一种CAD环境下岩土工程有限元模型构建方法及电子设备

摘要

本发明提供了一种CAD环境下岩土工程有限元模型构建方法及电子设备，涉及有限元模型技术领域。本发明通过设计几何信息综合读取器、独立网格曲面生成器、网格曲面错误修复器、网格曲面兼容处理器、网格曲面重新划分器、网格曲面分割提取器和有限元模型生成器完成表面地形、地下断层、边坡、基坑及隧道等岩土工程对象的有限元模型构建，提高了岩土工程领域有限元建模分析的易用性、质量、精度及合理度。

说明书

技术领域

本发明涉及有限元模型技术领域，特别是涉及一种CAD环境下岩土工程有限元模型构建方法及电子设备。

背景技术

当前岩土工程领域有限元建模过程复杂繁琐且模型质量难以控制，其具体存在如下问题：1，对建模功能强大且交互性好的CAD系统的利用效率低，需通过CAD图纸在有限元分析软件里重新建立有限元模型；2，缺乏点云、曲线、曲面等多类型集合对象的综合网格曲面生成方法，导致对表面地形、地下断层、边坡、基坑及隧道等工程结构的网格模型建立过程十分繁琐；3，有点云等数据生成的网格曲面通常存在内部空洞、边缘裂缝、冲突面、突起物等网格错误，但缺乏修复上述错误的有效工具；3，难以将多个不兼容的网格表面(如边界网格曲面，表面地形网格曲面、地下断层网格曲面、边坡网格曲面、基坑网格曲面及隧道网格曲面)及含临近边的网格表面集(如表面地形网格曲面与地下断层网格曲面的近地表交界处)进行兼容化处理，导致无法有效生成有限元模型；5，缺乏对网格曲面的精细控制(如网格面形状质量、三角形网格面与四边形网格面比例、网格尺寸变化等)导致难以控制网格曲面质量，使最终生成的有限元模型质量低；6，缺乏有效分割表面网格的工具导致荷载及边界条件的设置困难；7，由网格曲面所生成的有限元模型质量低，且所生成的有限元模型缺乏外表面及内部面的有效信息。目前有限元建模方法存在上述缺点，导致对表面地形、地下断层、边坡、基坑及隧道等岩土工程对象的有限元建模存在过程繁琐、易用性低、精度及质量难以满足设计要求等问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种CAD环境下岩土工程有限元模型构建方法及电子设备，通过将用于网格曲面及有限元模型构建的系统性方法，与CAD软件所提供的交互式建模环境相结合，提高了构建有限元建模的易用性及质量，进而提高了隧道设计的精度和合理度。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种CAD环境下岩土工程有限元模型构建方法，包括：

步骤1.1：使用几何信息综合读取器读取待构建岩土工程有限元模型的几何信息，几何信息包括实测表面地形点云、地下断层点云、边缘线和边缘面，以及CAD图纸中代表边坡、基坑和隧道的曲线；

步骤1.2：使用独立网格曲面生成器将所读取的几何信息生成为对应的网格曲面并加入至独立网格曲面集，网格曲面包括表面地形网格曲面、地下断层网格曲面、边坡网格曲面、基坑网格曲面和隧道网格曲面；

步骤1.3：使用网格曲面错误修复器修复所有网格曲面，并基于修复后的网格曲面构建独立网格曲面集；

步骤1.4：根据独立网格曲面集，利用网格曲面兼容处理器构建兼容网格曲面集；

步骤1.5：根据兼容网格曲面集，利用网格曲面重新划分器构建重划分网格曲面集；

步骤1.6：利用网格曲面分割提取器对重划分网格曲面集中的重划分网格曲面进行分割处理和标记处理，得到已分割网格曲面集；所述标记处理包括对分割处理后的重划分网格曲面添加荷载条件和边界条件；

步骤1.7：基于已分割网格曲面集，利用有限元模型生成器构建全信息有限元模型。

一种电子设备，所述电子设备可执行所述CAD环境下岩土工程有限元模型构建方法，包括：

存储器，用于存储可实现权利要求1至9所述CAD环境下岩土工程有限元模型构建方法的计算机程序；

处理器，用于根据指令向通用计算机请求运算资源并选择性执行1至9任一项所述CAD环境下岩土工程有限元模型构建方法的具体功能。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明提供的CAD环境下岩土工程有限元模型构建方法及电子设备通过设计几何信息综合读取器、独立网格曲面生成器、网格曲面错误修复器、网格曲面兼容处理器、网格曲面重新划分器、网格曲面分割提取器和有限元模型生成器完成表面地形、地下断层、边坡、基坑及隧道等岩土工程对象的有限元模型构建，提高了岩土工程领域有限元建模分析的易用性、质量、精度及合理度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例1中网格曲面及有限元构建的工作流程图；

