数学建模插值法范文

导语：如何才能写好一篇数学建模插值法，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文，供你借鉴。

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关键词：建模算法 指示克里金 序贯指示模拟

一、确定性建模方法和随机建模方法

1.确定性建模方法

确定性建模是对井间未知区给出确定性的预测结果，即从已知确定性资料的控制点（如井点）出发，推测出点间（如井间）确定的、惟一的和真实的储层参数。主要手段是利用地震资料、水平井资料、露头类比资料和密井网资料1。利用插值方法对井间参数进行内插和外推是确定性建模的主要方法。插值方法包括数理统计插值方法和地质统计学克里金插值方法。其中克里金插值方法是最常用的插值方法。由于储层的随机性，储层预测结果便具有多解性。因此，应用确定性建模方法作出的唯一的预测结果便具有一定的不确定性，以此作为决策基础便具有风险性。为此，人们广泛应用随机模拟方法对储层进行建模和预测。

2.随机建模方法

所谓随机建模，是指以已知的信息为基础，以随机函数为理论，应用随机模拟方法，产生可选的、等可能的储层模型的方法2。这种方法承认控制点以外的储层参数具有一定的不确定性，即具有一定的随机性。因此采用随机建模方法所建立的储层模型不是一个，而是多个，即一定范围内的几种可能实现（即所谓可选的储层模型，以满足油田开发决策在一定风险范围的正确性的需要，这是与确定性建模方法的重要差别。对于每一种实现（即模型），所模拟参数的统计学理论分布特征与控制点参数值统计分布是一致的。各个实现之间的差别则是储层不确定性的直接反映。如果所有实现都相同或相差很小，说明模型中的不确定性因素少；如果各实现之间相差较大，则说明不确定性大。随机模拟与克里金插值法有较大的差别，主要表现在以下三个方面：

2.1克里金插值法为局部估计方法，力图对待估点的未知值作出最优（估计方差最小）的、无偏（估计值均值与观测点值均值相同）的估计，而不专门考虑所有估计值的空间相关性，而模拟方法首先考虑的是模拟值的全局空间相关性，其次才是局部估计值的精确程度。

2.2克里金插值法给出观测点间的光滑估值（如绘出研究对象的平滑曲线图），而削弱了真实观测数据的离散性（插值法为减小估计方差，对真实观测数据的离散性进行了平滑处理），从而忽略了井间的细微变化；而条件随机模拟结果在在光滑趋势上加上系统的“随机噪音”，这一“随机噪音”正是井间的细微变化。虽然对于每一个局部的点，模拟值并不完全是真实的，估计方差甚至比插值法更大，但模拟曲线能更好地表现真实曲线的波动情况（图3-1）。

2.3克里金插值法（包括其它任何插值方法）只产生一个储层模型，因而不能了解和评价模型中的不确定性，而随机模拟则产生许多可选的模型，各种模型之间的差别正是空间不确定性的反映。

二、指示克里金建模算法和序贯指示模拟算法

克里金方法（Kriging）， 亦称克里金技术， 或克里金，为确定性建模方法，是以南非矿业工程师D.G.Krige（克里金）名字命名的一项实用空间估计技术， 是地质统计学的重要组成部3。 克里金估计是一种局部估计的方法。它所提供的是区域化变量在一个局部区域的平均值的最佳估计量，即最优（即估计方差最小）、无偏（估计误差的数学期望为0）的估计。 克里金估计所利用的信息，通常为一组实测数据及其相应的空间结构信息。应用变差函数模型所提供的空间结构信息，通过求解克里金方程组计算局部估计的加权因子即克里金系数，然后进行加权线性估计。克里金方法是一种实用的、有效的插值方法。它优于传统方法（如三角剖分法，距离反比加权法等），在于它不仅考虑到被估点位置与已知数据位置的相互关系，而且还考虑到已知点位置之间的相互联系，因此更能反映客观地质规律，估值精度相对较高，是定量描述储层的有力工具。指示克里金方法是一种基于指示变换值的克里金方法，即对指示值而不是原始值进行克里金插值，其核心算法则借用上述克里金方法。

序贯指示模拟属于基于象元的随机建模方法范畴，其算法核心是将序贯模拟算法应用于指示模拟中。算法特点：既可用于离散的类型变量，又可用于离散化的连续变量类别的随机模拟。两个算法的特性对比表如下：

