[发明专利]复杂形态溶洞数值模拟快速建模方法

说明书

本发明公开了一种复杂形态溶洞数值模拟快速建模方法，主要包括以下步骤：（1）溶洞内部三维点云坐标信息获取与点云模型封装；（2）对点云溶洞模型进行降噪后处理；（3）确定溶洞点云最优化采样间距；（4）根据溶洞的不规则度，采用统一采样方法来进行点云降噪自动处理；（5）通过Geomagic进行封装处理形成封闭曲面，并转化成stl格式文件，完成实体溶洞的建模过程；（6）利用Geomagic和根据实际计算需求选定的数值计算软件之间的耦合接口，实现复杂几何形态溶洞数据的定向传递。

技术领域

本发明涉及复杂形态溶洞数值模拟快速建模技术领域，具体说是复杂形态溶洞数值模拟快速建模方法。

背景技术

近年来，地下工程中地铁建设如火如荼，隧道开挖前方经过岩溶发育区、地铁下方穿过岩溶发育区等复杂地质情况屡见不鲜。现阶段，通过地球物理方法来探测溶洞的位置已不是难题，而溶洞与隧道位置关系对隧道开挖稳定性的影响却不得而知。通过模型试验研究岩溶区与隧道开挖稳定性之间的关系是一个很好的思路，有国内学者利用三维打印技术制备真实形态的溶洞用于模型试验研究(一种基于3D打印技术的溶洞制备方法与装置，申请号：201710343216.1)，取得了不错的研究成果。相比于模型试验研究，数值模拟技术可基于真实地质情况建模赋参开展相应研究，且具有结果直观可靠、计算效率高、节约成本的巨大优势，愈来愈得到广大科研工作者的青睐。目前在围岩稳定性分析的数值计算中，多是将溶洞简化为球体、椭球体、方体等规则几何形态，而岩溶复杂作用过程导致溶洞几何形态并非规则几何体，而是呈现非均匀发育、各向异性及高度不规则性，显然简化后的溶洞形状与实际工程中的溶洞形态不相符合。

开展不规则几何形态溶洞的数值计算目前仍存在较大困难，主要有以下2个方面：

(1)溶洞探测成果仅为可视化的溶洞几何模型，无法有效转化为可计算的数值几何模型，数据格式的转化仍存在困难；

(2)溶洞几何形态复杂多变，多为不规则几何体，且很多溶洞边界存在棱角、畸角，与简化的球体、方体等几何模型相差甚远。有限数值计算网格剖分过程中极易产生错误，导致数值计算进度难以进行。

综上所述，如何发明一种复杂形态溶洞数值模拟快速建模方法已然成为亟需解决的重要难题。

发明内容

本发明的目的主要是解决上述提出的一些技术难题，提供复杂形态溶洞数值模拟快速建模方法。

为了达成上述目的，本发明采用如下技术方案：

复杂形态溶洞数值模拟快速建模方法，包括以下步骤：

步骤1采用可通过狭小钻孔通道进入溶洞内部的激光探测系统C-ALS，进行整个溶洞内部壁面的三维点云坐标测量，采用点云处理软件将点云模型封装形成真实形态溶洞模型；

步骤2溶洞点云模型理论上应为连续、光滑的点云曲面，但实际获取的点云经常附带噪点等畸变点，在Geomagic Studio点云处理平台中，可通过设置体外孤点敏感度或手动删除溶洞点云模型中较为明显的噪点，尤其是孤立的点云噪点群及附属噪点群，可降低溶洞点云钉状物及附属几何体的产生概率，得到处理后的精度较高的点云溶洞模型；

步骤3确定溶洞点云最优化采样间距，首先将溶洞三维尺度平均值作为溶洞直径，而且已知溶洞单一维度投影面积为S_x，等效为同面积半径为R_x的圆，则等效半径R_x：

即不规则溶洞平均半径为：

竖直方向点云间平均距离为：

水平方向点云间平均距离为：