基于GIS平台的水利水电工程结构有限元前处理研究

论文摘要

用有限元方法分析工程问题时,大部分时间用于有限元模型建立和网格划分上,利用计算机及CAE技术来进行有限元网格的自动剖分这项任务变得尤为重要。目前,很多大型商业有限元软件都具有较强大的有限元建模和网格剖分功能,如Ansys、Abaqus、MSC等,但是在模型修改、网格编辑等方面受到较大的限制,特别是对于有特殊精度要求的网格或结构复杂的网格表现不是很突出,急需一套高效的系统来解决这些问题。随着GIS技术在水利工程的广泛应用,许多工程都建立了数字流域GIS数据库,使得充分利用当前的信息资源进行有限元前处理建模变得尤为突出。基于已建的GIS数据库中的数据,根据用户需求提取相应的信息,建立对应的有限元网格模型、定义材料、荷载和边界条件等,然后通过有限元分析计算结果对大坝的安全稳定作出评价,以便及时了解坝体的安全运行状况,为大坝安全运行和水库调度管理提供有力的依据。因此,建立一套基于GIS的有限元前处理系统具有十分重要的作用和意义。本文结合有限元法的基本理论、GIS技术、三维图形开发技术以及CAE技术,构建了基于GIS的有限元前处理系统。详细讨论了有限元法实施的若干方法及关键技术,包括有限元网格剖分方法、常用单元及形函数、荷载及边界条件等,探讨了系统实现中三维图形图像设计、有限元模型与GIS数据模型的交互以及与CAD、ABAQUS的通讯接口等问题。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 问题的提出
• 1.2 本文研究的意义、目标及主要内容
• 2 有限元法的基本理论与方法
• 2.1 有限元法的构造
• 2.2 有限元法的求解过程
• 2.3 有限元法的应用
• 3 有限元方法实施中的若干方法与关键技术
• 3.1 单元刚度矩阵的计算及总刚度矩阵的组装
• 3.2 单元分析
• 3.3 边界条件的处理
• 3.4 形函数
• 4 有限元前处理内容
• 4.1 网格剖分方法
• 4.2 网格编辑及合并
• 4.3 材料信息的赋值
• 4.4 荷载及边界条件的定义
• 4.5 网格优化
• 5 有限元前处理系统的开发与集成
• 5.1 可视化技术与应用
• 5.2 栅格数据模型与矢量数据模型的开发
• 5.3 GIS 中的地形数据
• 5.4 常见模型的网格剖分方式
• 5.5 数据输入模块
• 5.6 数据输出模块
• 5.7 系统集成
• 6 网格剖分实例
• 6.1 重力坝应用举例
• 6.2 地形应用举例
• 6.3 地下洞室应用举例
• 7 结论与展望
• 7.1 本文的主要结论
• 7.2 本文创新之处
• 7.3 展望
• 参考文献
• 后记
• 附录：攻读硕士学位期间发表的部分学术论著