图2为本发明实施例1中独立网格曲面生成器的工作流程图；

图3为本发明实施例1中内部孔洞填补算法的工作流程图；

图4为本发明实施例1中边缘裂缝修补算法的工作流程图；

图5为本发明实施例1中网格曲面兼容处理器的工作流程图；

图6为本发明实施例1中网格曲面重新划分器的工作流程图；

图7为本发明实施例1中网格曲面分割提取器的工作流程图；

图8为本发明实施例1中有限元模型生成器的工作流程图；

图9为本发明实施例1中第一递归求解算法的工作流程图；

图10为本发明实施例1中第二递归求解算法的工作流程图；

图11为本发明实施例1中第三递归求解算法的工作流程图；

图12为本发明实施例1中第四递归求解算法的工作流程图；

图13为本发明实施例2中几何信息综合读取器的效果示意图；图13(a)为本发明实施例2中几何信息综合读取器读取XYZ文件为点云效果示意图；图13(b)为本发明实施例2中几何信息综合读取器读取OFF文件为曲线网格效果示意图；图13(c)为本发明实施例2中几何信息综合读取器读取DWG文件为曲线效果示意图；图13(d)为本发明实施例2中几何信息综合读取器读取STL文件为曲面效果示意图；

图14为本发明实施例2中独立网格生成器的效果示意图；图14(a)为本发明实施例2中独立网格生成器中以点云生成网格曲面的效果示意图；图14(b)为本发明实施例2中独立网格生成器中以曲线生成网格曲面的效果示意图；图14(c)为本发明实施例2中独立网格生成器中以曲面生成网格曲面的效果示意图；图14(d)为本发明实施例2中独立网格生成器中以不同几何类型几何体生成网格曲面的效果示意图；

图15为本发明实施例2中内部孔洞填补算法的效果示意图；

图16为本发明实施例2中边缘裂缝修补算法的效果示意图；

图17为本发明实施例2中使用网格曲面兼容处理器前后的效果对比示意图；图17(a)为本发明实施例2中使用网格曲面兼容处理器前后的网格曲面集对比示意图；图17(b)为本发明实施例2中使用网格曲面兼容处理器前后的不兼容网格面对比示意图；图17(c)为本发明实施例2中使用网格曲面兼容处理器前后的临近网格边对比示意图；

图18为本发明实施例2中使用网格曲面重新划分器前后的效果示意图；图18(a)为本发明实施例2中使用网格曲面重新划分器前后的网格曲面效果示意图；图18(b)为本发明实施例2中使用网格曲面重新划分器前后尺寸信息点附近网格曲面的效果示意图；

图18(c)为本发明实施例2中使用网格曲面重新划分器前后位置保留点附近网格面的效果示意图；

图19为本发明实施例2中网格曲面分割提取器的效果示意图；

图20为本发明实施例2中有限元模型生成器的效果示意图；

图21为本发明实施例2中第一递归求解算法的效果示意图；

图22为本发明实施例2中第二递归求解算法的效果示意图；

图23为本发明实施例2中第三递归求解算法的效果示意图；

图24为本发明实施例2中第四递归求解算法的效果示意图；

图25为本发明实施例3中示例性岩土工程有限元模型的效果示意图；

图26为本发明实施例3中独立网格曲面集的效果示意图；

图27为本发明实施例3中地下断层网格曲面的效果示意图；

图28为本发明实施例3中边坡及隧道网格曲面的效果示意图；图28(a)为本发明实施例3中边坡曲线及曲面生成边坡网格曲面的效果示意图；图28(b)为本发明实施例3中隧道曲线及曲面生成隧道网格曲面的效果示意图；

图29为本发明实施例3中兼容网格曲面集的效果示意图；

图30为本发明实施例3中重划分网格曲面集的效果示意图；

图31为本发明实施例3中已分割网格曲面集的效果示意图；

图32为本发明实施例3中全信息有限元模型的效果示意图；

图33为本发明实施例4中电子设备的工作流程图；

图34为本发明实施例4中USB接口电子设备的实例示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种CAD环境下岩土工程有限元模型构建方法及电子设备，通过将用于网格曲面及有限元模型构建的系统性方法，与CAD软件所提供的交互式建模环境相结合，提高了构建有限元建模的易用性及质量，进而提高了隧道设计的精度和合理度。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例1

如图1所示，本实施例提供了一种CAD环境下岩土工程有限元模型构建方法，包括：

步骤1.1：使用几何信息综合读取器读取待构建岩土工程有限元模型的几何信息，几何信息包括实测表面地形点云、地下断层点云、边缘线和边缘面，以及CAD图纸中代表边坡、基坑和隧道的曲线。

步骤1.2：使用独立网格曲面生成器将所读取的几何信息生成为对应的网格曲面并加入至独立网格曲面集，网格曲面包括表面地形网格曲面、地下断层网格曲面、边坡网格曲面、基坑网格曲面和隧道网格曲面。

