，将该交线作为地层界面的约束线p按delaunay准则加入到地层界面三角形网格，以约束线p为界删除地层界面多余三角形网格，保留有效地层面l”；
[0023]
步骤4.1.2：用地层界面l'对外围网格m'进行约束操作，将约束后的外围网格进行组合，形成外围网格m
″
，根据地层界面顺序对以上方法进行重复操作，直到完成所有地层界面与范围网格之间的约束操作，即实现实现地层界面与范围网格之间的约束。
[0024]
步骤4.2：使用由露天矿采场面构建的外围网格m”对断层界面f'进行多面域brep模型建立，具体建立方法为：
[0025]
步骤4.2.1：求得断层界面f'与外围网格m”之间的交线，将该交线作为断层界面的约束线p按delaunay准则加入到断层界面三角形网格，以约束线p为界删除断层界面多余三角形网格，保留有效断层面f”；
[0026]
步骤4.2.2：用断层界面f'对外围网格m”进行约束操作，将约束后的外围网格进行组合，形成外围网格m
”′
，根据顺序对以上方法进行重复操作，直到完成所有断层界面与外围网格之间的约束操作，即完成建立多面域地层空间brep模型。
[0027]
步骤5：多面域地层空间brep模型四面体剖分生成有限元网格；
[0028]
进一步地，对建立的多面域地层空间brep模型进行delaunay不规则四面体剖分，实现基于brep模型的多面域地层空间有限元网格生成。
[0029]
由上述技术方案可知，本发明的有益效果在于：本发明提供的一种基于brep模型的多面域地层有限元网格生成方法，为了有效的进行数值模拟，高效的进行多面域地层空间的有限元网格生成。通过外围网格对采场界面、地层界面、断层界面进行约束，建立地层
界面与断层界面之间的brep模型，进一步建立多面域地层空间brep模型，再对其四面体剖分生成有限元网格。突破了现有复杂地质模型有限元网格生成方法存在的缺陷，充分利用边界表示法的优点，高效的建立多面域地层空间的三维模型，进而提高工作效率。
附图说明
[0030]
图1为本发明实施例提供的一种基于brep模型的多面域地层有限元网格生成方法的流程图；
[0031]
图2为本发明实施例提供的露天矿采场、地层界面、断层界面示意图；
[0032]
图3为本发明实施例提供的露天矿采场三角形裁切外围网格三角形示意图；
[0033]
图4为本发明实施例提供的露天矿地层界面与断层界面之间的brep模型示意图；
[0034]
图5为本发明实施例提供的露天矿多面域地层空间brep模型示意图；
[0035]
图6为本发明实施例提供的露天矿多面域地层空间brep模型有限元网格示意图。
[0036]
图7为本发明实施例提供的露天矿多面域地层空间brep模型有限元网格内部结构示意图。
具体实施方式
[0037]
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
[0038]
本实施例以锡林浩特某露天煤矿的岩性分布数据为基础，建立该区域的三维模型，通过一种基于brep模型的多面域地层有限元网格生成方法进行实现。
[0039]
一种基于brep模型的多面域地层有限元网格生成方法，如图1所示，包括以下步骤：
[0040]
步骤1：建立露天矿采场、地层界面和断层界面的三角形网格，具体方法为：
[0041]
对露天矿采场台阶线进行约束delaunay三角形剖分，生成露天矿采场面；以钻孔岩性分布数据为样本，使用距离平方反比法对所需要的岩性数据进行插值，分别生成各地层界面和断层界面的三角形网格。得到露天矿采场面的三角形集t＝{t1,t2,...,ti,...,tn}，其中，ti为露天矿采场面的第i个三角形，i∈[1,n]，n为露天矿采场面的三角形总数；得到地层界面的三角形集l＝{l
11
,l
12
,...,l
re
,...,l
oq
}，其中，l
re
为第r层地层界面上的第e个三角形，q为第o层地层界面上的三角形总数；得到断层界面的三角形集f＝{f
11
,f
12
,...,f
hg
,...,f
vb
}，其中，f
hg
为第h层断层界面上的第g个三角形，b为第v层断层界面上的三角形总数。
[0042]
本实施例共有176个有效钻孔，将数据文件中的钻孔数据提取到钻孔数据库中时，需要将钻孔的经度、纬度坐标转换成x、y坐标。根据距离幂次反比法插值生成各地层面及断层面的三角形网格，接着建立分组图层，为不同的地层标注不同的图层颜色，如图2所示。从上到下依次导入露天矿采场表面、第四系、第三系、6-煤层顶、6-煤层底以及断层面fge1和fge2，两个断层均为正断层，fge1的落差为30m，fge2的落差为35m，fge2晚于fge1生成。其中，采场表面三角形集共有9419个三角形，第四系三角形集共有2654个三角形，第三系三角形集共有2654个三角形，6-煤层顶共有2654个三角形，6-煤层底共有2634个三角形，断层面fge1和fge2共有833和1184个。
[0043]
步骤2：建立以采场为表面的模型范围网格，具体方法为：
[0044]
步骤2.1：按照给定的建模范围的长、宽和高尺寸，建立模型范围的四边形网格；
[0045]
进一步地，得到四边形集m＝{m1,m2,...,m
x
,...,mz}，其中，m
x
为模型范围四边形网格上的第x个四边形，x∈[1,z]，z为模型范围四边形的总数。
[0046]
步骤2.2：采场界面约束模型范围网格，形成以采场为表面的模型范围网格集m
′
，具体方法为：
[0047]
步骤2.2.1：用露天矿采场界面与模型范围网格求交，得到交线p＝{p1,p2,...,py,...,pu}，作为约束边，其中，py为约束线上的第y个点，y∈[1,u]，u为约束线上点的总数；
[0048]
