基于MATLAB的滑坡三维有限元前处理研究

摘要

滑坡是一种常见、多发的地质灾害,其稳定性分析与评价是国内外学者关注的热点问题,有限单元法是最常用的数值分析方法之一。因地形地貌复杂多变,如何快速构建滑坡三维数值模型及有限元网格自动生成等前处理工作是该领域研究的难点问题。目前大型商用有限元软件,如ANSYS、ABAQUS等,都有较强大的前处理模块,但是在几何模型的建立与修改,网格的编辑等方面存在限制,特别是针对滑坡这类地形地貌复杂的地质体构建有限元模型时需耗费大量的时间和精力,需开发一套专门的滑坡三维有限元前处理程序。
　　本文重点研究了滑坡三维有限元前处理中的关键技术问题:三维空间数据的快速提取及程序实现、基于不规则三角网和基于规则格网的数字高程模型(DEM)表面建模技术及程序开发,基于滑坡剖面图的滑面DEM建模技术,滑坡三维有限元网格自动生成技术,并基于 MATLAB平台自主研发了一套滑坡三维有限元前处理软件(PREFEM),其快速高效的特征使滑坡三维有限元建模、网格剖分等前处理工作效率显著提高,在该领域具有重要的实践价值与应用前景。主要的研究工作及取得的成果如下:
　　1)编写了具有版本兼容性的滑坡三维地形数据提取及可视化的MATLAB程序,实现了滑坡三维地形特征的快速构造:在分析AutoCAD DXF格式文件的基本结构,对比不同版本DXF文件的图元类型的基础上,利用MATLAB编写了具有版本兼容性的DXF文件数据提取程序,建立MATLAB与CAD文件的数据接口。该DXF文件数据提取程序可以从CAD地形图中直接提取建立DEM表面模型所需的三维空间数据,具有快速高效,能够准确提取地形数据等优点,实现了复杂地形滑坡三维地形地貌的快速高效的数字可视化。
　　2)编写了DEM表面模型建模的MATLAB程序,成功建立了基于不规则三角网的TIN模型和基于规则格网的Grid模型。针对地形几何建模中常用的Delaunay三角形开展研究,并基于Delaunay三角剖分规则构建了不规则三角网TIN模型;详细研究了DEM内插模型中的逐点内插法和整体内插法,针对逐点内插法中插值邻域搜索算法不收敛的情况,采用了变步长搜索策略,编写了逐点内插法和整体内插法的计算程序,构建了基于规则格网的Grid模型。基于不规则三角网的TIN模型虽然能够更逼真的表示复杂地形表面的起伏状态,但考虑到四面体网格在计算精度、划分数量、抗畸变程度等方面明显不如六面体网格,所以建立滑坡几何模型时更多的采用基于规则格网的Grid模型。
　　3)提出了基于滑坡剖面图建立滑面DEM模型的方法,该方法是在DEM表面模型的基础上,首先用三次样条曲线沿顺坡向进行纵向内插,内插出与表面模型格网数据相匹配的剖面线,然后再用纵向内插的数据作为采样点,结合滑坡边界信息进行横向内插,计算出滑面区域内的所有网格点的高程,从而建立滑面DEM模型。采用该方法建立的滑面DEM表面光滑,边界处过渡自然,精度较高,能够更好的逼近真实的滑面几何形态。
　　4)提出了基于多层DEM的滑坡三维有限元网格自动生成技术,并利用MATLAB编程实现了滑坡三维有限元网格的自动生成。该三维有限元网格自动生成技术是以基于栅格法的六面体网格生成方法为基础,首先建立各个特征地层的DEM模型(DEM表面模型、滑面DEM和滑床底面DEM),形成多层DEM,再对多层DEM进行缝合和插值处理,最终形成三维有限元网格模型。在MATLAB中采用多层DEM的思想建立滑坡几何实体模型比采用ANSYS自底而上或自顶而下的实体建模速度快、自动化程度高,节约了大量的时间和精力,在建立滑坡这类地形地貌比较复杂的几何模型时具有明显优势。再者,采用该技术生成的有限元网格相对比较规则,没有产生任何的畸变单元,网格质量较高。
　　5)基于 MATLAB平台采用可视化的界面环境(GUIDE)对滑坡三维有限元前处理系统进行了GUI设计,自主研发了一套滑坡三维有限元前处理软件PREFEM。软件 PREFEM包含数据准备、几何建模、网格生成、数据输出等四个基本模块,其主要功能是根据滑坡平面图和剖面图快速建立三维有限元计算模型,输出模型离散文件,同时,该软件能够直接从AutoCAD图形中直接提取CAD图形的几何实体信息,还可以作为一种CAD数据接口程序使用。采用软件PREFEM对花莲树滑坡和生基包滑坡进行有限元前处理,再把离散模型数据文件导入到ABAQUS进行有限元分析,其分析结果与滑坡勘察报告中给出的现场监测数据的变化规律一致,验证了该软件的实用性,可靠性和稳定性。
　　自主研发的滑坡三维有限元前处理软件 PREFEM界面友好,操作简便,可视化程度高,并且具有开放式接口,能够支持多种输入输出格式,不但可以作为独立的模块嵌入到其它数值模拟软件中,也可以独立软件形式提供给用户。

目录

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中文摘要

英文摘要

目录

1 绪论

1.1 引言

1.2 国内外研究现状

1.3 研究内容

2 数字高程模型的建模原理

2.1 引言

2.2 数字高程模型的基本理论

2.3 数字高程模型的数据来源

2.4 数字高程模型建模方法

2.5 DEM内插数学模型

2.6 小结

3 基于MATLAB的滑坡三维建模技术研究

3.1 引言

3.2 滑坡体三维空间数据的提取方法研究

3.3 滑坡体DEM表面的建模技术

3.4 基于滑坡剖面图的滑面DEM建模技术

3.5 小结

4 滑坡三维有限元网格自动生成技术研究

4.1 引言

4.2 基于多层DEM的三维有限元网格生成技术

4.3 网格质量以及结点编号优化

4.4 小结

5 滑坡三维有限元前处理系统的开发和集成

5.1 引言

5.2 PREFEM软件的数据接口设计

5.3 PREFEM软件的GUI设计

5.4 PREFEM软件系统的功能和特点

5.5 小结

6 工程应用

6.1 引言

6.2 花莲树滑坡有限元分析实例

6.3 生基包滑坡有限元分析实例

6.4 小结

7 结论与展望

7.1 结论

7.2 展望

参考文献

致谢

附录：攻读硕士学位期间发表的部分学术论著