步骤1.3：使用网格曲面错误修复器修复所有网格曲面，并基于修复后的网格曲面构建独立网格曲面集。

步骤1.4：根据独立网格曲面集，利用网格曲面兼容处理器构建兼容网格曲面集。

步骤1.5：根据兼容网格曲面集，利用网格曲面重新划分器构建重划分网格曲面集。

步骤1.6：利用网格曲面分割提取器对重划分网格曲面集中的重划分网格曲面进行分割处理和标记处理，得到已分割网格曲面集；标记处理包括对分割处理后的重划分网格曲面添加荷载条件和边界条件。其中，荷载条件和边界条件是根据待测研究区域岩土的物性参数确定的。全信息有限元模型构建完成后，基于荷载条件和边界条件对待测研究区域岩土进行仿真模拟，得到待测研究区域岩土的应力、应变和位移等结果。根据待测研究区域岩土应力、应变和位移等结果，对待测研究区域进行岩土工程施工方案设计，并根据设计的施工方案在待测研究区域搭建岩土工程。

步骤1.7：基于已分割网格曲面集，利用有限元模型生成器构建全信息有限元模型。

其中，独立网格曲面生成器的工作流程如下(如图2所示)。

步骤2.1：根据待构建岩土工程有限元模型的几何信息，分别生成待构建岩土工程有限元模型中每个几何体的点云信息，并将每个几何体的点云信息均添加至当前点云集中。

步骤2.2：确定当前点云集中任一点云为第一点云，并将第一点云从当前点云集中删除。

步骤2.3：确定当前点云集中任一点云为第二点云。

步骤2.4：将第一点云及第二点云合并为当前点云并获取当前点云的轮廓曲面为当前轮廓曲面。

步骤2.5：通过当前轮廓曲面及当前点云生成当前网格曲面。

步骤2.6：将第二点云从当前点云集中删除，并将第一点云更新为当前网格曲面中所有网格节点的集合。

步骤2.7：重复上述步骤2.3至步骤2.6直至当前点云集为空，得到多个网格曲面。

其中，网格曲面错误修复器的工作流程如下。

步骤3.1：遍历全部网格曲面并对其进行内部孔洞填补处理。

步骤3.2：遍历全部网格曲面并对其进行边缘裂缝修补处理。

具体的，内部孔洞填补处理包括(如图3所示)：

步骤4.1：确定任一网格曲面为当前网格曲面，遍历当前网格曲面中所有网格面并将边缘网格边归入第一边缘网格边集；边缘网格边连接的网格面数为1。

步骤4.2：根据第一边缘网格边集确定全部封闭网格边界路径，并生成封闭网格边界路径集。

步骤4.3：根据从封闭网格边界路径集中选择的任一条封闭网格边界路径作为当前封闭网格边界路径，生成其对应的当前补丁网格曲面，将当前封闭网格边界路径从封闭网格边界路径集中删除。

步骤4.4：判断当前补丁网格曲面的面积是否小于当前补丁网格曲面面积阈值，得到第一判断结果；若第一判断结果为是，则将当前补丁网格填补至当前网格曲面中对应当前封闭网格边界路径的补丁标志处。

步骤4.5：重复步骤4.3至步骤4.4，直至封闭网格边界路径集为空。

其中，边缘裂缝修补处理包括(如图4所示)：

步骤5.1：遍历当前网格曲面中全部网格边并将边缘网格节点归入边缘网格节点集；边缘网格节点为边缘网格边的端点。

步骤5.2：遍历边缘网格节点并根据边缘网格节点的两相邻边缘网格边夹角确定最不利边缘网格节点；最不利边缘网格节点为两相邻边缘网格边夹角最小的边缘网格节点。

步骤5.3：判断最不利边缘网格节点对应的两边夹角和两边端点间距离是否满足修复条件，得到第二判断结果；修复条件为最不利边缘网格节点对应的两相邻边缘网格边夹角小于两边夹角阈值，且最不利边缘网格节点的两相邻边缘网格边另两端点间距离小于裂缝开口距离阈值；若第二判断结果为是，则生成以最不利边缘网格节点及其两相邻边缘网格边构成的补丁网格面，并将补丁网格面填补至当前网格曲面中最不利边缘网格节点的对应区域。

步骤5.4：将当前最不利边缘网格节点从边缘网格节点集中删除。

步骤5.5：重复上述步骤5.1至步骤5.4，直至不存在最不利边缘网格节点。

其中，网格曲面兼容处理器的工作流程如下(如图5所示)：

步骤6.1：遍历独立网格曲面集中所有的独立网格曲面并将所有边缘网格边归入第二边缘网格边集。

步骤6.2：对第二边缘网格边集中满足预设条件的边缘网格边进行共线处理，得到预共线网格曲面集；预设条件为两边中点距离和夹角均小于对应阈值。

步骤6.3：判断预共线网格曲面集是否存在横穿网格边，得到第三判断结果；横穿网格边为修复对象对应的独立网格曲面中与网格面有交点的网格边。

步骤6.4：若第三判断结果为是，则对横穿网格边所接网格面及其所交网格面进行兼容化网格重划分。

步骤6.5：重复上述步骤6.1至步骤6.4，直至第三判断结果为否，并形成兼容网格曲面集。

其中，网格曲面重新划分器的工作流程如下(如图6所示)：

步骤7.1：标记兼容网格曲面集中的尺寸信息点和位置保留点，并对兼容网格曲面集中的每个网格曲面形成轮廓曲面，得到轮廓曲面集，其中尺寸信息点包含所有相接网格边的尺寸，而由位置保留点构成的网格边需保持不变。

