一种二次曲线型拱坝自动化建模方法及系统

本发明属于水利水电工程，具体涉及一种二次曲线型拱坝自动化建模方法及系统。

背景技术：

1、拱坝是一种高次超静定空间壳体结构，虽体型单薄，但应力调整能力强，有巨大的超载能力，兼具经济性与安全性。拱坝建设的历史源远流长，在近几个世纪的坝工实践中得到了飞速发展，在世界范围内得到了广泛应用，已成为水电站规划建设中的优势坝型。拱坝依据曲率可分为单曲和双曲拱坝，只有水平向曲率为单曲拱坝，水平、竖直方向均有曲率为双曲拱坝。随着坝工技术的发展，水平拱圈型式也由传统的单心圆、多心圆朝二次曲线、对数螺旋线等变曲率复杂线型发展。

2、二次曲线型拱坝为变曲率拱坝，中间段曲率较大，往两侧逐渐递减，在目前拱坝建设过程中应用广泛。二次曲线型拱坝对于不对称河谷及两岸开挖较多的特殊地形适应性良好，能有效改善拱端推力角并减少弯矩，在水压力作用下二次曲线型拱坝更接近中心受压状态，对坝体应力及倒悬情况有利。

3、准确、高效建立拱坝三维实体模型，对使用有限元等数值计算方法开展拱坝结构应力计算具有重要意义。目前，主流方法仍是依据体形及地形资料进行手动建模，人力及时间资源消耗较大；而现有的自动化建模方法大都仅以建立整体坝为目标导向，对于孔口、横缝等坝体细部结构考虑不足，未能考虑拱坝、边坡联合模式，忽略了坝址附近典型断层及软弱结构面，且存在参数鲁棒性不足，泛化性能差的问题。

技术实现思路

1、为克服现有技术不足，本发明提供了一种二次曲线型拱坝自动化建模方法，包括以下步骤：

2、步骤1：输入用于描述拱冠梁剖面与水平拱圈的设计参数，并基于水平拱圈中心线方程类型对拱坝进行分类确定拱坝类型，对输入参数的构成体形的几何可行性进行判别；

3、步骤2：基于三次多项式假定对输入的设计参数进行拟合与调整，插值得到任意高程处的设计变量；

4、步骤3：调用建模软件，建立不同控制高程处堆叠的水平拱圈，放样操作建立整体坝模型，通过布尔运算操作实现横缝划分和孔口模拟；

5、步骤4：读入地形特征点坐标以拟合地形线或直接导入已有地形线数据，通过放样操作建立边坡曲面，考虑坝肩基础开挖与拱坝联合组成整体三维模型；

6、步骤5：根据工程地质资料，实现典型结构面定位并确定其产状三要素，生成辅助平面引导布尔运算建立结构面实体；

7、步骤6：对三维整体模型各组件进行分组管理，并依次导出iges格式文件存储。

8、进一步地，所述步骤1中设计参数包括至少4个不同控制高程处的拱冠梁剖面上游侧坐标yup，拱冠及左、右拱端厚度tm、tl、tr，拱冠梁处左右曲率半径rl、rr，拱圈中心线左右两端弦长xl、xr，左、右似半中心角以拱冠梁上游侧曲线顶点为xy平面原点，x轴正向指向左岸，y轴正向指向上游，z坐标与实际高程保持一致。

9、进一步地，拱冠梁剖面上游侧坐标yup与拱冠梁剖面厚度tm用于唯一确定拱冠梁剖面，拱冠梁剖面中心线yc与下游侧曲线ydown表示为：

10、yc＝yup-tm/2

11、ydown＝yup-tm

12、其余变量均用于描述水平拱圈，水平拱圈的描述主要包括中心线方程与拱厚变化规律：

13、左、右岸两侧的水平拱圈中心线方程分别可表示为：

14、左岸侧：

15、x2＝al·(y-yc)2-2rl·(y-yc)

