三维地质有限元模型自动生成的方法和程序产品

本发明涉及岩土工程有限元前处理，特别涉及一种三维地质有限元模型自动生成的方法和程序产品。

背景技术：

1、已有震害调查与研究表明，局部场地的地形起伏和介质非均匀性对于地震波的传播和建构筑物的震害有着显著影响。同时，已有不少城市建立了三维地质模型用于城市规划和防灾。然而，这些三维地质模型并不能直接用于有限元动力分析。目前已有的处理方法是将三维地质模型导入到有限元前处理软件(例如hypermesh、solidworks、midasgts)中进行网格划分。但由于复杂地形条件下三维网格的质量不易控制，该前处理过程对于操作人员的技术水平有较高的要求，且操作过程繁琐复杂，难以实现自动化，费时费力。

技术实现思路

1、本发明提供了三维地质有限元模型自动生成的方法和程序产品，用以解决复杂地形条件下三维非均匀场地有限元建模面临的网格自动划分难题。

2、为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、三维地质有限元模型自动生成的方法，具体步骤如下：

4、步骤一、基于三维地质模型的地表最大高差，确定水平基准面和三维坐标系；其中，水平基准面以上为地表部分，水平基准面以下基座部分；

5、步骤二、基于三维地质模型中不同地层的剪切波速，通过最小剪切波速确定第一网格尺寸且通过最大剪切波速确定第二网格尺寸；基于第一网格尺寸和第二网格尺寸并结合地表最大高差，综合确定地表部分在x，y，z三个方向上的网格数目；

6、步骤三、根据x和y方向上的网格数目将三维地质模型地表部分等分为岩柱，而后结合z方向上的网格数目，将每个岩柱从上到下划分为八节点的六面体单元；由此完成地表部分的网格划分；

7、步骤四、根据地表部分的第一网格尺寸，将基座部分等分为高度相同的水平切片；从上到下依次统计每一层水平切片中不同地层的最小剪切波速并排序，对排序后的最小剪切波速进行修正，修正后各层的最小剪切波速不低于上一层的最小剪切波速；

8、步骤五、根据修正后的最小剪切波速，确定水平切片网格尺寸；根据水平切片网格尺寸进行相邻水平切片的合并，得到基座部分最终的岩层划分方案；

9、步骤六、根据基座部分各岩层的厚度及网格尺寸并结合地表部分的第一网格尺寸，综合确定每一层岩层在x、y和z方向上的网格数量；

10、步骤七、基座部分各岩层按照确定的网格数量在x，y，z方向上进行等分，划分为八节点六面体单元；然后，利用二合一的方式在各岩层顶部划分过渡单元，完成不同尺寸单元在x和y方向上网格的过渡；

11、步骤八、根据每个六面体单元的三维形心坐标，与原始地质模型进行对照，设定其地层类别与原始地质模型中各单元形心位置处对应的地层类别相同；由此完成三维地质有限元模型的自动生成。

12、进一步的，对于步骤一中，根据三维地质模型计算地表最大高差h1＝hmax-hmin；

13、其中，hmax和hmin分别为地表处最高点与最低点的海拔高度；

14、选取海拔高度为hmin-h1的水平面作为基准面，并以该平面为xy平面建立三维笛卡尔坐标系，z轴向上为正，向下为负。

15、进一步的，对于步骤二中，根据地表部分不同地层的剪切波速最小值vs,min计算第一网格尺寸s1：

16、s1＝k1×vs,min/fmax

17、k1为经验常数，取1/8；fmax为有效模拟频带的上限；

18、然后，根据地表部分不同地层的剪切波速最大值vs,max计算第二网格尺寸s2：

19、

20、表示向下取整；

21、根据下式计算地表部分在x，y，z方向上的网格数目nx1，ny1和nz1：

22、

23、

24、

25、w和t分别代表三维地质模型在x和y方向上的长度和宽度，表示向上取整。

26、进一步的，对于步骤三，在xy平面内将三维地质模型等分为nx1×ny1个岩柱，然后通过对地表的高程数据插值得到每个岩柱顶面4个顶点的坐标；接着，将每个岩柱的四条侧边等分为nz1份，并将每个岩柱从上到下划分为nz1个八节点六面体单元；全部完成后，将地表部分划分为nx1×ny1×nz1个八节点六面体单元。

27、进一步的，对于步骤四中，在z方向上将基座部分切分为m个高度相同的水平切片，m可通过下式计算

28、

29、zb为三维地质模型底部的z坐标；然后，从上到下依次统计每一层水平切片中不同地层的最小剪切波速，分别记为vs,1、vs,2、vs,3、...vs,m。

30、进一步的，对vs,1、vs,2、vs,3、...vs,m的取值进行修正：先从最下面的一层开始，比较vs,m和vs,m-1的大小，若vs,m-1>vs,m，则将vs,m-1的值修正为vs,m的值；若vs,m-1≤vs,m，则无须调整；再比较vs,m-1和vs,m-2的大小，若vs,m-2>vs,m-1，则将vs,m-2的值修正为vs,m-1的值；若vs,m-2≤vs,m-1，则无须调整；依次类推，以此保证修正后的剪切波速满足vs,1≤vs,2≤vs,3≤...≤.vs,m。

31、进一步的，对于步骤五中，按照以下公式确定每一层水平切片的网格尺寸li：

32、

33、之后，将网格尺寸相同的相邻水平切片合并成岩层；然后从上到下依次将厚度小于三倍网格尺寸的岩层并入其上方的岩层，得到基座部分最终的岩层划分方案。

34、进一步的，对于步骤六中，按照以下公式计算各岩层在x、y和z方向上的网格数量：

35、nx2＝nx1×s1/l

36、ny2＝ny1×s1/l

37、

38、其中，d和l分别代表岩层厚度和岩层网格尺寸。

39、一种计算机程序产品，包括计算机程序/指令，该计算机程序/指令被处理器执行时实现上述三维地质有限元模型自动生成的方法步骤。

40、本发明的有益效果体现在：

41、1)本发明通过水平基准面的划分，利于将三维地质模型分为地表和基座两部分，可以分别进行网格划分，兼顾了网格划分质量和简化划分的双重需求；

42、2)本发明通过地表部分网格的划分，其基于剪切波速排序、水平岩柱划分以及竖向上的划分，保证了地表部分网格划分呈六面体单元的精度和可操作性；

43、3)本发明通过基座部分网格的划分，其基于剪切波速修正、岩层合并等技术，保证了网格的简化和有效过渡，保证了六面体单元的快速划分和便捷操作；

44、本发明大大降低复杂地形条件下三维非均匀场地有限元建模时间和成本，利于三维地质模型在地震灾害模拟与分析方面的应用。此外，本方法得到的三维有限元模型全部由八节点六面体单元组成，网格质量高，不易产生畸变失稳。本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解；本发明的主要目的和其它优点可通过在说明书中所特别指出的方案来实现和获得。