本发明涉及岩土工程的仿真模拟研究领域，具体地，涉及一种不规则结构和内嵌结构实体的单元划分方法。
背景技术：
近几年来，随着地下空间的利用越来越广泛，为了适应更加复杂的地质环境，相关工法也变得越来越复杂。而施工过程较为复杂的工法往往具有较多不规则结构，比如洞桩法，在施工中涉及到钢管柱、边桩、顶纵梁、扣拱、冠梁等等结构。因此，对不规则结构进行网格划分时，其质量的好坏往往是难以控制的。而网格的好坏将直接影响数值模型结果的正确性，因此，要求在划分网格时能够划分质量较好的网格。
随着计算机技术的发展，现阶段有许多种仿真模拟软件。其中，midasgtsnx仿真模拟软件以其强大的前处理能力深受喜欢。在该软件中，对于一些不规则结构的网格划分，可以直接采用软件自带的“自动实体划分”中的“混合网格生成器”功能。在该种方法下划分出来的单元是以五面体单元为过渡单元，四面体、六面体单元为主要单元的网格形状，其优点是操作十分简单，效率十分高效，不需要对当中的实体进行过多的尺寸控制，只需在关键部位进行尺寸控制，但是其缺点是容易生成较多质量差的单元，这些单元主要是作为过渡单元的四面体和五面体单元，而质量较差的单元对其后的运算容易产生较大的影响，比如会导致运算时间长、收敛性差、运算结果不够准确。
同时，midasgtsnx仿真模拟软件中建立3d实体单元，也可以采用“平面单元扩展”，即先生成2d平面单元，之后利用扩展网格的功能，将2d平面单元沿着某一个方向扩展生成3d实体单元。该种方法的优点是能够生成规整的六面体单元，使整个模型中的单元质量较好，但是对于模型内部有内嵌的结构，比如说中柱或者中桩，这种方法就失效，因为此时的扩展方向不止一个，导致生成的3d实体单元无法耦合。此外，若是模型的范围较大，则容易产生过多的单元，在后续的运算中也会使计算时间过长。
技术实现要素：
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种不规则结构和内嵌结构实体的单元划分方法，能够将自动实体划分发和平面单元扩展法结合起来，同时实现自动实体划分法的高效性和平面单元扩展法的高质量。
根据本发明提供的不规则结构和内嵌结构实体的单元划分方法，包括如下步骤：
步骤s1：确定建立几何实体区域和平面区域的范围；
步骤s2：对所述几何实体区域与平面区域的接触区域进行尺寸控制；
步骤s3：在所述平面区域生成2d平面单元；
步骤s4：对所述2d平面单元进行扩展以及对所述几何实体区域进行划分生成3d实体单元。
优选地，还包括如下步骤：
步骤s5：对所述3d实体单元进行网格质量检查，当所述3d实体单元存在自由面时，则返回至步骤s2；
步骤s6：对所述3d实体单元进行的网格组合并。
优选地，所述接触区域包括平面区域与几何实体区域相接触的第一接触区域以及所述平面区域的扩展方向以及几何实体区域相接触的第二接触区域；
所述第一接触区域的几何控制用于保证采用自动实体划分法生成的3d实体单元与平面单元扩展生成的3d实体单元在平面上能够互相耦合；
所述第二接触区域的几何控制用于保证采用自动实体划分法生成的3d实体单元与平面单元扩展法生成的单元在扩展方向上能够相互耦合。
优选地，所述步骤s3包括对已生成好的2d平面单元进行网格质量检查和自由边检查；
所述网格质量检查包括纵横比检查、歪扭角检查以及翘曲检查。纵横比检查为检查2d平面单元形状偏离正方形的程度；歪扭角检查为检查2d平面单元的形状偏离直角形状的程度。翘曲评估为评估2d平面单元形状偏离平面的程度；
所述自由边检查用于保证将2d平面单元扩展成3d实体单元时，2d平面单元内部不出现自由面。
优选地，在步骤s5中对生成的3d实体单元进行网格质量检查，包括查看是否存在自优选地，在步骤s3中，对于所述平面区域通过辅助线将平面区域划分为四边形，进而生成2d平面单元。
优选地，所述第一接触区域的几何控制包括几何实体区域上的第一曲线以及平面区域上的第二曲线；所述第一曲线和所述第二曲线所设置的尺寸大小相同；
所述第二接触区域的几何控制设置在几何实体区域上，尺寸的大小为采用平面单元扩展法生成3d实体单元沿扩展方向的尺寸