步骤2.2.2：将约束边p按delaunay准则分别加入到采场界面三角形集t和模型范围网格集m，利用约束边为界删除多余的采场界面三角形和模型范围网格四边形，保留有效的采场三角形和模型范围四边形，并进行组合，形成以采场为表面的模型范围网格集m
′
。
[0049]
本实施例根据建模范围长1700m、宽1600m、高500m的长方体范围建立模型范围网格，其四边形集共有600个四边形，然后，求得露天矿采场界面与模型范围网格m的交线p，其中约束线p集合中共有654个点，利用基于约束边的delaunay三角剖分进行计算，复制约束线到采场界面和模型范围网格中，利用约束线为界删除多余的采场界面三角形和模型范围网格四边形，保留有效的采场三角形和模型范围四边形，并进行组合，形成以采场为表面的模型范围网格集m
′
，其中，该集合共有9253个4三角形和1095个四边形，如图3所示。
[0050]
步骤3：地层界面与断层界面之间进行相互约束，具体方法为：
[0051]
步骤3.1：对地层界面进行约束，得到有效的地层面三角形集l'；
[0052]
进一步地，两个相互约束的地层界面三角形网格l和断层界面三角形网格f求交，得地层界面与断层界面之间的交线，将该交线作为地层界面的约束边p，将约束边p按delaunay准则加入到地层界面三角形集l，并以约束边p为界删除地层界面多余三角形，保留有效地层面三角形集l'。
[0053]
步骤3.2：将约束边p按delaunay准则加入到断层界面三角形网格f，形成断层面f'；
[0054]
进一步地，按照各个地层的生成机理来确定地层间的拓扑关系，根据地层界面顺序对以上方法进行重复操作，直到完成所有地层界面与断层界面之间的求交并约束断层界面三角形网格，即实现了实现地层界面与断层界面之间的约束。
[0055]
本实施例根据fge1和fge2两个断层的落差，对6-煤层顶和6-煤层底进行相应断落，其中，fge1和fge2两个断层只对6-煤层顶、6-煤层底进行约束求交。首先，按照6-煤层顶、6-煤层底的顺序实现与断层面fge1之间的求交操作，以约束线p为界删除地层界面多余三角形网格，保留有效的6-煤层顶、6-煤层底。再用第四系、第三系、6-煤层顶、6-煤层底对断层面fge1进行约束分割操作，并对约束分割后的断层面fge1进行合并，实现地层面与断层fge1之间的brep模型；再按照以上步骤进行地层面与断层fge2之间的brep模型的建立，即实现地层界面与断层fge1和fge2之间的约束模型，如图4所示。
[0056]
步骤4：建立多面域地层空间brep模型，具体方法为：
[0057]
步骤4.1：使用由露天矿采场面构建的范围网格m'对地层界面l'进行多面域brep模型建立，具体建立方法为：
[0058]
步骤4.1.1：根据建立两个相互约束的地层界面l'和模型范围网格m
′
求得地层界
面与模型范围网格之间的交线，将该交线作为地层界面的约束线p按delaunay准则加入到地层界面三角形网格，以约束线p为界删除地层界面多余三角形网格，保留有效地层面l”；
[0059]
步骤4.1.2：用地层界面l'对外围网格m'进行约束操作，将约束后的外围网格进行组合，形成外围网格m'
′
，根据地层界面顺序对以上方法进行重复操作，直到完成所有地层界面与范围网格之间的约束操作，即实现实现地层界面与范围网格之间的约束。
[0060]
步骤4.2：使用由露天矿采场面构建的外围网格m”对断层界面f'进行多面域brep模型建立，具体建立方法为：
[0061]
步骤4.2.1：求得断层界面f'与外围网格m”之间的交线，将该交线作为断层界面的约束线p按delaunay准则加入到断层界面三角形网格，以约束线p为界删除断层界面多余三角形网格，保留有效断层面f”；
[0062]
步骤4.2.2：用断层界面f'对外围网格m”进行约束操作，将约束后的外围网格进行组合，形成外围网格m
”′
，根据顺序对以上方法进行重复操作，直到完成所有断层界面与外围网格之间的约束操作，即完成建立多面域地层空间brep模型。
[0063]
本实施例使用模型范围网格和第四系、第三系、6-煤层顶、6-煤层底以及fge1和fge2两个断层面建立多面域地层空间brep模型。首先，建立第四系、第三系、6-煤层顶、6-煤层底与模型范围网格之间的brep模型，根据求得第四系和模型范围网格之间的交线，将该交线作为第四系的约束线，以约束线为界删除第四系界面多余三角形网格，保留有效地层面，然后，用第四系对外围网格进行约束分割操作，将约束分割后的外围网格进行组合，形成外围网格，依次对第三系、6-煤层顶、6-煤层底按照以上方法进行重复操作，直到完成所有地层界面与范围网格之间的求交分割操作，即实现了实现地层界面与范围网格之间的约束。再按照以上建立地层界面与范围网格之间约束的操作过程，依次建立fge1和fge2两个断层面与模型范围网格之间的brep模型，即实现露天矿多面域地层空间brep模型的构建，如图5所示。
[0064]
步骤5：多面域地层空间brep模型四面体剖分生成有限元网格；
[0065]
进一步地，对建立的多面域地层空间brep模型进行delaunay不规则四面体剖分，实现基于brep模型的多面域地层空间有限元网格生成。
[0066]
本实施例对建立的露天矿多面域地层空间brep模型进行不规则四面体剖分，实现基于brep模型的多面域地层空间有限元网格生成，生成的有限元网共有270008个四面体，分为5种不同地质特征的地质体，如图6所示，有限元网格内部结构如图7所示。
[0067]
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：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部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权利要求所限定的范围。