16、右岸侧：

17、x2＝ar·(y-yc)2-2rr·(y-yc)

18、式中，(x,y)为水平拱圈中心线上任意点坐标，al与ar分别为左、右侧水平拱圈线型决定系数；yc＝yup-tm/2；

19、左、右岸两侧的拱厚变化规律分别可表示为：

20、左岸侧：

21、

22、右岸侧：

23、

24、式中，td表示拱圈中心线上任意一点拱厚，表示拱圈中心线上任意一点对应中心角。

25、依据中心线方程与拱厚变化规律可确定水平拱圈上、下游侧曲线假定拱圈中心线上任意一点为(x,y)，则该点法向延长线与上、下游曲线的交点可表示为：

26、左岸侧：

27、

28、

29、右岸侧：

30、

31、

32、其中，下标l、r分别表示左岸侧与右岸侧；下标up、down分别表示上游侧与下游侧。

33、进一步地，所述步骤1中按水平拱圈中心线方程类型对拱坝进行分类依据为：依据拱圈中心线方程中的左、右侧水平拱圈线型决定系数al、ar，分别用设计变量表示为：

34、

35、

36、若al、ar为0，中心线方程为抛物线；若al、ar大于0，中心线方程为双曲线；若al、ar小于0，中心线方程为抛物线；当al、ar等于-1时，中心线方程为圆。

37、进一步地，对输入设计变量组成的拱坝体形进行几何可行性判断。合理的拱坝体形应当满足保凸性要求，水平拱圈左右两侧、无倒角的条件：

38、其中梁向剖面保凸性要求:表示为拱冠梁上游侧曲线二阶导数小于0：

39、

40、水平拱圈保凸性要求可表示为曲率圆心位于下游侧：

41、rlup>0rldown>0

42、rrup>0rrdown>0

43、水平拱圈左右两侧不相交可表示为计算所得上、下游侧左拱圈x坐标始终大于右拱圈x坐标：

44、xldown>xrdown

45、xlup>xrup

46、水平拱圈无倒角以表示为左半拱圈一阶导数存在且小于0，右半拱圈一阶导数存在且大于0：

47、

48、

49、进一步地，所述步骤2包括如下子步骤：

50、步骤2.1，基于设计变量在高度方向上服从三次多项式分布的假定，即：

51、pi＝aim3+bim2+cim+di

52、式中，m为控制高程至坝底高度与最大坝高比值；ai～di为各设计变量对应的多项式分布系数；

53、对输入的设计变量进行三次多项式拟合，得到各设计变量的多项式分布系数ai～di；

54、步骤2.2，通过得到的多项式分布系数ai～di，通过插值得到任意控制高程处的设计变量：

55、yup(m)＝a1m3+b1m2+c1m+d1

56、tm(m)＝a2m3+b2m2+c2m+d2

57、tl(m)＝a3m3+b3m2+c3m+d3

58、tr(m)＝a4m3+b4m2+c4m+d4

59、rl(m)＝a5m3+b5m2+c5m+d5

60、rr(m)＝a6m3+b6m2+c6m+d6

61、xl(m)＝a7m3+b7m2+c7m+d7

62、xr(m)＝a8m3+b8m2+c8m+d8

63、

64、

65、式中，yup(m)为m处上游侧曲线y坐标；tm(m)坐标为m处拱冠梁剖面厚度；tl(m)、tr(m)分别为m处左、右拱端厚度；rl(m)、rr(m)分别为m处拱冠左、右曲率半径；xl(m)、xr(m)分别为m处拱冠左、右拱端弦长；分别为m处左、右似半中心角，ai～di,i＝1,2,...,10分别为多项式分布系数。

66、进一步地，所述步骤3包括如下子步骤：

67、步骤3.1，基于步骤2.2中插值得到的设计变量，调用三维建模软件进行建模；

68、步骤3.2，基于步骤1中的水平拱圈描述方法，生成大量位于拱圈中心线上的点，通过水平拱厚分别计算上、下游侧曲线上对应点坐标，并通过曲线拟合得到上下游侧曲线，形成水平拱圈；在多个不同控制高程处重复此步骤，得到堆叠的水平拱圈；