步骤7.2：获取所有独立网格曲面之间的共用边界，根据预设的网格尺寸在共用边界上生成共用边缘网格节点，将共用边缘网格节点标记为位置保留点。

步骤7.3：遍历轮廓曲面集中所有轮廓曲面，建立其精细重划分网格曲面并归入重划分网格曲面集，其中网格曲面建立步骤为：首先该轮廓曲面上位置保留点为网格节点建立可覆盖全部位置保留点的最小网格曲面，再在该轮廓曲面上所有尺寸信息点附近建立对应尺寸信息点所规定的网格面尺寸且可覆盖全部尺寸信息点的最小网格曲面，最后基于预设整体网格尺寸及网格尺寸变化率在该轮廓曲面上生成剩余网格面。

具体的，网格曲面分割提取器的工作流程如下(如图7所示)：

步骤8.1：确定重划分网格曲面集中的任一个重划分网格曲面为当前网格曲面，并在当前网格曲面设置第一标记并对其进行第一递归求解；第一递归求解具体包括(如图9所示)：遍历当前网格曲面的所有不含第一标记的相邻重划分网格曲面，如果该相邻重划分网格曲面为连续网格曲面且其与当前网格曲面的连接破坏角小于第一预设阈值，则在该相邻重划分网格曲面设置第一标记并对其进行第一递归求解；连续网格曲面为所有网格边所连重划分网格曲面数均为2的重划分网格曲面。

步骤8.2：将所有带第一标记的网格面从重划分网格曲面集中分割并融合成当前分割网格曲面，并将当前分割网格曲面归入已分割网格曲面集。

步骤8.3：重复8.1至步骤8.2，直至重划分网格曲面集为空。

步骤8.4：对已分割网格曲面集中施加荷载条件及边界条件的网格曲面标记特征信息，得到已分割网格曲面集。

具体的，全信息有限元模型的构建方法包括(如图8所示)：

步骤9.1：获取已分割网格曲面集中标记有网格曲面特征信息的分割网格曲面为特征信息网格曲面集。

步骤9.2：构建第一分割网格曲面集和第二分割网格曲面集，遍历第一分割网格曲面集中所有分割网格曲面，确定任一边缘分割网格曲面为当前第一分割网格曲面，并设置第二标记；第一分割网格曲面集、第二分割网格曲面集和第三分割网格曲面集均与已分割网格曲面集完全相同。

步骤9.3：对当前第一分割网格曲面进行第二递归求解；第二递归求解算法具体包括(如图10所示)：遍历当前第一分割网格曲面面的所有不含第二标记的相邻分割网格曲面，如果该相邻分割网格曲面为连续分割网格曲面，则在该相邻分割网格曲面上设置第二标记并对其进行第二递归求解。

步骤9.4：将所有带第二标记的分割网格曲面融合成当前开放网格曲面并归入特征信息网格曲面集，将所有带第二标记的分割网格曲面从第一分割网格曲面集中删除。

步骤9.5：更新当前分割网格曲面，重复上述步骤9.2至步骤9.4直至第一分割网格曲面集为空。

步骤9.6：遍历第二分割网格曲面集中全部分割网格曲面，确定任一连续分割网格曲面为当前第二分割网格曲面，并设置第三标记。

步骤9.7：对当前第二分割网格曲面进行第三递归求解；第三递归求解具体包括(如图11所示)：计算所有含第三标记的网格曲面形心平均值，遍历当前第二分割网格曲面的所有网格边，找到网格边上的所有相邻分割网格曲面，若该网格边上仅有一个相邻分割网格曲面，则在该相邻分割网格曲面设置第三标记并对其进行第三递归求解，若该网格边上存在多个相邻分割网格曲面，则找到以当前该网格边为轴从当前分割网格曲面至所有含第三标记的网格曲面形心平均值方向旋转扫掠过的第一个相邻分割网格曲面，在该相邻分割网格曲面上设置第三标记并进行第三递归求解。

步骤9.8：将所有带第三标记的分割网格曲面融合成当前封闭网格曲面，以当前封闭网格曲面为外表面生成有限元实体并将其归入有限元实体集。

步骤9.9：遍历当前封闭网格曲面中所有网格面，找到一个连续网格面并设置第四标记。

步骤9.10：对所有含第四标记的网格面进行第四递归求解；其中第四递归求解算法为(如图12所示)：遍历当前网格面的所有不含第四标记的相邻网格面，若该相邻网格面为连续网格面，则在对其设置第四标记并进行第四递归求解。

