一種山地表面構(gòu)造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種山地表面構(gòu)造方法，其特征在于，該方法主要使用PFC3D中的三角形面的組合來實現(xiàn)山地造型，為減少人工和解決造型過程中一些問題，使用了Mathlab和Excel作為輔助工具；其包括如下步驟：PFC3D中山形網(wǎng)格的構(gòu)建，山形數(shù)據(jù)的處理，山形構(gòu)造結(jié)果；本發(fā)明可用于使用PFC3D進行復(fù)雜山地模擬而進行山地造型的問題提供一種可行的，工作量相對較小的方法。
【專利說明】一種山地表面構(gòu)造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及巖土工程，特別是涉及進行復(fù)雜山地模擬而進行山地造型。
【背景技術(shù)】
[0002]地質(zhì)災(zāi)害較多發(fā)生在地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的區(qū)域，這些區(qū)域往往是崇山峻嶺，在遇到地震、暴雨、洪水后往往產(chǎn)生地質(zhì)災(zāi)害。為保證事先對這些災(zāi)害進行預(yù)警，就要對他們進行有效的分析。復(fù)雜地質(zhì)條件下的災(zāi)害很難用解析手段進行處理，一般對于這種問題采取模擬的手段較為有效。這些災(zāi)害如果發(fā)生，主要后果可能就是山體上巨石的滾落，2008年后我國西南四川云南等地接連不斷的地震使山體巖層的完整性遭到破壞，巨石沿山體滾落，有的掩埋了村莊，有的形成了堰塞湖。
[0003]對于山體中有裂隙和節(jié)理分布的巖層，其中完整巖塊可以看作是連續(xù)介質(zhì)，巖塊之間的裂隙可以看作是非連續(xù)介質(zhì)，對于這種情況使用PFC3D模擬的效果較為明顯。但是使用PFC3D建模時要考慮模擬的精確性和計算量，要著重于那些運動的巖體部分，將其模擬成顆粒；那些不動或相對運動很小的巖體部分可以模擬成面并設(shè)置其摩擦等相關(guān)屬性即可。這樣既保證了精確反應(yīng)巖體的運動又降低了計算的成本。所以，如何能根據(jù)山地的實際情況使用PFC3D中的面進行山地造型就成了該類模擬的關(guān)鍵技術(shù)。
[0004]PFC3D是Itasca公司2008年發(fā)布的一款高端產(chǎn)品，特別適合于復(fù)雜機理性問題研究。它是利用顯式差分算法和離散元理論開發(fā)的微/細觀力學(xué)程序，它是從介質(zhì)的基本粒子結(jié)構(gòu)的角度考慮介質(zhì)的基本力學(xué)特性，并認為給定介質(zhì)在不同應(yīng)力條件下的基本特性主要取決于粒子之間接觸狀態(tài)的變化，適用研究粒狀集合體的破裂和破裂發(fā)展問題、以及顆粒的流動等大位移直問題。在巖土體工程中可以用來研究結(jié)構(gòu)開裂、堆石材料特性和穩(wěn)定性、礦山崩落開采、邊坡解體、爆破沖擊等一系列傳統(tǒng)數(shù)值方法難以解決的問題。
[0005]顆粒流理論是通過離散單元法來模擬圓形顆粒介質(zhì)的運動及顆粒間的相互作用，允許離散的顆粒單元發(fā)生平移和旋轉(zhuǎn)，可以彼此分離并且在計算過程中重新構(gòu)成新的接觸。顆粒流方法中顆粒單元的直徑可以是一定的，也可按高斯分布規(guī)律分布，可以通過調(diào)整顆粒單元直徑調(diào)節(jié)孔隙率。它以牛頓第二定律和力-位移定律為基礎(chǔ)，對模型顆粒進行循環(huán)計算，采用顯式時步循環(huán)運算規(guī)則。根據(jù)牛頓第二定律確定每個顆粒由于接觸力或體積力引起的顆粒運動(位置和速度)，力-位移定律是根據(jù)2個實體(顆粒與顆?；蝾w粒與墻體)的相對運動，計算彼此的接觸力。
[0006]顆粒流理論基于以下假設(shè):
1)顆粒單元為剛性體；
2)接觸發(fā)生在很小的范圍內(nèi)，即點接觸；
3)接觸特性為柔性接觸，接觸處允許有一定的“重疊”量；
4)“重疊”量的大小與接觸力有關(guān)，與顆粒大小相比，“重疊”量很??；
5)接觸處有特殊的連接強度；
6)顆粒單元為圓盤形.顆粒流理論的接觸本構(gòu)模型包括接觸剛度模型、庫侖滑塊模型和連接模型。其中，接觸剛度模型分為
線彈性模型和非線形Hertz-Mindlin模型；連接模型分為接觸連接模型和并行連接模型，接觸連接模型僅能
傳遞作用力，并行連接模型可以承受作用力和力矩。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明涉及到的方法主要使用PFC3D中的三角形面的組合來實現(xiàn)山地造型。為減少人工和解決造型過程中一些問題，使用了 Mathlab和Excel作為輔助工具。
[0008]由于PFC3D自身的FISH語言的局限性，作者不得不使用MATLAB和EXCEL作為工具處理一些問題，山形構(gòu)建的流程如圖1所示。