指示克里金算法和序贯指示模拟的共同点是都结合了指示变换方法，因此都可以对离散变量进行模拟（其他克里金方法是不能模拟离散变量的）。对于具有不同连续性分布的变量（如沉积相），可给定不同的变差函数，所以可用于模拟变异性较大的分布复杂的数据。另外两者都可以结合软数据。由于克里金插值法为光滑内插方法，所以指示克里金也具有这种光滑效应，做出来的砂体很光滑，更容易被地质人员接受。但是为减小估计方差而对真实观测数据的离散性进行了平滑处理，虽然可以得到由于光滑而更美观的等值线图或三维图，但一些有意义的异常带也可能被光滑作用而“光滑”掉了。指示克里金与序贯指示相比主要的弱点是空间数据的分布。所以当有好的地震数据时，砂体的分布也就确定了，这样就弥补了指示克里金空间数据分布的问题，但是指示克里金的模拟结果具有光滑效应，所以指示克里金和序贯指示算法同时当结合地震数据时，使用指示克里金的模拟效果会比序贯指示模拟的算法效果好，模拟的砂体更连续和光滑。

三、结论

1.建模前根据数据资料和地质情况确定使用确定性建模方法和随机建模方法

2.建模如果有高分辨率的地震资料时，使用指示克里金算法比序贯指示模拟算法模拟出的砂体更连续。

参考文献

[1] 刘颖等.储层地质建模方法.中外科技情报.1994.

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关键词：地质工程 复杂地质体 三维建模与可视化

1 前言

地质工程复杂地质体中的各种地质信息，可以通过野外勘探实测或监测仪器记录获得，但一般都是散乱数据，工程地质工作者很难对其在工程岩土体中的分布规律有一个整体和直观的把握。各种地质信息，包括地表地形、地下水位、地层界面、断层、节理、风化带分布、侵入体及各种地球物理、地球化学、岩土体的物理力学参数或数据的等值面(线)等，都可以看作是三维空间中的函数，利用各种野外实测资料分别建立相应的曲面拟合函数，进而利用计算机建立三维地质模型，达到直观地表达地质信息在工程岩土体中的分布规律、提高对于地质规律的认识、指导地质工程项目的勘测施工及监测的目的。

现有的地理信息系统(GIS)都主要表达二维的地表地物的图形和属性信息，要扩展到真三维包含地下地质结构的地质信息系统还有差距。一个大型地质工程项目从可行性研究阶段、初步设计阶段到详细设计阶段，乃至到工程运行期的管理与监测期，建设周期长，往往积累了大量的地质资料，用三维模型图形图像来表达、解释和管理如此庞大的资料比光靠数据库和图表图纸等传统手段来得有效的多。建立地质工程复杂地质体的三维模型，处理岩层界面与结构面组合关系，逼真反映地下地质结构全貌，将为地质工程工作者分析研究工程地质现象和发现掌握岩土体结构规律提供一种崭新的研究手段和研究方法。

地质工程复杂地质体三维建模与可视化的重要意义表现在：

1.利用数据库存储和管理现场勘探实测和试验数据，结合GIS技术，可实现工程地质体的地质(属性)信息的查询，从而更直观了解地质信息在研究(工作)区域的整体分布规律。

2.现场勘探数据用图形表达，更有助于推断、预测和把握其在研究(工作)区域内的分布规律。并且利用计算机的计算速度快、可重复性、时实显示、时实反馈与实时交互等优点，随着勘察或研究工作的不断深入细致，工程地质工作者可对研究(工作)区域随时补充信息来自动显示地质信息在研究(工作)区域内的分布，从而不断提高模型精度，并且利用模型反馈回来的信息及时发现已有勘察工作中的不足，从而及时修改勘察或研究工作方案，指导下一步勘探或研究工作的实施。

3.用计算机自动绘制工程地质图件(剖面图和平切面图)，一方面，能够使工程地质工作者从烦琐的CAD编辑成图中解脱出来；另一方面，透镜体和夹层的尖灭点的位置可以足够精确地定位，减少了人为不确定因素。