步骤9.11：将所有带第四标记的网格面从已分割网格曲面集中删除，并清空当前封闭网格曲面。

步骤9.12：重复上述步骤9.7至步骤9.11，直至已分割网格曲面集中删除为空，得到特征信息网格曲面集和有限元实体集。

步骤9.13：将有限元实体集组合成有限元模型，并将特征信息网格曲面集中所有网格曲面黏附至该有限元模型上，得到全信息有限元模型。

实施例2

本实施例提供了一种网格曲面及有限元模型构建程序，其本质为RhinocerosCAD系统下用于生成网格曲面及有限元模型的插件。由于其本质是RhinocerosCAD系统下的插件，故用户可使用该CAD系统的全部功能来方便其建模。另一方面，该软件可通过本发明所提算法对网格曲面进行各种操作(如形成网格曲面，修补网格曲面，网格曲面兼容化处理，网格曲面精细重划分，网格曲面分割提取等)，并将结果显示在该CAD系统中。最终，该软件可通过划分好的网格曲面来形成各种有限元软件的模型文件。

该软件由七个功能组成，形成一条网格生成到有限元建模的完整流程(如图1所示)。这七个功能分别是：1，几何信息综合读取器；2，独立网格曲面生成器；3，网格曲面错误修复器；4，网格曲面兼容处理器；5，网格曲面重新划分器；6，网格曲面分割提取器；7，有限元模型生成器。由这七个功能搭建的网格曲面及有限元模型构建逻辑如下：第一步，使用几何信息综合读取器读取各类型几何体(如点云、曲线、曲面、网格等)，这些几何信息来自不同类型文件，如DWG文件、STL文件、OFF文件、XYZ文件等；第二步，使用独立网格曲面生成器将上述不同类型的几何体进行网格生成，形成每个几何体对应的独立网格曲面；第三步，使用网格曲面错误修复器对第三步形成网格中的多种错误(如内部孔洞和边缘裂缝)进行修复，形成无错误的独立网格曲面；第四步，将上一步形成的代表不同物件多个独立网格曲面通过网格曲面兼容处理器进行兼容化处理，形成一套互相兼容的网格曲面集；第六步，使用网格曲面重新划分器对上一步形成的网格曲面集进行高质量精细网格重划分；第七步，将上一步形成的网格曲面集进行表面分割提取，便于后续有限元分析中施加荷载和边界条件；第八步，使用上一步形成的网格曲面集来生成有限元软件的模型文件。其中，前三部分(几何信息综合读取器、独立网格曲面生成器及网格曲面错误修复器)构成独立网格曲面生成单元，其作用是生成代表某个几何体的独立网格曲面。另一方面，在有限元分析中，最常见的情况是多个几何体的体系，为此需要多个独立网格曲面进行兼容化处理并形成网格曲面集。此外，低质量的网格曲面(如含低质量网格面、网格尺寸过度不均匀、缺乏细部网格面尺寸控制等)将导致有限元模型质量低并导致模拟失真。而由第四部分至第六部分(网格曲面兼容处理器、网格曲面重新划分器及网格曲面分割提取器)构成的网格曲面集生成单元则可解决以上问题。最后一部分是有限元模型生成器，其功能是通过由网格曲面集生成单元生成的表面网格集来形成有限元模型，且该有限元模型可保留全部网格曲面信息。

下面将分别介绍每部分功能及技术方案：

1.独立网格曲面生成单元

独立网格曲面生成单元的目的是解决由各类型几何体信息输入(如CAD图纸文件、扫面所得点云文件、其他类型几何信息文件等)到形成一个无错误独立网格曲面的问题，其中(如图1所示)：几何信息综合读取器的作用是读取各类型几何体信息到CAD系统中并建立对应的几何体(如点云、曲线、曲面等)；独立网格曲面生成器负责将各种几何体生成对应的网格曲面(如点云对应的拓扑网格曲面、平面图中曲线所对应的网格曲面、曲面对应的网格曲面等，或通过不同类型的多个集合体综合形成一个网格曲面，如通过点和圆形平面生成一个锥体的网格曲面)；经过前两步生成以及其他方式导入的网格曲面常包含多种错误(如缺口和孔洞)，此时则需要使用网格曲面错误修复器来修复这些错误。经历这四部分处理后，即可形成一个代表单个几何体且无错误的独立网格曲面。下面将分别介绍独立网格曲面生成单元中每部分的具体功能及实现方案：

1.1几何信息综合读取器：几何信息综合读取器的作用是从包含各种几何体信息的文件中读取相应的几何信息，并在CAD系统中建立并绘制出对应的几何体(如图13(a)-图13(d)所示)，其具体的实现步骤如下：第一步，根据文件类型读取并解析其中信息，再建立对应的几何体，如对XYZ文件读取点坐标、对OFF文件读取网格曲面、对DWG文件读取曲线信息，对STL文件读取曲面信息；第二步，通过第一步读取的信息建立对应的几何体，如点、曲线、曲面、网格等；第三步，将第一步建立几何体输出至RhinocerosCAD环境中，结束算法并退出。

