基于DUSE的数字—数值一体化核心技术研究及其应用

论文摘要

随着地下空间的开发利用与岩土工程的数字化信息化技术的发展,为了对地下工程的建设和发展服务,用数字化方式将原始复杂地质条件和地层信息进行直观表现,来构建数字地下空间与工程（DUSE）系统,是目前正在研究的课题。数值分析方法作为岩土工程领域的一种重要模拟分析手段,将其计算功能集成到数字化系统是大势所趋。如何对两种系统进行互为补充、扬长避短、高效便捷的集成是这一新兴研究领域的一大难题。鉴于此,本文以DUSE系统为研究基础,从数字建模和数值分析两个角度出发,提出实现数字—数值一体化的思想,并以此为主线,对其实现一体化的集成模式、集成内容、组织结构、实施框架等内容进行了全面、系统的研究,同时对其实现一体化的核心技术作了重点研究与实现。主要内容如下:（1）本文首先对正在研究的数字地下空间与工程信息系统（DUSES）作了全面介绍,对整个系统的框架结构设计和功能模块的研制进行分析论述。在确定DUSES基本功能的基础上,对其数据及管理功能、三维建模功能、可视化功能、空间分析功能和专业应用功能等内容进行了详细论述。（2）对地下工程有限元数值分析系统的前处理技术进行了研究。根据有限元数值分析方法以及系统前处理的流程结构,对系统中的数据及其处理方式和有限元建模规则与方法进行了详细研究,并探讨了在地下工程中复杂计算模型的有限元网格生成模式。（3）提出基于DUSE的数字—数值一体化的概念,并决定采用一种复合式体系结构（嵌入式+松散式）的集成方式来实现其一体化。从数据、功能和技术三方面来研究集成内容,分别从DUSE系统和数值分析系统的角度构建系统一体化的组织结构,最终制定出严密的一体化系统整体实施框架及其执行步骤。（4）对数字—数值一体化中的核心技术进行研究,针对两种模型的差异性,通过依次运用区域切割技术、表面模型重构技术、有限元网格自动生成技术,提出一种CRM地质模型转化法来实现模型一体化。在区域切割算法中,采用多边形平面与三角形平面的相交计算加以实现,提高了整体切割计算的效率,避免了冗余数据的产生,能够方便的模拟岩土工程中的开挖施工过程,并可使地质模型具有一次建模多次使用的功能。基于Delaunay编制了表面模型重构算法和三维空间平面的有限元三角网格自动剖分算法,提出并采用“多TIN域”法来自动生成地质表面模型的有限元网格,避免了较复杂的任意域网格自动剖分算法以及手动寻求封闭区域、边界逐一离散等人机交互现象。在有限元体网格生成过程中,提出“单空间域”和“多空间域”的概念,以及按不同地层属性进行分块的思想,避免了复杂的手动构建体网格自动剖分区域的过程及其封闭性检验和人机交互式的几何检查等技术难题。（5）对数字—数值一体化系统平台进行总体设计,以ACCESS为数据库支撑,利用VC++和OpenGL从底层开发三维可视化图形平台以及有限元数值分析功能模块,实现了数据一体化和功能一体化的集成内容,最后分析了整个一体化系统所存在的不足。（6）结合上海世博变电站基坑开挖工程,应用本文提出的基于DUSE的数字—数值一体化建模方法和系统平台,对其进行三维有限元数值计算与分析,以展示一体化系统的执行过程和优越性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 概述
• 1.2 数字地下空间与工程（DUSE）的发展历程
• 1.2.1 从GIS到3DGIS的发展
• 1.2.2 从3DGIS到3DSIS的发展
• 1.2.3 从3DSIS到DUSE的发展
• 1.2.4 DUSE的研究现状
• 1.3 GIS技术的集成研究现状
• 1.3.1 GIS的集成研究
• 1.3.2 GIS在岩土工程中的应用
• 1.3.3 GIS技术与数值分析技术的集成
• 1.4 研究DUSES和数字与数值一体化的必要性
• 1.4.1 地下工程发展的需要
• 1.4.2 地层信息资源共享的需要
• 1.4.3 数值分析工作的需要
• 1.5 论文的研究思路与内容
• 1.6 论文的创新点
• 第2章 数字地下空间与工程信息系统研究
• 2.1 概述
• 2.2 数字地下空间与工程信息系统框架设计
• 2.2.1 系统功能需求分析
• 2.2.2 数字地下空间与工程信息系统的框架结构
• 2.3 数据管理功能及实现
• 2.3.1 数据分类与标准化
• 2.3.2 数据库的设计与实现
• 2.3.3 数据管理功能设计与实现
• 2.4 三维建模功能及实现
• 2.4.1 三维地层建模
• 2.4.2 隧道及附属设施建模
• 2.4.3 地下管线建模
• 2.5 三维可视化功能及实现
• 2.6 空间分析功能及实现
• 2.6.1 剖切功能及实现
• 2.6.2 切割功能及实现
• 2.6.3 空间碰撞分析
• 2.7 本章小结
• 第3章 地下工程有限元分析系统前处理技术研究
• 3.1 概述
• 3.2 有限元数值分析方法介绍
• 3.2.1 有限元方法概述