69、步骤3.3，基于堆叠的水平拱圈，通过放样方法得到平顺的上下游曲面；使用平面生成命令分别建立顶部平面与底部平面；使用加盖操作得到左右两侧面；

70、步骤3.4，将复杂孔口概化为矩形，依据孔口数目、位置及尺寸信息，生成辅助开孔的体，通过布尔运算相减得到开孔的拱坝模型；

71、步骤3.5，根据横缝共同圆心、横缝数目、横缝宽度以及左右横缝起始位置，首先计算每个坝段对应中心角，然后生成辅助工作平面并引导其旋转，使用布尔运算进一步将坝体划分为若干坝段及横缝模型。

72、进一步地，所述步骤4包括如下子步骤：

73、步骤4.1，若已事先编制地形线iges文件，则直接将其导入建模软件中，通过曲面生成命令直接形成边坡曲面；否则，根据步骤1中所述坐标系，输入相应控制点坐标，拟合生成地形线，通过曲面生成命令形成边坡曲面；

74、步骤4.2，提取拱坝各坝段底部关键点位置，分别建立水平辅助平面切割边坡曲面得到相应交线，删除原有边坡曲面，对交线进行放样操作重构边坡曲面；

75、步骤4.3，连接重构后的边坡曲面与拱端关键点，实现基础开挖模拟，通过曲面生成命令建立开挖面；

76、步骤4.4，依据工程影响范围，将已有模型向两侧及底部延伸，生成拱坝、地基联合三维整体模型。

77、进一步地，所述步骤5包括如下子步骤：

78、步骤5.1，输入由地质资料确定的典型结构面顶部延长线与坝轴线交点坐标和结构面走向、倾向、倾角及厚度；

79、步骤5.2，移动工作平面至步骤5.1输入的交点坐标处实现结构面定位，依据结构面走向、倾向、倾角和厚度旋转与移动工作平面，布尔运算切割边坡以生成结构面实体模型。

80、另一方面，本发明提供一种二次曲线型拱坝自动化建模系统，包括：

81、模块一：其用于输入用于描述拱冠梁剖面与水平拱圈的设计参数，并基于水平拱圈中心线方程类型对拱坝进行分类确定拱坝类型，对输入参数的构成体形的几何可行性进行判别；

82、模块二：其用于基于三次多项式假定对输入的设计参数进行拟合与调整，插值得到任意高程处的设计变量；

83、模块三：其用于调用建模软件，建立不同控制高程处堆叠的水平拱圈，放样操作建立整体坝模型，通过布尔运算操作实现横缝划分和孔口模拟；

84、模块四：其用于读入地形特征点坐标以拟合地形线或直接导入已有地形线数据，通过放样操作建立边坡曲面，考虑坝肩基础开挖与拱坝联合组成整体三维模型；

85、模块五：其用于根据工程地质资料，实现典型结构面定位并确定其产状三要素，生成辅助平面引导布尔运算建立结构面实体；

86、模块六：其用于对三维整体模型各组件进行分组管理，并依次导出iges格式文件存储。

87、与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

88、(1)本方法基于三维建模软件的脚本语言实现了二次曲线型拱坝自动化建模，极大降低了成本，通过数据识别将输入参数转化为多项式系数形式，采用非均匀有理b样条(nurbs)曲线与曲面提升了模型表面的光滑性和建模过程的鲁棒性，为后续可能存在体形修改及优化工作提供良好便利。

89、(2)本方法考虑了孔口、分缝等细部结构，对于拱坝坝体的模拟情况更为真实。

90、(3)本方法首次考虑了将真实地形线、坝肩径向清基开挖以及典型的软弱结构面等工程个性较强组分纳入自动化建模过程，根据工程影响范围建立起了拱坝、地基联合整体模型。