1.2独立网格曲面生成器：独立网格曲面生成器通过各种几何体来生成对应的网格，并将结果网格在RhinocerosCAD系统中建立并绘制(如图14(a)-图14(d)所示)，其具体实现步骤如下(如图2所示)：第一步，从RhinocerosCAD系统中读取用户所选取几何体的信息；第二步，对每个几何生成其点云并归入当前点云集，其中点云对象可直接归入当前点云集，曲线对象可将其曲线上的插值点形成点云，曲面对象可将其上二维插值点形成点云，网格曲面对象可提取其网格节点形成点云；第三步，从当前点云集中任选一个点云为第一点云并将其从当前点云集中删除；第四步，从剩余点云中任意选取一个作为第二点云；第五步，将第一点云及所述第二点云加入当前点云集并使用Alpha Shape算法获取其轮廓曲面；第六步，使用通用网格曲面生成算法(如AdvancingFront或Delaunay)，通过该轮廓曲面及当前点云集生成当前网格曲面；第八步，将第二点云从当前点云集删除，并将前网格曲面的所有网格节点作为第一点云；第九步，从重复上述第三步至第八步至当前网格曲面集为空，输出前网格曲面至RhinocerosCAD系统，结束算法并退出。

1.4网格曲面错误修复器：网格曲面错误修复器的目的是提供解决网格曲面中所包含的各种错误(如内部孔洞和边缘裂缝)的方法，其主要包含内部孔洞填充模块及边缘裂缝修补模块。内部孔洞填充模块的作用填充网格中的孔洞(如图15所示)，其算法如下(如图3所示)：第一步，选取需进行内部孔洞填补的网格曲面作为当前网格曲面；第二步，遍历当前网格曲面中全部网格面并将边缘网格边归入边缘网格边集，其中边缘网格边为连接网格面数为1的网格边；第三步，根据所述边缘网格边集确定全部封闭网格边界路径并生成封闭网格边界路径集；第四步，从封闭网格边界路径集中选择一条封闭网格边界路径作为当前封闭网格边界路径并生成其对应的当前补丁网格曲面，其中补丁网格曲面的生成可采用网格曲面生成算法(如AdvancingFront或Delaunay)；第五步，判断当前补丁网格曲面的面积是否小于当前补丁网格曲面面积阈值，若判断结果为真，则将当前补丁网格填补至当前网格曲面中对应封闭网格边界路径处；第六步，从封闭网格边界路径集中删除当前封闭网格边界路径；第七步，重复第四步至第六步直至封闭网格边界路径集为空，输出当前网格曲面至RhinocerosCAD系统并退出。边缘裂缝修补模块的作用是填补边缘裂缝(如图16所示)，算法如下(如图4所示)：第一步，选取需进行裂缝修补的网格曲面作为当前网格曲面，遍历当前网格曲面中全部网格边并将边缘网格节点归入边缘网格节点集，其中边缘网格节点为边缘网格边的端点；第二步，遍历边缘网格节点并根据边缘网格节点的两相邻边缘网格边夹角确定最不利边缘网格节点，其中最不利边缘网格节点为两相邻边缘网格边夹角最小的边缘网格节点；第三步，判断最不利边缘网格节点对应的两边夹角和两边端点间距离是否满足修复条件，得到判断结果，其中修复条件为最不利边缘网格节点对应的两相邻边缘网格边夹角小于两边夹角阈值，且最不利边缘网格节点的两相邻边缘网格边另两端点间距离小于裂缝开口距离阈值，若该判断结果为真，则生成以该最不利边缘网格节点及其两相邻边缘网格边构成的当前补丁网格面，并将当前补丁网格面填补至当前网格曲面中最不利边缘网格节点的对应区域；第四步，将当前最不利边缘网格节点从边缘网格节点集中删除；第五步，重复第一步至第四步，直至不存在最不利边缘网格节点，输出当前网格曲面至RhinocerosCAD系统并退出。

2.网格曲面集生成单元

在有限元分析中，通常遇到的情况是包含多个独立网格曲面的集合，而有限元分析一方面要求这些网格必须互相兼容，另一方面也要求网格面具备高质量。此外，有限元分析还要求可区分需加载荷载条件及边界条件的网格曲面。网格曲面集生成单元的目的将通过多个独立网格表面生成可有效生成有限元模型的网格曲面集，其中(如图1所示)：网格曲面兼容处理器负责将多个独立网格曲面进行兼容化处理；网格曲面重新划分器可对兼容的多个网格曲面进行高质量网格重划分；网格曲面分割提取器可有效分割网格曲面以便于后续有限元分析中施加荷载条件及边界条件。经这三部分处理后，即可形成一个可有效生成高质量有限元模型的网格曲面集。下面将分别介绍网格曲面集生成单元中每部分的具体功能及实现方案：

2.1网格曲面兼容处理器

网格曲面兼容处理器的目的是解决有限元分析中多网格不兼容问题。在有限元分析中，通常遇到的情况是包含多个独立网格曲面的集合，而有限元分析要求这些网格必须互相兼容。此时就需要所有的网格进行兼容化网格重划分。目前市面上已有的网格兼容化重划分程序虽可将多个网格进行兼容化处理，但其存在如下问题：1，算法效率不高或不稳定；2，兼容化处理后的网格成了一个整体网格而无法区分原有物件；3，遇到有缝隙的情况则无法正常处理4，难以精细控制网格面尺寸。而网格曲面兼容处理器则可解决上述问题(如图17(a)-图17(c)所示)，其算法如下(如图5所示)：第一步，将所选取的全部独立网格曲面归入当前网格曲面集，遍历当前网格曲面集中网格曲面并将所有边缘网格边归入边缘网格边集；第二步，对边缘网格边集中满足共线条件的边缘网格边进行共线处理，其中预设条件为两边中点距离和夹角均小于对应阈值；第三步，判断是否存在横穿网格边，得到判断结果，其中横穿网格边为与网格面有交点的网格边；第四步，若判断结果为真，则对横穿网格边所接网格面及其所交网格面进行兼容化网格重划分；第五步，重复上述第一步至第四步至判断结果为假，输出前网格曲面集至Rhinoceros CAD系统并退出。