[0009]第一部分:PFC3D中山形網(wǎng)格的構(gòu)建
用PFC3D已有的工具構(gòu)建山形網(wǎng)格，以往構(gòu)建PFC3D模型時使用的墻(wall)是四邊形的，但是山形復(fù)雜，四個點很有可能不在一個平面上，所以這里使用三角形面構(gòu)建山形網(wǎng)格。如圖疒圖3所示為網(wǎng)格的具體劃分措施。
[0010]圖2，為說明方便結(jié)合例子將網(wǎng)格劃分為100X 100m，每個網(wǎng)格IX lm。圖中的i和J為程序?qū)崿F(xiàn)時使用的變量。為使編程方便并考慮到使用三角形面，對網(wǎng)格進行進一步劃分，網(wǎng)格拆分為沿正對角線對稱的兩部分三角形，這樣便保證了三點可以確定唯一平面的幾何特性。使用FISH進行網(wǎng)格構(gòu)建時可將IX Im的網(wǎng)格作為一個循環(huán)單元，如圖3所示，以每個單元的I點作為標(biāo)志判斷是否已建立了單元網(wǎng)格。在單元網(wǎng)格中，構(gòu)造兩個三角形網(wǎng)格，即構(gòu)建兩個有界三角形面。由于PFC3D中的面是單側(cè)受限的，根據(jù)面的法線方向使用右手定則判斷點的軸向，即下三角形構(gòu)造的點序為I點一2點一3點，上三角形的點序為I點一3點一4點。每個點在三維坐標(biāo)系中由三個值表示，即(X，y, z)。具體的FISH實現(xiàn)見如下代碼。
[0011]def do %函數(shù)定義
【權(quán)利要求】
1.一種山地表面構(gòu)造方法，其特征在于，該方法主要使用PFC3D中的三角形面的組合來實現(xiàn)山地造型，為減少人工和解決造型過程中一些問題，使用了 Mathlab和Excel作為輔助工具；其包括如下步驟:PFC3D中山形網(wǎng)格的構(gòu)建，山形數(shù)據(jù)的處理，山形構(gòu)造結(jié)果；本發(fā)明可用于使用PFC3D進行復(fù)雜山地模擬而進行山地造型的問題提供一種可行的，工作量相對較小的方法。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的山地表面構(gòu)造方法，其特征在于，由于PFC3D自身的FISH語言的局限性，使用MATLAB和EXCEL作為數(shù)據(jù)處理工具，進而形成了構(gòu)造方法的流程。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的PFC3D中山形網(wǎng)格的構(gòu)建，其特征在于，使用三角形面構(gòu)建山形網(wǎng)格。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的PFC3D中山形網(wǎng)格的構(gòu)建，其特征在于，網(wǎng)格的劃分方法，為使編程方便并考慮到使用三角形面，對網(wǎng)格進行進一步劃分，網(wǎng)格拆分為沿正對角線對稱的兩部分三角形，這樣便保證了三點可以確定唯一平面的幾何特性。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的PFC3D中山形網(wǎng)格的構(gòu)建，其特征在于，使用FISH進行網(wǎng)格構(gòu)建時可將IXlm的網(wǎng)格作為一個循環(huán)單元，以每個單元的I點作為標(biāo)志判斷是否已建立了單元網(wǎng)格，在單元網(wǎng)格中，構(gòu)造兩個三角形網(wǎng)格，即構(gòu)建兩個有界三角形面。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的PFC3D中山形網(wǎng)格的構(gòu)建，其特征在于，由于PFC3D中的面是單側(cè)受限的，根據(jù)面的法線方向使用右手定則判斷點的軸向，即下三角形構(gòu)造的點序為I點一2點一3點，上三角形的點序為I點一3點一4點，每個點在三維坐標(biāo)系中由三個值表,」、，即(X，yj z) ο
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的山形數(shù)據(jù)的處理，其特征在于，考慮了兩個方面形成的山形數(shù)據(jù)，一種是有一定規(guī)律的山形，可以使用MATLAB通過曲面函數(shù)構(gòu)造；另一種是完全來源于地理信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，可以將這些數(shù)據(jù)導(dǎo)入到EXCEL在進行處理。
【文檔編號】G06T17/05GK103793938SQ201410078244
【公開日】2014年5月14日 申請日期:2014年3月5日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月5日
【發(fā)明者】劉文生, 張燕鳳 申請人:遼寧工程技術(shù)大學(xué)