用于隧道参数化建模的FLAC 3D前处理方法与设备

摘要

本申请的目的是提供一种用于隧道参数化建模的FLAC 3D前处理方案。该方案先根据隧道的断面特征信息绘制对应的断面图，接着以所述隧道的二维断面图为基准进行法向拉伸，生成所述隧道的三维实体，然后基于所述隧道的三维实体，进行网格剖分参数后生成所述隧道的数值仿真网格，在所述隧道的三维实体中添加并创建锚杆模型。与现有技术相比，本申请建立三维实体的可视化框架，使基于FLAC 3D的命令流模式转换为界面化模式，并提升隧道仿真命令流自动编制的可操作性，提升FLAC 3D命令流的自动编制效率，提升隧道FLAC 3D三维建模的前处理效率。

说明书

技术领域

本申请涉及信息技术领域，尤其涉及一种用于隧道参数化建模的FLAC3D前处理技术。

背景技术

FLAC 3D(Fast Lagrangian Analysis of Continua)是一款用于岩土工程分析的有限差分法软件，该软件在土木建筑、地下工程仿真领域应用较为广泛。然而FLAC 3D软件自带的前处理功能较弱，是以命令流模式驱动内核来进行工程结构的仿真分析，技术人员必须对其代码非常熟悉才能进行特定隧道工程的仿真模拟，其命令流的编制效率较低。

发明内容

本申请的一个目的是提供一种用于隧道参数化建模的FLAC 3D前处理方法与设备。

根据本申请的一个方面，提供了一种用于隧道参数化建模的FLAC 3D前处理方法，其中，所述方法包括：

根据隧道的断面特征信息绘制对应的断面图；

以所述隧道的二维断面图为基准进行法向拉伸，生成所述隧道的三维实体；

基于所述隧道的三维实体，进行网格剖分参数后生成所述隧道的数值仿真网格；

在所述隧道的三维实体中添加并创建锚杆模型。

根据本申请的另一个方面，还提供了一种用于隧道参数化建模的FLAC3D前处理设备，其中，所述设备包括：

断面图绘制模块，用于根据隧道的断面特征信息绘制对应的断面图；

三维实体生成模块，用于以所述隧道的二维断面图为基准进行法向拉伸，生成所述隧道的三维实体；

网格生成模块，用于基于所述隧道的三维实体，进行网格剖分参数后生成所述隧道的数值仿真网格；

锚杆创建模块，用于在所述隧道的三维实体中添加并创建锚杆模型。

根据本申请的又一个方面，还提供了一种计算设备，其中，该设备包括用于存储计算机程序指令的存储器和用于执行计算机程序指令的处理器，其中，当该计算机程序指令被该处理器执行时，触发所述设备执行所述的用于隧道参数化建模的FLAC 3D前处理方法。

根据本申请的又一个方面，还提供了一种计算机可读介质，其上存储有计算机程序指令，所述计算机可读指令可被处理器执行以实现所述的用于隧道参数化建模的FLAC3D前处理方法。

在本申请提供的方案中，先根据隧道的断面特征信息绘制对应的断面图，接着以所述隧道的二维断面图为基准进行法向拉伸，生成所述隧道的三维实体，然后基于所述隧道的三维实体，进行网格剖分参数后生成所述隧道的数值仿真网格，在所述隧道的三维实体中添加并创建锚杆模型。与现有技术相比，本申请建立三维实体的可视化框架，使基于FLAC 3D的命令流模式转换为界面化模式，并提升隧道仿真命令流自动编制的可操作性，提升FLAC 3D命令流的自动编制效率，提升隧道FLAC 3D三维建模的前处理效率。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其他特征、目的和优点将会变得更明显：

图1是根据本申请实施例的一种用于隧道参数化建模的FLAC 3D前处理方法流程图；

图2是根据本申请实施例的一种隧道断面参数的设置与断面图的形状与二维网格示意图；

图3是根据本申请实施例的一种预设隧道纵向长度参数的示意图；

图4是根据本申请实施例的一种设置隧道断面法向的网格剖分数量的示意图；

图5是根据本申请实施例的一种三维隧道分析模型示意图；

图6是根据本申请实施例的一种锚杆参数的设置界面示意图；

图7是根据本申请实施例的一种隧道结构示意图；

图8是根据本申请实施例的一种用于隧道参数化建模的FLAC 3D前处理设备示意图。

附图中相同或相似的附图标记代表相同或相似的部件。

具体实施方式

下面结合附图对本申请作进一步详细描述。

在本申请一个典型的配置中，终端、服务网络的设备和可信方均包括一个或多个处理器(CPU)、输入/输出接口、网络接口和内存。

内存可能包括计算机可读介质中的非永久性存储器，随机存取存储器(RAM)和/或非易失性内存等形式，如只读存储器(ROM)或闪存(flash RAM)。内存是计算机可读介质的示例。