2.2网格曲面重新划分器

网格曲面重新划分器的目的是解决有限元分析中需要对网格质量进行精细控制的问题，例如网格面的尺寸及形状质量、四边形网格面与三角形网格面的比例、特定部位网格的尺寸、特定边需保持不变，网格重划分后集合对象区分等问题。而目前市面的绝大多数网格曲面重划分算法对上述精细划分问题的处理不够理想。网格曲面重新划分器则可有效解决上述问题(效果如图18(a)-图18(c)所示)，其算法如下(如图6所示)：第一步，将所选取的全部网格曲面归入当前网格曲面集，对当前网格曲面集标记尺寸信息点和位置保留点，其中尺寸信息点规定该点附近的网格面尺寸，而由位置保留点构成的网格边需保持不变；第二步，并使用AlphaShape算法对当前网格曲面集中的每个独立网格曲面形成轮廓曲面并归入轮廓曲面集；第三步，获取所有所述独立网格曲面之间的共用边界，根据预设的网格尺寸在共用边界上生成共用边缘网格节点并标记为位置保留点；第四步，遍历轮廓曲面集中所有轮廓曲面，建立其精细重划分网格曲面并归入重划分网格曲面集，其中网格曲面建立步骤为：首先该轮廓曲面上位置保留点为网格节点建立可覆盖全部位置保留点的最小网格曲面，再在该轮廓曲面上所有尺寸信息点附近建立对应尺寸信息点所规定的网格面尺寸且可覆盖全部尺寸信息点的最小网格曲面，最后基于预设整体网格尺寸及网格尺寸变化率在该轮廓曲面上生成剩余网格面；第五步，输出重划分网格曲面集至RhinocerosCAD系统并退出。

2.2网格曲面分割提取器

网格曲面分割提取器的作用是提取网格曲面的某些部分并将其从原网格中分割出来，以便于有限元分析中添加荷载及边界条件等操作。网格曲面分割提取器可根据破坏角度和自然断面一次性分割提取所有网格曲面。单表面提取模块的算法如下(如图19所示)，其算法如下(如图7所示)：第一步，将所选取的全部独立网格曲面归入当前网格曲面集，对所述当前网格曲面集中的一个网格面设置第一标记；第二步，对所有含第一标记的网格面进行第一递归求解以找到当前分割网格曲面(如图21所示)，其中第一递归求解算法为(如图9所示)：遍历当前网格面的所有不含第一标记的相邻网格面，若某相邻网格面为连续网格面且其与当前网格面的连接破坏角小于预设阈值，则在该相邻网格面设置第一标记并对其进行第一递归求解以分割提取一个网格曲面，其中连续网格面为其全部网格边所连网格面数均为2的网格边；第三步，将所有带第一标记的网格面从当前网格曲面集中分割并融合成当前网格曲面，并将当前网格曲面归入已分割网格曲面集；第四步，重复第一步至第三步，直至当前网格曲面集为空；第五步，对已分割网格曲面集中需施加荷载条件及边界条件的网格曲面标记特征信息(如网格曲面名、荷载、边界条件等)。