优选地，在步骤s1中，根据待模拟结构的精度和网格划分方法，确定所述几何实体区域和所述平面区域的范围。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
本发明对具有复杂结构的岩土工程有很好的适用性，能够快速生成质量较好的网格单元；本发明与自动实体划分法相比，生成的3d实体单元质量更高，且不必生成大量的实体，相应的也减少了分割实体、布尔运算等操作；与平面单元扩展法相比，本发明适用范围更广，对于具有内嵌结构(如钢管柱)的模型，也能够适用，且生成的3d实体单元数量也要少，在相同精度下，加快了计算时间。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明实施例中不规则结构和内嵌结构实体的单元划分方法的步骤流程图；
图2至图5为本发明实施例中不规则结构和内嵌结构实体的单元划分方法的实施示例图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
图1为本发明实施例中不规则结构和内嵌结构实体的单元划分方法的步骤流程图，如图1所示，本发明提供的不规则结构和内嵌结构实体的单元划分方法，包括如下步骤：
步骤s1：确定建立几何实体区域和平面区域的范围；
在本发明实施例中，所述几何实体区域的网格划分方采用midasgtsnx仿真模拟软件中自动实体划分功能进行划分，而平面区域的网格划分采用midasgtsnx仿真模拟软件中平面单元扩展功能进行划分。
根据待模拟结构的精度和网格划分方法，确定所述几何实体区域和所述平面区域的范围。因此，对于一些无法采用平面单元扩展进行网格划分或者精度要求不高，如单元尺寸为8m以上的模拟结构在的平面区域可以采用自动实体划分法进行网格划分。比如洞桩法中的钢管柱结构，该钢管柱结构无法使用平面单元扩展法，因此，可以对所述钢管柱结构采用自动实体划分方法。而在一些精度要求较高且能够使用平面单元扩展法的平面区域，如顶纵梁结构，该顶纵梁结构在纵向的尺寸是均匀的，且是顶纵梁结构的主要部分，因此，可以对该顶纵梁结构使用平面单元扩展法。
步骤s2：对所述几何实体区域与平面区域的接触区域进行尺寸控制；
由平面单元扩展法生成的3d实体单元在其扩展方向具有明确的尺寸，并且该尺寸通常是确定、已知的。因此能够在几何实体区域与平面单元扩展法生成的3d实体单元的接触区域进行几何控制。
所述接触区域包括平面区域与几何实体区域相接触的第一接触区域以及平面区域的扩展方向以及几何实体区域相接触的第二接触区域；
所述第一接触区域的几何控制主要设置几何实体区域与平面区域的交界处，分为两曲线，一为几何实体区域上的第一曲线，另一处是平面区域上的第二曲线。所述第一曲线和所述第二曲线所设置的尺寸大小相一致，保证采用自动实体划分法生成的单元与平面单元扩展生成的3d实体单元在平面上能够互相耦合。
在第二接触区域的几何控制设置在几何实体区域上，尺寸的大小为采用平面单元扩展法生成3d实体单元沿扩展方向的尺寸，以保证采用自动实体划分法生成的单元与平面单元扩展法生成的单元在扩展方向上能够相互耦合。
步骤s3：在所述平面区域生成2d平面单元；
对于所述平面区域通过辅助线将其划分为规整的四边形，采用midasgtsnx中的“映射网格(面)”的功能生成2d平面单元。对于无法划分成为规整的四边形的区域，采用“自动网格(面)”的功能生成2d平面单元。
对己生成好的2d平面单元进行网格质量检查和自由边检查。
所述网格质量检查包括纵横比检查、歪扭角检查以及翘曲检查。纵横比检查为检查2d平面单元形状偏离正方形的程度；歪扭角检查为检查2d平面单元的形状偏离直角形状的程度。翘曲评估为评估2d平面单元形状偏离平面的程度。上述三种检查数值越小，代表单元质量越好，纵横比的合格阈值为8、歪扭角的合格阈值为45°、翘曲的合格阈值为25°。
自由边检查用于保证将2d平面单元扩展成3d实体单元时，其2d平面单元内部不出现自由面的情况。
