基于MATLAB的滑坡三維有限元前處理研究.pdf

1、滑坡是一種常見、多發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害,其穩(wěn)定性分析與評價(jià)是國內(nèi)外學(xué)者關(guān)注的熱點(diǎn)問題,有限單元法是最常用的數(shù)值分析方法之一。因地形地貌復(fù)雜多變,如何快速構(gòu)建滑坡三維數(shù)值模型及有限元網(wǎng)格自動生成等前處理工作是該領(lǐng)域研究的難點(diǎn)問題。目前大型商用有限元軟件,如ANSYS、ABAQUS等,都有較強(qiáng)大的前處理模塊,但是在幾何模型的建立與修改,網(wǎng)格的編輯等方面存在限制,特別是針對滑坡這類地形地貌復(fù)雜的地質(zhì)體構(gòu)建有限元模型時(shí)需耗費(fèi)大量的時(shí)間和精力,需開發(fā)一套

2、專門的滑坡三維有限元前處理程序。
　　本文重點(diǎn)研究了滑坡三維有限元前處理中的關(guān)鍵技術(shù)問題:三維空間數(shù)據(jù)的快速提取及程序?qū)崿F(xiàn)、基于不規(guī)則三角網(wǎng)和基于規(guī)則格網(wǎng)的數(shù)字高程模型(DEM)表面建模技術(shù)及程序開發(fā),基于滑坡剖面圖的滑面DEM建模技術(shù),滑坡三維有限元網(wǎng)格自動生成技術(shù),并基于 MATLAB平臺自主研發(fā)了一套滑坡三維有限元前處理軟件(PREFEM),其快速高效的特征使滑坡三維有限元建模、網(wǎng)格剖分等前處理工作效率顯著提高,在該領(lǐng)域具有

3、重要的實(shí)踐價(jià)值與應(yīng)用前景。主要的研究工作及取得的成果如下:
　　1)編寫了具有版本兼容性的滑坡三維地形數(shù)據(jù)提取及可視化的MATLAB程序,實(shí)現(xiàn)了滑坡三維地形特征的快速構(gòu)造:在分析AutoCAD DXF格式文件的基本結(jié)構(gòu),對比不同版本DXF文件的圖元類型的基礎(chǔ)上,利用MATLAB編寫了具有版本兼容性的DXF文件數(shù)據(jù)提取程序,建立MATLAB與CAD文件的數(shù)據(jù)接口。該DXF文件數(shù)據(jù)提取程序可以從CAD地形圖中直接提取建立DEM表面模型

4、所需的三維空間數(shù)據(jù),具有快速高效,能夠準(zhǔn)確提取地形數(shù)據(jù)等優(yōu)點(diǎn),實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜地形滑坡三維地形地貌的快速高效的數(shù)字可視化。
　　2)編寫了DEM表面模型建模的MATLAB程序,成功建立了基于不規(guī)則三角網(wǎng)的TIN模型和基于規(guī)則格網(wǎng)的Grid模型。針對地形幾何建模中常用的Delaunay三角形開展研究,并基于Delaunay三角剖分規(guī)則構(gòu)建了不規(guī)則三角網(wǎng)TIN模型;詳細(xì)研究了DEM內(nèi)插模型中的逐點(diǎn)內(nèi)插法和整體內(nèi)插法,針對逐點(diǎn)內(nèi)插法中插值鄰域

5、搜索算法不收斂的情況,采用了變步長搜索策略,編寫了逐點(diǎn)內(nèi)插法和整體內(nèi)插法的計(jì)算程序,構(gòu)建了基于規(guī)則格網(wǎng)的Grid模型?；诓灰?guī)則三角網(wǎng)的TIN模型雖然能夠更逼真的表示復(fù)雜地形表面的起伏狀態(tài),但考慮到四面體網(wǎng)格在計(jì)算精度、劃分?jǐn)?shù)量、抗畸變程度等方面明顯不如六面體網(wǎng)格,所以建立滑坡幾何模型時(shí)更多的采用基于規(guī)則格網(wǎng)的Grid模型。
　　3)提出了基于滑坡剖面圖建立滑面DEM模型的方法,該方法是在DEM表面模型的基礎(chǔ)上,首先用三次樣條曲線

6、沿順坡向進(jìn)行縱向內(nèi)插,內(nèi)插出與表面模型格網(wǎng)數(shù)據(jù)相匹配的剖面線,然后再用縱向內(nèi)插的數(shù)據(jù)作為采樣點(diǎn),結(jié)合滑坡邊界信息進(jìn)行橫向內(nèi)插,計(jì)算出滑面區(qū)域內(nèi)的所有網(wǎng)格點(diǎn)的高程,從而建立滑面DEM模型。采用該方法建立的滑面DEM表面光滑,邊界處過渡自然,精度較高,能夠更好的逼近真實(shí)的滑面幾何形態(tài)。
　　4)提出了基于多層DEM的滑坡三維有限元網(wǎng)格自動生成技術(shù),并利用MATLAB編程實(shí)現(xiàn)了滑坡三維有限元網(wǎng)格的自動生成。該三維有限元網(wǎng)格自動生成技術(shù)是

7、以基于柵格法的六面體網(wǎng)格生成方法為基礎(chǔ),首先建立各個(gè)特征地層的DEM模型(DEM表面模型、滑面DEM和滑床底面DEM),形成多層DEM,再對多層DEM進(jìn)行縫合和插值處理,最終形成三維有限元網(wǎng)格模型。在MATLAB中采用多層DEM的思想建立滑坡幾何實(shí)體模型比采用ANSYS自底而上或自頂而下的實(shí)體建模速度快、自動化程度高,節(jié)約了大量的時(shí)間和精力,在建立滑坡這類地形地貌比較復(fù)雜的幾何模型時(shí)具有明顯優(yōu)勢。再者,采用該技術(shù)生成的有限元網(wǎng)格相對比較

8、規(guī)則,沒有產(chǎn)生任何的畸變單元,網(wǎng)格質(zhì)量較高。
　　5)基于 MATLAB平臺采用可視化的界面環(huán)境(GUIDE)對滑坡三維有限元前處理系統(tǒng)進(jìn)行了GUI設(shè)計(jì),自主研發(fā)了一套滑坡三維有限元前處理軟件PREFEM。軟件 PREFEM包含數(shù)據(jù)準(zhǔn)備、幾何建模、網(wǎng)格生成、數(shù)據(jù)輸出等四個(gè)基本模塊,其主要功能是根據(jù)滑坡平面圖和剖面圖快速建立三維有限元計(jì)算模型,輸出模型離散文件,同時(shí),該軟件能夠直接從AutoCAD圖形中直接提取CAD圖形的幾何實(shí)體信

9、息,還可以作為一種CAD數(shù)據(jù)接口程序使用。采用軟件PREFEM對花蓮樹滑坡和生基包滑坡進(jìn)行有限元前處理,再把離散模型數(shù)據(jù)文件導(dǎo)入到ABAQUS進(jìn)行有限元分析,其分析結(jié)果與滑坡勘察報(bào)告中給出的現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)的變化規(guī)律一致,驗(yàn)證了該軟件的實(shí)用性,可靠性和穩(wěn)定性。
　　自主研發(fā)的滑坡三維有限元前處理軟件 PREFEM界面友好,操作簡便,可視化程度高,并且具有開放式接口,能夠支持多種輸入輸出格式,不但可以作為獨(dú)立的模塊嵌入到其它數(shù)值模擬軟件