3.有限元模型生成器

有限元模型生成器是为了解决通过网格曲面生成有限元模型的问题。有限元模型生成器可通过网格曲面生成三维网格模型并进一步生成常用商业有限元分析软件(如ANSYS、ABAQUS、FLAC3D、MIDAS等)的模型，且生成的有限元模型具有如下特点(如图20所示)：1，可保留网格曲面的原始信息(如曲线及曲面)；2，可将有限元单元按其所在的封闭区间进行分组。有限元模型生成器的算法如下(如图8所示)：第一步，将所选取的全部独立网格曲面归入当前网格曲面集，并将所有含有特征信息的网格曲面复制入特征信息网格曲面集；第二步，遍历当前网格曲面集中所有网格面并找到一个边缘网格面并设置第二标记；第三步，对所有含第二标记的网格面进行第二递归求解以找到当前开放边缘曲面(如图22所示)，其中第二递归求解算法为(如图10所示)：遍历当前网格面中所有不含第二标记的相邻网格面，如果该相邻网格面为连续网格面，则在该相邻网格面上设置第二标记并对其进行第二递归求解；第四步，将所有带第二标记的网格面融合成当前开放网格曲面并归入特征信息网格曲面集，并将所有带第二标记的网格面从当前网格曲面集中删除；第五步，重复上述步骤第一步至第四步至所述当前开放网格曲面为空；第六步，遍历所述已分割网格曲面集中全部网格面，找到一个连续网格面作设置第三标记；第七步，对所有含第三标记的网格面进行第三递归求解以找到当前封闭边缘曲面(如图23所示)，其中第三递归求解算法为(如图11所示)：计算所有含第三标记的网格曲面形心平均值，遍历所有含第三标记的网格面的网格边并找到该网格边上的所有相邻网格面，若该网格边上仅有一个相邻网格面，则在该相邻网格面设置第三标记并对其进行第三递归求解，若该网格边上存在多个相邻网格面，则找到以当前该网格边为轴从当前网格面至所有含第三标记的网格曲面形心平均值方向旋转扫掠过的第一个相邻网格面，在该相邻网格面设置第三标记并对其进行第三递归求解；第八步，将所有含第三标记的网格曲面融合为当前封闭边缘曲面，使用三维网格生成算法(如Delaunay或OctTree)对当前封闭网格曲面为外表面生成有限元实体并其归入有限元实体集；第九步，遍历当前封闭网格曲面，找到一个连续网格面并设置第四标记；第十步，对所有含第四标记的网格面进行第四递归求解以找到当前可删除网格曲面(如图24所示)，其中第四递归求解算法为(如图12所示)：遍历当前封闭网格曲面中所有不含第四标记的相邻网格面，若某相邻网格面为连续网格面，则在该相邻网格面上设置第四标记并对其进行第四递归求解；第十一步，将所有含第四标记的网格面从当前网格曲面集中删除；第十二步，重复上述第六步至第十一步直至当前网格曲面集为空；第十三步将有限元实体集组合成有限元模型，并将特征信息网格曲面集中所有网格曲面黏附至该有限元模型上；第十四步，根据上述含网格曲面信息的有限元模型形成商业有限元分析软件(如ANSYS、ABAQUS、FLAC3D、MIDAS等)的模型文件。

实施例3

本实施例提供了一种使用实施例2中插件程序对一示例性岩土工程中表面网格及有限元模型构建的具体工程应用，其包含表面地形、底线断层、边坡、基坑、隧道及对应荷载条件及边界条件的建模(如图25所示)。实施例所提供的方法亦普遍通用于其他岩土工程中网格曲面及有限元模型的构建。以下将介绍实施例的具体步骤：

第一步，使用几何信息综合读取器读取实测表面地形点云、边缘曲线及边界曲面的几何信息，再使用独立网格曲面生成器及网格曲面错误修复器构建独立网格曲面集(如图26所示)。

第二步，使用几何信息综合读取器读取实测地下断层点云的几何信息，再使用独立网格曲面生成器及网格曲面错误修复器构建地下断层网格曲面(如图27所示)。

第三步，使用几何信息综合读取器读CAD图纸中边坡、基坑及隧道的几何信息，再使用独立网格曲面生成器及网格曲面错误修复器构建边坡网格曲面、基坑网格曲面及隧道网格曲面(如图28(a)-图28(b)所示)。

第四步，使用网格曲面兼容处理器，以外轮廓曲面网格曲面、地下断层网格曲面、边坡网格曲面、基坑网格曲面及隧道网格曲面构建兼容网格曲面集(如图29所示)。

第五步，使用网格曲面重新划分器，以兼容网格曲面集构建重划分网格曲面集(如图30所示)。

第六步，使用网格曲面分割提取器，以重划分网格曲面集构建已分割网格曲面集，并在对应网格曲面上标记加荷载条件及边界条件(如图31所示)。

第七步，使用有限元模型生成器，使用已分割网格曲面集构建包含特征信息网格曲面集的全信息有限元模型，将全信息有限元模型输入至有限元分析软件中，在信息网格曲面集中对应网格曲面上添加荷载条件及边界条件，输入剩余模拟参数，提交有限元模拟工作并分析模拟结果(如图32所示)。

实施例4

本实施例提供了一种电子设备，电子设备可执行如实施例1所述的CAD环境下岩土工程有限元模型构建方法，包括：

存储器，用于存储可实现所述CAD环境下岩土工程有限元模型构建方法的计算机程序。

处理器，用于根据指令向通用计算机请求运算资源并选择性执行实施例1所述的CAD环境下岩土工程有限元模型构建方法的具体功能。

具体的，本实施例提供了一种以USB接口32位单片机为载体的电子设备，包括存储器及处理器(如图34所示)。其中存储器用于存储计算机程序，处理器运行所述计算机程序以使所述电子设备执行所述的一种网格曲面及有限元模型构建方法。该电子设备的工作逻辑如下(如图33所示)。

第一步，用户通过命令调用实施例1中插件程序。

第二步，实施例1中插件程序通过X86通用计算机向本USB设备发送需运行程序的函数入口及所需输入参数的值或指针。

第三步，本USB设备根据第二步的输入量生成一个临时可执行程序并向X86通用计算机请求执行。

第四步，X86通用计算机运行上述临时可执行程序并输出结果。

第五步，X86通用计算机销毁上述临时可执行程序的全部资源。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。