步骤s4：对所述2d平面单元进行扩展以及对所述几何实体进行划分生成3d实体单元；
将所述2d平面单元进行扩展成3d实体单元，同时采用自动实体划分功能中混合网格生成器的功能对几何实体进行划分，生成3d实体单元。
步骤s5：对生成的3d实体单元进行网格质量检查；
对生成的3d实体单元进行网格质量检查，包括查看是否存在自由面以及3d实体单元的纵横比、歪扭角、翘曲的大小，这里的纵横比、歪扭角以及翘曲的合格阈值与上述相同。当所述3d实体单元存在自由面时，则返回至步骤s2，查看所述尺寸控制的范围和大小是否正确。
步骤s6：对所述3d实体单元进行网格组合并；
由于存在对部分结构的拆解，因此，对3d实体单元进行网格组可以进行合并，使网格组变得较为整洁，方便查找。
在本发明实施例中，本发明与自动实体划分法相比，生成的3d实体单元质量更高，且不必生成大量的实体，相应的也减少了分割实体、布尔运算等操作；与平面单元扩展法相比，本发明适用范围更广，对于具有内嵌结构(如钢管柱)的模型，也能够适用，且生成的3d实体单元数量也要少，在相同精度下，加快了计算时间。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。
1.一种不规则结构和内嵌结构实体的单元划分方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤s1：确定建立几何实体区域和平面区域的范围；
步骤s2：对所述几何实体区域与平面区域的接触区域进行尺寸控制；
步骤s3：在所述平面区域生成2d平面单元；
步骤s4：对所述2d平面单元进行扩展以及对所述几何实体区域进行划分生成3d实体单元。
2.根据权利要求1所述的不规则结构和内嵌结构实体的单元划分方法，其特征在于，还包括如下步骤：
步骤s5：对所述3d实体单元进行网格质量检查，当所述3d实体单元存在自由面时，则返回至步骤s2；
步骤s6：对所述3d实体单元进行的网格组合并。
3.根据权利要求1所述的不规则结构和内嵌结构实体的单元划分方法，其特征在于，所述接触区域包括平面区域与几何实体区域相接触的第一接触区域以及所述平面区域的扩展方向以及几何实体区域相接触的第二接触区域；
所述第一接触区域的几何控制用于保证采用自动实体划分法生成的3d实体单元与平面单元扩展生成的3d实体单元在平面上能够互相耦合；
所述第二接触区域的几何控制用于保证采用自动实体划分法生成的3d实体单元与平面单元扩展法生成的单元在扩展方向上能够相互耦合。
4.根据权利要求1所述的不规则结构和内嵌结构实体的单元划分方法，其特征在于，所述步骤s3包括对已生成好的2d平面单元进行网格质量检查和自由边检查；
所述网格质量检查包括纵横比检查、歪扭角检查以及翘曲检查。纵横比检查为检查2d平面单元形状偏离正方形的程度；歪扭角检查为检查2d平面单元的形状偏离直角形状的程度。翘曲评估为评估2d平面单元形状偏离平面的程度；
所述自由边检查用于保证将2d平面单元扩展成3d实体单元时，2d平面单元内部不出现自由面。
5.根据权利要求2所述的不规则结构和内嵌结构实体的单元划分方法，其特征在于，在步骤s5中对生成的3d实体单元进行网格质量检查，包括查看是否存在自由面以及3d实体单元的纵横比、歪扭角、翘曲的大小。
6.根据权利要求1所述的不规则结构和内嵌结构实体的单元划分方法，其特征在于，在步骤s3中，对于所述平面区域通过辅助线将平面区域划分为四边形，进而生成2d平面单元。
7.根据权利要求3所述的不规则结构和内嵌结构实体的单元划分方法，其特征在于，所述第一接触区域的几何控制包括几何实体区域上的第一曲线以及平面区域上的第二曲线；所述第一曲线和所述第二曲线所设置的尺寸大小相同；
所述第二接触区域的几何控制设置在几何实体区域上，尺寸的大小为采用平面单元扩展法生成3d实体单元沿扩展方向的尺寸。
8.根据权利要求1所述的不规则结构和内嵌结构实体的单元划分方法，其特征在于，在步骤s1中，根据待模拟结构的精度和网格划分方法，确定所述几何实体区域和所述平面区域的范围。
技术总结