4.充分利用已有现场勘探实测或试验数据，达到节约投资减少勘察或研究成本的目的。当现场勘探和试验数据资料不足情况下，通过对已有数据的插值与拟合到建立三维模型，可以推断和预测未知区域或研究较少区域的地质信息或岩土体物理力学参数的分布趋势，从而为减少勘探工作量提供科学的可靠的依据，达到节约花费，为生产或研究部门产生直接经济效益的目的。

2 复杂地质体三维建模与可视化研究和软件开发动态

2.1 国外研究与开发现状

加拿大阿波罗科技集团公司开发的MicroLYNX三维地质建模与分析软件系统，通过对离散点采样、钻探采样和探槽采样等空间数据的处理，产生Section（剖面）模型，　Volume（体）模型，　Polygon（多边形）模型，　Block（块）模型，　Grid（层状）模型 和Surface（面）模型。利用Section模型计算矿藏储量，构造复杂地质体、矿井、巷道等地面地下采矿建筑设施。利用Volume模型对地质体进行任意方向切割，从而表达任意复杂程度的地质体。Polygon模型可直接由采样点数据生成。Block模型用于确定矿藏分布和等级变化，MicroLYNX软件有两大特点用于提高三维地质体的空间分辨率，一是在矿体或断层边界进行晶胞细分，二是在三维勘探空间中采用不同尺度的晶胞。Grid模型与Block模型类似，但更适用于扁平分布的矿体。Surface模型用于表现地表地形测量结果，露天矿设计和实际开采状况，计算两个地层面之间的体积等。

Gemcom Software 桌面系统是加拿大Gemcom Software International Inc.公司为使矿产资源勘探、矿产资源评价、矿井规划、矿井设计和采矿生产的关键操作自动化而设计开发的软件系统。Gemcom Software 桌面系统集成了开放数据库、多种应用程序、无线技术和网络商业化智能系统， 为用户提供高级的决策支持手段，能够规划、管理和监督采矿生产，减少采矿风险和降低成本，是新一代采矿工程企业级解决方案。Gemcom 软件通过钻孔、点、多边形等数据，利用大量的实用的图形编辑和生成工具，显示钻孔孔位分布，运用不规则三角网建立Surface(表面)和Solid(实体)模型，运用多义线圈闭岩层和矿体边界进行储量和品位分析，提供了交互操作功能并允许用户根据自己的经验和专家知识勾画地质模型，实现任意剖面切割任意角度观察和实体与实体或实体与表面的交切与布尔运算等。

以上两种软件主要是瞄准采矿工程，能够较好地满足采矿工程活动中的矿产资源勘探和评价、地下矿井和露天矿坑设计和规划、矿产资源管理和采矿生产管理等需求，但对于地质工程岩土体的建模与分析，针对性不强。

2.2 国内研究与开发现状

TITAN三维建模软件是由北京东方泰坦科技有限公司开发的TITAN地学综合信息系统中的一个组件，是基于框架建模的思想研制开发而成的，利用平行或基本平行的剖面数据建立起三维空间任意复杂形状物体的真三维实体模型。TITAN三维建模软件的组成部分有：(1)剖面数据处理模块，建立剖面数据，为建立三维实体模型提供由一系列平行的剖面组成的框架数据，数据剖面由多边形、环和点元素组成；(2)对应关系处理模块，建立剖面之间、多边形之间、环之间和点之间的对应关系，为建立三维实体模型提供剖面间的一一对应关系，从而建立建模元素之间在三维空间中的联系；(3)模型处理模块，建立实体模型，用剖面数据和剖面间的对应关系建立起三维实体模型，并且可以对模型进行任意切割、计算面积和体积的处理。此软件只是三维建模与图形处理的引擎，适用面广泛。但在面向具体专业时，需要添加或扩充专业模块，比如工程地质专业模块等。

张菊明等对风化带分布、多层地层等地质信息的可视化和断层错断岩层的表达和显示的算法[1，2]进行了较为深入的研究。

纵观国内外几种软件的研究与开发现状，对于地质工程专业的复杂地质体建模与分析的针对性不强，没有充分体现地质工程专业的特殊性，不能够很好地满足地质工程生产与研究的实际需要。