• 3.2.2 有限元法的分析过程
• 3.3 有限元分析系统的数据分类及处理方式
• 3.3.1 有限元分析系统的数据分类
• 3.3.2 数据处理的基本方式
• 3.4 有限元分析系统前处理流程结构
• 3.5 有限元分析中的建模依据、原则与方法
• 3.5.1 有限元分析建模依据
• 3.5.2 有限元网格剖分原则
• 3.5.3 有限元网格剖分方法
• 3.5.4 有限元网格生成算法的性能比较
• 3.6 地下工程有限元模型网格生成模式
• 3.6.1 地下工程有限元分析的特点
• 3.6.2 复杂计算模型的网格生成模式
• 3.7 本章小结
• 第4章 基于 DUSE的数字—数值一体化框架设计
• 4.1 概述
• 4.2 基于DUSE的数字—数值一体化概念
• 4.2.1 一体化的定义
• 4.2.2 数字—数值一体化概念
• 4.3 数字—数值一体化的集成模式
• 4.4 数字—数值一体化的集成内容
• 4.4.1 功能一体化
• 4.4.2 数据一体化
• 4.4.3 技术一体化
• 4.5 两种系统一体化集成的组织结构
• 4.5.1 基于DUSE的一体化组织结构
• 4.5.2 基于数值分析的一体化组织结构
• 4.6 基于DUSE的数字—数值一体化总框架
• 4.6.1 一体化实施框架
• 4.6.2 数值分析的执行步骤
• 4.7 本章小结
• 第5章 数字—数值技术一体化核心算法及实现
• 5.1概述
• 5.2 技术一体化的集成思路与框架
• 5.2.1 技术需求分析
• 5.2.2 实现思路及流程图
• 5.2.3 关键技术及核心算法
• 5.3 三维地质建模及其数据模型的选择
• 5.3.1 三维地质建模概述
• 5.3.2 面结构数据模型
• 5.3.3 体结构数据模型
• 5.3.4 混合结构数据模型
• 5.3.5 数据模型的选择
• 5.4 区域切割技术及算法实现
• 5.4.1 区域切割范围确定
• 5.4.2 区域切割面构建
• 5.4.3 区域切割技术
• 5.4.4 数据结构设计
• 5.4.5 算法实现步骤
• 5.4.6 实例验证
• 5.5 表面模型重构技术及算法实现
• 5.5.1 模型重构基本思想
• 5.5.2 地层分界面网格重构
• 5.5.3 网格分块处理技术
• 5.5.4 地层周围表面网格重构
• 5.5.5 算法实现步骤
• 5.5.6 实例验证
• 5.6 基于地质模型的有限元面网格自动生成及算法实现
• 5.6.1 面网格自动生成条件
• 5.6.2 几个概念的定义
• 5.6.3 MTR面网格自动生成的基本思路
• 5.6.4 STR边界离散方法
• 5.6.5 STR初始背景网格生成方法
• 5.6.6 STR三角网插点加密方法
• 5.6.7 主要数据结构
• 5.6.8 算法实现步骤
• 5.6.9 实例验证
• 5.7 基于地质模型的有限元体网格自动生成
• 5.7.1 体网格自动生成条件
• 5.7.2 几个概念的定义
• 5.7.3 MSR体网格自动生成的基本思路
• 5.7.4 基于Delaunay的体网格生成方法
• 5.7.5 实例验证
• 5.8 考虑地下工程开挖过程的建模方法
• 5.8.1 开挖过程建模方法
• 5.8.2 实例验证
• 5.9 本章小结
• 第6章 基于 DUSE的数字—数值一体化实现
• 6.1 概述
• 6.2 一体化系统实现环境
• 6.2.1 系统开发环境
• 6.2.2 整体界面设计
• 6.3 数据一体化实现
• 6.3.1 空间数据
• 6.3.2 属性数据
• 6.3.3 结果数据
• 6.4 功能一体化实现
• 6.4.1 前处理功能
• 6.4.2 后处理功能
• 6.5 一体化系统存在的不足
• 6.5.1 系统平台存在的不足
• 6.5.2 核心技术存在的不足
• 6.6 本章小结
• 第7章 一体化系统工程应用
• 7.1 概述
• 7.2 工程概况
• 7.2.1 世博变电站概况
• 7.2.2 地形地貌与场地条件
• 7.2.3 水文地质条件
• 7.2.4 不良地质现象
• 7.3 工程三维地质体建模
• 7.4 地质体和构筑物数值建模
• 7.4.1 确定计算区域
• 7.4.2 地层表面模型重构
• 7.4.3 基坑和地下连续墙建模
• 7.4.4 有限元面网格自动生成
• 7.4.5 有限元体网格生成
• 7.4.6 导入数值分析系统
• 7.5 基坑开挖三维弹塑性有限元分析
• 7.5.1 计算条件
• 7.5.2 位移结果分析
• 7.5.3 应力结果分析
• 7.5.4 塑性区分析
• 7.6 一体化系统的优越性
• 7.7 本章小结
• 第8章 结论与展望
• 8.1 主要研究结论
• 8.2 进一步工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 个人简历 在读期间发表的学术论文与研究成果