计算机可读介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体，可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的装置或其他数据。计算机的存储介质的例子包括，但不限于相变内存(PRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、动态随机存取存储器(DRAM)、其他类型的随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘(CD-ROM)、数字多功能光盘(DVD)或其他光学存储、磁盒式磁带，磁带磁盘存储或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质，可用于存储可以被计算设备访问的信息。

本申请实施例提供了用于隧道参数化建模的FLAC 3D前处理方法，运用OpenGL图形开发函数库，建立三维实体的可视化框架(包括隧道的形状绘制和网格划分等)，使基于FLAC 3D的命令流模式转换为界面化模式，并提升隧道仿真命令流自动编制的可操作性，提升FLAC 3D命令流的自动编制效率。

其中，OpenGL作为一种可视化建模的辅助函数库，其具有开源性、易理解、灵活性等优点。

在实际场景中，执行该方法的设备可以是用户设备、网络设备或者用户设备与网络设备通过网络相集成所构成的设备。其中，所述用户设备包括但不限于智能手机、平板电脑、个人计算机(PC)等终端设备，所述网络设备包括但不限于网络主机、单个网络服务器、多个网络服务器集或基于云计算的计算机集合等实现。在此，云由基于云计算(CloudComputing)的大量主机或网络服务器构成，其中，云计算是分布式计算的一种，由一群松散耦合的计算机集组成的一个虚拟计算机。

图1是根据本申请实施例的一种用于隧道参数化建模的FLAC 3D前处理方法流程图，该方法包括步骤S101、步骤S102、步骤S103和步骤S104。

步骤S101，根据隧道的断面特征信息绘制对应的断面图。

例如，可以根据山岭隧道的断面设计图以一种特定的步骤绘制对应的断面图，如绘制隧道的围岩、初衬、预留层、二衬以及上洞与下洞等。

在一些实施例中，所述步骤S101包括：根据隧道的断面特征信息绘制所述隧道的初衬、二衬、变形预留层的横断面轮廓线。

例如，基于给定隧道断面的各预设参数，可以利用一种五参数断面画法绘制二维断面图，其参数包括轮廓弧长的半径和弧度，初衬、预留层和二衬的厚度，岩层以及二维三角形网格的尺寸等。

在一些实施例中，所述步骤S101包括：绘制二衬内部轮廓，定义二衬的厚度t2，将所述二衬内部轮廓外扩t2，形成二衬外轮廓；定义变形预留层的厚度t1，并在所述二衬外轮廓的基础上绘制预留层外轮廓，根据初衬的厚度t0在所述预留层外轮廓的基础上绘制初衬轮廓。

例如，如图2所示，可以先绘制二衬内部轮廓，具体地，先根据圆心O1与半径R1绘制上半圆，再由圆心O2、半径R2和内弧度θ1绘制下半圆第一段圆弧，然后在第一段圆弧的基础上继续接第二段圆弧，其圆心为O3、半径R3和内弧度θ2，最后通过圆心O4、半径R4和内弧度θ3进行底弧的绘制，完成二衬内部轮廓的绘制。接着，定义二衬的厚度t2，将二衬内部轮廓外扩t2，形成二衬外部轮廓。如图2所示，定义变形预留层的厚度t1，并在二衬外轮廓的基础上绘制预留层外轮廓，再根据初衬的厚度t0并在预留层外轮廓的基础上绘制初衬轮廓，完成整个隧道的断面图的绘制。

在一些实施例中，所述步骤S101还包括：以三角形网格为基础，对所述隧道的断面图进行网格划分，其中，整体网格剖分密度分为粗、中、细三种类型，局部网格在交接面附近进行加密。例如，如图2所示，在完成隧道断面图的绘制后，以三角形网格为基础，对其进行网格划分。

在一些实施例中，如图2所示，所有的预设参数都以界面输入的形式填写，并提供岩层与网格的显示选项，底部给定刷新断面、确定与取消按钮。

步骤S102，以所述隧道的二维断面图为基准进行法向拉伸，生成所述隧道的三维实体。

例如，在所述步骤S101中创建的隧道断面基础上，在其法线方向进行拉伸，生成三维隧道实体。具体地，可以根据绘制的隧道断面图轮廓，在断面图平面的法向方向上设置已开挖段、施工段和未开挖段长度，并进行拉伸形成三维实体。如图3所示，可以预设隧道纵向长度的参数，分别为已开挖段长度L1、施工段长度L2和未开挖段长度L3。