转贴于 3 地质工程复杂地质体三维建模和可视化的关键技术问题分析

3.1离散数据的插值与拟合

地质信息的插值和拟合函数要根据实际勘测数据建立，实测数据越丰富精确，得到的地质模型越能够真实描绘出这些信息的空间分布规律。对于不同的地质信息，需采用不同的拟合函数。地表地形测量数据(X坐标、Y坐标和地表高程Z)、地下水位埋深测量信息(地下水位测点地表X坐标、Y坐标和水位埋深h)等的曲面图形生成可归结为双自变量离散数据的插值和拟合。空间曲面插值函数有以下构造方法，如与距离成反比的加权方法(Shepard 方法)，径向基函数插值法(Multiquadric方法)[1]，平面弹性理论插值法[2]等，它们同样适用于单个连续地层界面、地球物理勘探数据、地球化学勘探数据以及岩土体物理力学参数在地质体空间的分布。下图（图1）是通过离散数据的径向基函数插值法绘制的地表曲面。

图 1 通过离散数据的径向基函数插值法绘制的地表曲面网格

(Fig.1 Terrain surface grid rendered by Multiquadric interpolation method of scattered data)

3.2 三维数据结构

地质工程地质体一般是不规则形体，在计算机图形学中曲线和曲面总是分别通过很多微小直线段和微小三角面逼近，来模拟地层岩性界线和岩层曲面，即岩层界面（和地表曲线、地下水位面等地质层面界线）和岩层曲面都分别是许多微小直线段和微小三角面的集合。这就要求必须具备有效的分层的三维数据结构，比如地质工程地质体空间中的点由有三位坐标分量表示，微小直线段由其两个端点组成，地质层面界线由所有属于该边界的微小直线段组成，而岩层曲面由微小三角面组成。有效的三维数据结构能够确保人机交互和查询的实现。

3.3 曲面求交

地质体中存在大量各种层面，包括地表、地下水位面、地层层面等，当出现地层不整合、地层尖灭和地下水出露于河谷地表等情形时，就自然会遇到曲面间求交的问题；地质体三维模型的上部边界是地表曲面，通过数学方法拟合出的岩层面或地下水位面不应超出地表曲面，即超出部分不应显示。同样的，当显示多层地层时，下面的每一岩层应以其上一岩层为边界。因此，为了可视化地层界面必须要解决地层面与地表或其他地层面的求交问题。另一方面，在剖面图成图时，地质界线的绘制是通过显示剖面(平面)与各种地质界面(曲面)求交所得出的交线。因此曲面求交包括地质界面（层面）之间的相交，和地质界面与剖面的相交两类问题。

3.4 三维拓扑结构分析

从地质学角度看，拓扑是地质对象间关系的表格，拓扑表存储层位间上覆、下伏和交切等的地层学关系及地质空间位置关系。拓扑也可视为允许这些地质关系合理储存的数据结构。例如，考虑多层地层，上一个岩层的底面和与其相邻的下一个岩层的顶面是上下岩层这两个实体的公共部分或共享边界，它们之间的拓扑关系就是相邻和同一的关系，在存储数据时只存储上一个岩层的底面或其相邻的下一个岩层的顶面，即相邻岩层的边界曲面可以存为一个地层曲面，大大减少数据存储量。评价地质模型系统的优缺点往往决定于描述地质对象所用的拓扑结构[3]。

3.5 可视化技术

地质工程复杂地质体可视化是利用计算机技术将工程勘测获得的数据转换为形象直观便于进行交互分析的地下地质结构空间形态的立体图和剖面图形，其基础是工程数据和测量数据的可视化〔4〕。利用可视化技术可以从庞大的地质勘测数据中构造出地质工程中对于边破稳定性和地下硐室变形破坏等起关键作用的岩层和结构面，并显示其范围、走向和相互交切关系，帮助工程地质人员对原始数据做出正确解释，继而为工程地质分析具体问题提供决策支持。下图（图2）通过离散地表地形测量数据的插值计算并用不同颜色表达高程的差异达到山峦起伏和河流侵蚀切割山地形成河谷的状态的可视化。

图2 山峦起伏和河流侵蚀切割山地形成河谷的状态的可视化

(Fig.2 Visualization of the state of rolling mountains and gorges formed by the erosion and incision of the rivers)

4 复杂地质体三维建模与可视化技术的初步开发与应用

4.1 地质工程复杂地质体三维建模与可视化的研究框图

地质工程复杂地质体三维建模与可视化的研究框图（图3）如下：

基于离散采样数据的插值与拟合的思想，即将离散数据转化为连续曲线曲面， 地质工程

图3 地质工程复杂地质体三维建模与可视化的研究框图

(Fig.3 Study frame chart of 3D modeling and visualization of complicated geological mass of geological engineering)

