[发明专利]模拟开挖至运行全过程的拱坝三维网格模型自动剖分方法

说明书

本发明提供一种模拟开挖至运行全过程的拱坝三维网格模型自动剖分方法，包括步骤：根据拱坝的设计资料确定拱轴中心面的x‑z平面投影图，根据该x‑z平面投影图生成拱坝的二维网格模型；根据该二维网格模型，生成拱轴中心面的三维空间面网格；根据该三维空间面网格，生成拱坝的三维空间超单元模型；对该三维空间超单元模型进行细分，生成拱坝的结构计算超单元模型；补充开挖区域的三维空间网格，生成可模拟开挖至运行全过程的拱坝三维网格模型。依本发明的方法建立的拱坝的三维网格模型，可同时模拟拱坝开挖、浇筑、运行全过程的温度应力计算，网格形态规整。依本发明的方法，大幅缩短了网格剖分时间，大幅提高了建模效率。

技术领域

本发明涉及一种模拟开挖至运行全过程的拱坝三维网格模型自动剖分方法，属于水利水电工程技术领域。

背景技术

有限元网格生成是工程科学与计算科学相交叉的重要研究领域，目前，二维网格的剖分方法已较为完善，根据设计图纸和商业软件即可快速完成；对于三维网格，规则的网格可以通过二维网格拉伸获得，复杂的网格可以通过四面体网格经自动剖分获得，如剖分空间体型较为复杂的空间三维模型并且采用六面体网格，则需要逐个建立超单元块体，并对超单元块体逐一细化，过程较为复杂。

随着我国水电工程技术的不断发展，拱坝作为一种常见的坝型，有着材料用量少、抗震能力强等一系列优点。由于拱坝厚度较薄、结构受力较为复杂且坝体的结构安全事关重大，拱坝的结构应力安全计算十分重要。结构应力安全计算包括坝体开挖计算、坝体温控防裂计算及蓄水稳定性分析等方面的计算，涉及内容较为广泛，现有的结构计算一般是根据需求，建立多个网格，对多个网格分别进行计算，由于各种因素于各个过程是相互影响的，开挖、温度应力和蓄水对拱坝应力和结构的影响均较大，对各个因素分别计算往往会带来较大的误差，且较难考虑多场的耦合关系，故建立一个能够同时考虑开挖计算、坝体温控防裂计算及蓄水稳定性分析等多因素计算的网格模型十分重要。

不同计算需求的网格模型差异较大，如温控防裂一般需要较为规则的六面体网格，而考虑开挖的网格模型由于软弱夹层结构复杂等原因，往往需要较为不规则的单元。如果采用超单元的模式进行剖分，则十分费时。但考虑拱坝体型均由对应的体型参数进行控制，根据拱坝的轴对称图形，即可确定拱坝上下游面的坐标位置，根据拱坝的轴对称图形、拱坝体型参数和软弱夹层形态参数，由计算机自动剖分出有限元计算网格，则建模过程可得到大幅简化。

发明内容

鉴于上述原因，本发明的目的在于提供一种模拟开挖至运行全过程的拱坝三维网格模型自动剖分方法，利用拱坝的轴剖面图和设计资料，生成拱坝的三维网格模型，该三维网格模型可同时模拟拱坝开挖、浇筑、运行全过程的温度应力计算，大幅缩短网格剖分时间，简化拱坝建模过程。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种模拟开挖至运行全过程的拱坝三维网格模型自动剖分方法，包括步骤：

S1：根据拱坝的设计资料确定拱轴中心面的x-z平面投影图，根据该x-z平面投影图生成拱坝的二维网格模型；

S2：根据该二维网格模型，建立拱轴中心面的三维空间面网格；

S3：根据该三维空间面网格，生成拱坝的三维空间超单元模型；

S4：对该三维空间超单元模型进行细分，生成拱坝的结构计算超单元模型；

S5：补充开挖区域的三维空间网格，生成可模拟开挖至运行全过程的拱坝三维网格模型。

所述步骤S2中，

定义拱轴中心面的三维面网格坐标为(x_c，y_c，z_c)，已知拱坝的设计资料，根据拱圈中心线的(x，z)坐标计算y坐标，即：

y＝f(x，z) (1)