步骤S103，基于所述隧道的三维实体，进行网格剖分参数后生成所述隧道的数值仿真网格。

例如，以二维网格为基础，在隧道断面图平面法向生成三维网格。可以根据所述步骤S102中创建的隧道三维实体的不同部件中，分别按照六节点网格进行划分。

在一些实施例中，所述步骤S103包括：基于所述隧道的三维实体，输入纵向各段分割数量进行网格剖分参数后生成所述隧道的数值仿真网格；其中，所述隧道的纵向各段包括已开挖段、施工段和未开挖段。

例如，如图4所示，预设隧道长度方向的网格剖分数量，已开挖段网格数N1、施工段网格数N2和未开挖段网格数N3；如图5所示，生成岩体和隧道结构以及隧洞的三维实体数值网格。

在一些实施例中，所述步骤S103包括：基于所述隧道的三维实体，输入纵向各段分割数量进行网格剖分参数后采用平面网格拉伸生成所述隧道的数值仿真网格；其中，所述隧道的数值仿真网格为六节点网格。

步骤S104，在所述隧道的三维实体中添加并创建锚杆模型。

例如，可以设置锚杆长度、环向间距以及纵向间距等参数，在已生成的隧道三维实体中添加并创建锚杆模型，实现隧道的三维参数化数值建模。

在一些实施例中，所述步骤S104包括：输入锚杆长度、环向间距以及纵向间距，所述隧道的三维实体的初衬结构外边界上添加并创建锚杆模型。

例如，如图6所示，预设锚杆长度、环向间距以及纵向间距，并在隧道初衬的外缘创建锚杆模型，实现完整的隧道三维模型的建立。如图7所示，创建好所有隧道结构模型后，在几何模型树中隐去岩层模型，可以观察隧道开挖部分隧洞后的完整三维模型。

图8是根据本申请实施例的一种用于隧道参数化建模的FLAC 3D前处理设备示意图，该设备包括断面图绘制模块801、三维实体生成模块802、网格生成模块803和锚杆创建模块804。

断面图绘制模块801，根据隧道的断面特征信息绘制对应的断面图。

例如，可以根据山岭隧道的断面设计图以一种特定的步骤绘制对应的断面图，如绘制隧道的围岩、初衬、预留层、二衬以及上洞与下洞等。

在一些实施例中，所述断面图绘制模块801用于：根据隧道的断面特征信息绘制所述隧道的初衬、二衬、变形预留层的横断面轮廓线。

例如，基于给定隧道断面的各预设参数，可以利用一种五参数断面画法绘制二维断面图，其参数包括轮廓弧长的半径和弧度，初衬、预留层和二衬的厚度，岩层以及二维三角形网格的尺寸等。

在一些实施例中，所述断面图绘制模块801用于：绘制二衬内部轮廓，定义二衬的厚度t2，将所述二衬内部轮廓外扩t2，形成二衬外轮廓；定义变形预留层的厚度t1，并在所述二衬外轮廓的基础上绘制预留层外轮廓，根据初衬的厚度t0在所述预留层外轮廓的基础上绘制初衬轮廓。

例如，如图2所示，可以先绘制二衬内部轮廓，具体地，先根据圆心O1与半径R1绘制上半圆，再由圆心O2、半径R2和内弧度θ1绘制下半圆第一段圆弧，然后在第一段圆弧的基础上继续接第二段圆弧，其圆心为O3、半径R3和内弧度θ2，最后通过圆心O4、半径R4和内弧度θ3进行底弧的绘制，完成二衬内部轮廓的绘制。接着，定义二衬的厚度t2，将二衬内部轮廓外扩t2，形成二衬外部轮廓。如图2所示，定义变形预留层的厚度t1，并在二衬外轮廓的基础上绘制预留层外轮廓，再根据初衬的厚度t0并在预留层外轮廓的基础上绘制初衬轮廓，完成整个隧道的断面图的绘制。

在一些实施例中，所述断面图绘制模块801还用于：以三角形网格为基础，对所述隧道的断面图进行网格划分，其中，整体网格剖分密度分为粗、中、细三种类型，局部网格在交接面附近进行加密。例如，如图2所示，在完成隧道断面图的绘制后，以三角形网格为基础，对其进行网格划分。