复杂地质体三维建模与可视化的过程是，从勘探数据库中提取各种地质信息的坐标位置及岩土体的物理力学参数，通过不同的拟合与插值函数得到地质层面(曲面)和地质实体的三维计算机图形显示，表达地质信息在研究区域内的分布规律。生成地质岩层面和地质实体后，实现从任意角度观察建立的模型，实现根据指定的剖面走向、倾向和倾角生成垂直剖面。

4.2 初步开发与应用

4.2.1 工程勘测空间数据库管理

工程勘测空间数据库在收集整理现场勘测数据后录入各分项数据表，这些数据表不仅包括地质信息的位置数据，更重要的是提供属性数据。以地层岩性数据表为例，要求录入钻孔编号、岩层起始深度、岩层终止深度、层厚、岩性（地层名称）、地层代码（地层年代）、岩层走向、岩层倾向、岩层倾角、接触关系、地质描述等数据。随着工程勘测的进展，能够方便地修改补充和管理勘测数据。下图（图4）是工程勘测数据库中钻孔地层系统数据表的管理界面。

4.2.2 三维地质立体图

利用向家坝某坝址区工程勘测数据，建立了坝址区右岸三维立体地质图。向家坝某坝址区自上而下地层岩性组合为：第四系崩破堆积物，侏罗系泥岩、粉砂质泥岩、泥质粉砂岩，三叠系上统厚至巨厚层状细至中粒砂岩，三叠系上统薄至中厚层状粉细纱岩、粉砂岩，三叠系上统中厚至厚层状中粗砂岩。通过有限的工程勘测数据得出的立体图，能够较好地满足工程地质的精度。下图（图4）表达了向家坝某坝址区右岸三维地质图。

5 结论

（1）

地质工程复杂地质体的三维建模与可视化研究对于地质工程岩土体结构的研究、直观表达地质体信息在地质工程岩土体中的分布规律和指导地质工程项目的勘测施工都具有重要意义。

（2）

地质工程岩土体是复杂的不规则形体，存在各种地质岩性层面和结构面，完全表达地

图4 工程勘测数据库中的钻孔地层系统数据表的管理界面

(Fig. 4 Management interface of drill hole and stratum data table of Engineering Exploration Database)

图5

向家坝某坝址区右岸三维地质图

(Fig. 5 3D geological diagram of right bank of one of dam location of Xiangjia Dam)

质信息及岩层和结构面间的位置、相互切割和组合关系，地质工程复杂地质体的三维建模与可视化研究是大有作为的。

参考文献

（1）

张菊明. 三维地质模型的设计和显示 [A]. 中国地质学会数学地质专业委员会. 中国数学地质(7) [C]. 北京：地质出版社，1996. 158—167.

（2）

张菊明，孙惠文，刘承祚. 局部间断拟合函数在地质曲面分析和显示中的应用[A]，中国数学地质进展(6)[C]，北京：地质出版社，1995. 14-23.

（3）

唐泽圣等. 三维数据场的可视化[M]. 北京: 清华大学出版社，1999. 130-135.

（4）

孟小红，王卫民，姚长利等. 地质模型计算机辅助设计原理与应用[M]. 北京: 地质出版社. 2001. 4-8.

（5）

张生德，张时忠，门吉华. 可视化技术及其在地质勘探中的应用浅析[J]，地质勘探安全，2000(4).42-43.

3D Modeling and Visualization of Complicated Geological Mass in Geological Engineering

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关键词：地质体可视化技术

中图分类号： TU7文献标识码： A

0引言

现有的地理信息系统(GIS)都主要表达二维的地表地物的图形和属性信息，要扩展到真三维包含地下地质结构的地质信息系统还有差距。一个大型地质工程项目从可行性研究阶段、初步设计阶段到详细设计阶段，乃至到工程运行期的管理与监测期，建设周期长，往往积累了大量的地质资料，用三维模型图形图像来表达、解释和管理如此庞大的资料比光靠数据库和图表图纸等传统手段来得有效的多。建立地质工程复杂地质体的三维模型，处理岩层界面与结构面组合关系，逼真反映地下地质结构全貌，将为地质工程工作者分析研究工程地质现象和发现掌握岩土体结构规律提供一种崭新的研究手段和研究方法。

1复杂地质体可视化研究与开发现状

TITAN三维建模软件是由北京东方泰坦科技有限公司开发的TITAN地学综合信息系统中的一个组件，是基于框架建模的思想研制开发而成的，利用平行或基本平行的剖面数据建立起三维空间任意复杂形状物体的真三维实体模型。TITAN三维建模软件的组成部分有：①剖面数据处理模块，建立剖面数据，为建立三维实体模型提供由一系列平行的剖面组成的框架数据，数据剖面由多边形、环和点元素组成；②对应关系处理模块，建立剖面之间、多边形之间、环之间和点之间的对应关系，为建立三维实体模型提供剖面间的——对应关系，从而建立建模元素之间在三维空间中的联系；③模型处理模块，建立实体模型，用剖面数据和剖面间的对应关系建立起三维实体模型，并且可以对模型进行任意切割、计算面积和体积的处理。此软件只是三维建模与图形处理的引擎，适用面广泛。但在面向具体专业时，需要添加或扩充专业模块，比如工程地质专业模块等。纵观国内外几种软件的研究与开发现状，对于地质工程专业的复杂地质体建模与分析的针对性不强，没有充分体现地质工程专业的特殊性，不能够很好地满足地质工程生产与研究的实际需要。

2地质工程复杂地质体三维建模和可视化的关键技术问题分析

2.1离散数据的插值与拟合地质信息的插值和拟合函数要根据实际勘测数据建立，实测数据越丰富精确，得到的地质模型越能够真实描绘出这些信息的空间分布规律。对于不同的地质信息，需采用不同的拟合函数。地表地形测量数据(X坐标、Y坐标和地表高程Z)、地下水位埋深测量信息(地下水位测点地表X坐标、Y坐标和水位埋深h)等的曲面图形生成可归结为双自变量离散数据的插值和拟合。空间曲面插值函数有以下构造方法，如与距离成反比的加权方法(Shepard方法)，径向基函数插值法(Multiquadric方法)，平面弹性理论插值法等，它们同样适用于单个连续地层界面、地球物理勘探数据、地球化学勘探数据以及岩土体物理力学参数在地质体空间的分布。

2.2三维数据结构地质工程地质体一般是不规则形体，在计算机图形学中曲线和曲面总是分别通过很多微小直线段和微小三角面逼近，来模拟地层岩性界线和岩层曲面，即岩层界面(和地表曲线、地下水位面等地质层面界线)和岩层曲面都分别是许多微小直线段和微小三角面的集合。这就要求必须具备有效的分层的三维数据结构，比如地质工程地质体空间中的点由有三位坐标分量表示，微小直线段由其两个端点组成，地质层面界线由所有属于该边界的微小直线段组成，而岩层曲面由微小三角面组成。有效的三维数据结构能够确保人机交互和查询的实现。

2.3曲面求交地质体中存在大量各种层面，包括地表、地下水位面、地层层面等，当出现地层不整合、地层尖灭和地下水出露于河谷地表等情形时，就自然会遇到曲面间求交的问题；地质体三维模型的上部边界是地表曲面，通过数学方法拟合出的岩层面或地下水位面不应超出地表曲面，即超出部分不应显示。同样的，当显示多层地层时，下面的每一岩层应以其上一岩层为边界。因此，为了可视化地层界面必须要解决地层面与地表或其他地层面的求交问题。另一方面，在剖面图成图时，地质界线的绘制是通过显示剖面(平面)与各种地质界面(曲面)求交所得出的交线。因此曲面求交包括地质界面(层面)之间的相交，和地质界面与剖面的相交两类问题。

2.4三维拓扑结构分析从地质学角度看，拓扑是地质对象间关系的表格，拓扑表存储层位间上覆、下伏和交切等的地层学关系及地质空间位置关系。拓扑也可视为允许这些地质关系合理储存的数据结构。例如，考虑多层地层，上一个岩层的底面和与其相邻的下一个岩层的顶面是上下岩层这两个实体的公共部分或共享边界，它们之间的拓扑关系就是相邻和同一的关系，在存储数据时只存储上一个岩层的底面或其相邻的下一个岩层的顶面，即相邻岩层的边界曲面可以存为一个地层曲面，大大减少数据存储量。评价地质模型系统的优缺点往往决定于描述地质对象所用的拓扑结构。