在一些实施例中，如图2所示，所有的预设参数都以界面输入的形式填写，并提供岩层与网格的显示选项，底部给定刷新断面、确定与取消按钮。

三维实体生成模块802，以所述隧道的二维断面图为基准进行法向拉伸，生成所述隧道的三维实体。

例如，在所述断面图绘制模块801中创建的隧道断面基础上，在其法线方向进行拉伸，生成三维隧道实体。具体地，可以根据绘制的隧道断面图轮廓，在断面图平面的法向方向上设置已开挖段、施工段和未开挖段长度，并进行拉伸形成三维实体。如图3所示，可以预设隧道纵向长度的参数，分别为已开挖段长度L1、施工段长度L2和未开挖段长度L3。

网格生成模块803，基于所述隧道的三维实体，进行网格剖分参数后生成所述隧道的数值仿真网格。

例如，以二维网格为基础，在隧道断面图平面法向生成三维网格。可以根据所述三维实体生成模块802中创建的隧道三维实体的不同部件中，分别按照六节点网格进行划分。

在一些实施例中，所述网格生成模块803用于：基于所述隧道的三维实体，输入纵向各段分割数量进行网格剖分参数后生成所述隧道的数值仿真网格；其中，所述隧道的纵向各段包括已开挖段、施工段和未开挖段。

例如，如图4所示，预设隧道长度方向的网格剖分数量，已开挖段网格数N1、施工段网格数N2和未开挖段网格数N3；如图5所示，生成岩体和隧道结构以及隧洞的三维实体数值网格。

在一些实施例中，所述网格生成模块803用于：基于所述隧道的三维实体，输入纵向各段分割数量进行网格剖分参数后采用平面网格拉伸生成所述隧道的数值仿真网格；其中，所述隧道的数值仿真网格为六节点网格。

锚杆创建模块804，在所述隧道的三维实体中添加并创建锚杆模型。

例如，可以设置锚杆长度、环向间距以及纵向间距等参数，在已生成的隧道三维实体中添加并创建锚杆模型，实现隧道的三维参数化数值建模。

在一些实施例中，所述锚杆创建模块804用于：输入锚杆长度、环向间距以及纵向间距，所述隧道的三维实体的初衬结构外边界上添加并创建锚杆模型。

例如，如图6所示，预设锚杆长度、环向间距以及纵向间距，并在隧道初衬的外缘创建锚杆模型，实现完整的隧道三维模型的建立。如图7所示，创建好所有隧道结构模型后，在几何模型树中隐去岩层模型，可以观察隧道开挖部分隧洞后的完整三维模型。

综上所述，本申请实施例简化了FLAC 3D的命令流形式的驱动方式，拓展了FLAC3D的前处理功能，从而可以提升FLAC 3D命令流的自动编制效率，提升隧道FLAC 3D三维建模的前处理效率。

另外，本申请的一部分可被应用为计算机程序产品，例如计算机程序指令，当其被计算机执行时，通过该计算机的操作，可以调用或提供根据本申请的方法和/或技术方案。而调用本申请的方法的程序指令，可能被存储在固定的或可移动的记录介质中，和/或通过广播或其他信号承载媒体中的数据流而被传输，和/或被存储在根据程序指令运行的计算机设备的工作存储器中。在此，本申请的一些实施例提供了一种计算设备，该设备包括用于存储计算机程序指令的存储器和用于执行计算机程序指令的处理器，其中，当该计算机程序指令被该处理器执行时，触发所述设备执行前述本申请的多个实施例的方法和/或技术方案。

此外，本申请的一些实施例还提供了一种计算机可读介质，其上存储有计算机程序指令，所述计算机可读指令可被处理器执行以实现前述本申请的多个实施例的方法和/或技术方案。

需要注意的是，本申请可在软件和/或软件与硬件的组合体中被实施，例如，可采用专用集成电路(ASIC)、通用目的计算机或任何其他类似硬件设备来实现。在一些实施例中，本申请的软件程序可以通过处理器执行以实现上文所述步骤或功能。同样地，本申请的软件程序(包括相关的数据结构)可以被存储到计算机可读记录介质中，例如，RAM存储器，磁或光驱动器或软磁盘及类似设备。另外，本申请的一些步骤或功能可采用硬件来实现，例如，作为与处理器配合从而执行各个步骤或功能的电路。

对于本领域技术人员而言，显然本申请不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本申请的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本申请。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本申请的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化涵括在本申请内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。此外，显然“包括”一词不排除其他单元或步骤，单数不排除复数。装置权利要求中陈述的多个单元或装置也可以由一个单元或装置通过软件或者硬件来实现。第一，第二等词语用来表示名称，而并不表示任何特定的顺序。