2.5可视化技术地质工程复杂地质体可视化是利用计算机技术将工程勘测获得的数据转换为形象直观便于进行交互分析的地下地质结构空间形态的立体图和剖面图形，其基础是工程数据和测量数据的可视化。利用可视化技术可以从庞大的地质勘测数据中构造出地质工程中对于边破稳定性和地下硐室变形破坏等起关键作用的岩层和结构面，并显示其范围、走向和相互交切关系，帮助工程地质人员对原始数据做出正确解释，继而为工程地质分析具体问题提供决策支持。通过离散地表地形测量数据的插值计算并用不同颜色表达高程的差异达到山峦起伏和河流侵蚀切割山地形成河谷的状态的可视化。

3复杂地质体三维建模与可视化技术的初步开发与应用

3.1地质工程复杂地质体三维建模与可视化的研究基于离散采样数据的插值与拟合的思想，即将离散数据转化为连续曲线曲面，地质工程复杂地质体三维建模与可视化的过程是，从勘探数据库中提取各种地质信息的坐标位置及岩土体的物理力学参数，通过不同的拟合与插值函数得到地质层面(曲面)和地质实体的三维计算机图形显示，表达地质信息在研究区域内的分布规律。生成地质岩层面和地质实体后，实现从任意角度观察建立的模型，实现根据指定的剖面走向、倾向和倾角生成垂直剖面。

3.2初步开发工程勘测空间数据库管理。工程勘测空间数据库在收集整理现场勘测数据后录入各分项数据表，这些数据表不仅包括地质信息的位置数据，更重要的是提供属性数据。以地层岩性数据表为例，要求录入钻孔编号、岩层起始深度、岩层终止深度、层厚、岩性(地层名称)、地层代码(地层年代)、岩层走向、岩层倾向、岩层倾角、接触关系、地质描述等数据。随着工程勘测的进展，能够方便地修改补充和管理勘测数据。

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The Boundary Element

Method with Programming

2009

Hardback

ISBN 9783211715741

Gernot Beer 等著

边界元法是有限元法的一种替代方法,富有吸引力。本书解释了边界元法(BEM)的理论知识,并将该方法应用到以FORTRAN95(该软件可以免费下载)编制的计算机语言中,适用于弹性和塑形从潜在问题到静态动态问题分析;关于大尺度问题提出了采用并行处理硬件以达到加速收敛的目的;也介绍了一些特别专题,如内含物、多相区和改变几何尺寸。大多数篇章都介绍了实例,因此适合于教学应用。另外本书介绍了将边界元法应用到工业问题。本书是为那些想了解边界元法如何工作,如何解决实际问题的工程师和科研人员设计的,内容详尽具体,容易理解。

本书第一作者Gernot Beer是格拉茨理工大学结构分析学院院长和教授,参与边界元法的发展、教学和应用,边界元法有限元法的耦合研究,并在这些专题上编写了几本教科书,是商业软件BEFE的作者,该软件的升级产品BEFE++的研发部长。第二作者Ian Smith是曼彻斯特大学的工程教授,对广泛的工程问题进行咨询工作,并且在应用数值分析方面编写教科书。他是Christian Duense 格拉茨理工大学结构分析学院的研究员,自从毕业后就一直从事边界元法的研究工作和边界元法在特殊管道内的岩土问题中的应用。

本书内容包括18章。1.前言;2.程序设计;3.离散化和插值法;4.材料建模和基础解;5.边界积分方程;6.边界元方法――数值应用;7.汇编和求解;8.逐元素技术和并行程序;9.后处理;10.实例;11.多重区域;12.角问题处理和改变尺寸;13.体积力;14.动力学分析;15.非线性问题;16. 耦合边界元/有限元分析;17.工业应用;18.高级专题。

本书是作者于2001出版的《边界元法编程》的续集,但是本书涉及的问题要比《边界元法编程》丰富很多,重点解释了边界元法的理论和边界元方法在计算机上实现的程序编制,理论解释采用工程方法而不是数学方法,因而更容易为工程师和科研人员理解。此外,本书还介绍了设置并行程序软件进行计算,可以在很短的时间,例如15-30分钟内,完成20000单元问题的计算,并得到有效的结果。

与有限元方法相比,由于从事边界元法的工作人员很少,该方法的发展落后很多,但是边界元法的魅力是无穷的。

贾红书 ,博士生

(中国科学院理化技术研究所)

篇5

【关键词】MicroMine矿业软件;数字化矿山;应用

随着我国工业化进程的加快，矿产资源处于急剧消耗的状态，为了提升开矿的经济效益，确保开采矿物资源的安全性，矿山设计和管理人员努力改革采矿的技术，数字化矿山由此产生。数字化矿山可以在同一的时间和空间框架中，对各类矿山信息进行合理组织，实现矿山资源的有序管理。建设数字化矿山主要包括矿山地质信息以及选矿、采矿等矿山各个生产工艺的内容，会最终把所有的应用系统、数据、部门进行企业级的集合与共享，创建更加自动化、智能化的矿山企业。数字化矿山主要有基础信息化、管理信息化、作业信息化三个方面的内容。随着计算机信息技术的不断发展，三维GIS和数据库技术逐渐成熟，采用三维建模受到人们的认可。基于三维可视化技术的MicroMine软件可以对矿山资源进行精细的管理和分析，在矿山开采和管理中得到大力应用

一、简述MicroMine软件的功能

MicroMine软件是由澳大利亚MicroMine矿业软件邮件公司的一种大型矿业软件，该软件可以对地表数据进行处理、勘测分析地址数据等功能，是一套三维交互式软件系统。MicroMine软件采用模块化的结构，帮助用户进行地质勘探、资源评估、储量估算、采矿设计等方面。该软件运用最为先进的三维引擎技术，根据地质数学、图形学、地质统计学等为理论基础创建一套包括地质勘探数据解释、矿产资源评估。三维建模等功能的三维矿业软件。MicroMine软件采用模块化构建模式，主要划分为核心模块、测量模块、地勘模块、资源评估模块、线框模块、采矿模块、漏填境界优化模块机制图模块类。MicroMine主要进行野外数据的收集、地下、露天爆破设计、三维可视化显示、经济评价等。

二、MicroMine软件应用在数字化矿山设计中

（一）创建地质数据库

MicroMine可以采用不同的数据形式实现地质信息的存储和管理，数据库的数据类型主要分为勘探数据和刻槽数据两种。运用勘探模块可以对勘探的数据进行编录、分析等功能，形成的地址数据库可以显示再去爱三维空间之内，也可以把显示风格修改清晰掌握矿山地质勘测的成果资料。

（二）建立矿体三维线框模型

线框模型也被称作实体模型，该模型可以描述三维空间之内物体的几何状态，是判断矿体。地形、岩层采场通用的一种技术，作为MicroMine三维模型的基础。矿体的模型必须创建于地质数据的基础之上，根据勘测标准规定中的相关原则，根据各个勘探线的范围进行切剖面，从而生成各个剖面图，各个相邻剖面之间可以采用多种线框相互连接的办法进行反复推敲。矿体模型生成之后，可在不同方向进行切剖面，生成切剖图形，方便采用机构布置巷道工程时进行参考。

（三）建立地表DTM模型

创建地表模型可以把目前地形图内所包含的地表测量数据导进软件之中，采取相应的修改，建立DTM所获取的地表地物。MicroMine最新版本添加了航拍图片的导入性能，可以有助于DTM 模型更加接近实际。

（四）建立空块模型

MicroMine软件建立的空块模型采用了精确、完善的地质统计学插值法，各个块的属性可以进行描述或量化，这里的属性是指矿石的治疗、比重等，空块模块重要的功能是其可以规定的区域内及时生产用户所需的体积、吨位等方面的情况，随之展开资源储量的合理评估，达到灵活约束下建立统计报告的能力。

（五）地下采矿与露天采矿的设计

合理运用三维工具完成软件地下采矿的设计，在屏幕上可以进行数字化，有比较强的点、线工具，可以根据工程的中心线，加之断面形状和尺寸便于生成工程实体。采矿设计主要划分为开矿运输设计、开采进度编排、爆破设计等多个方面。MicroMine软件自带的露天开采设计工具可对采矿场与堆场进行由下向上的交互式设计，用户可以自如的对道路、台阶宽度、边坡坡度等展开参数设计。采矿过程中的各项标准可以随时更改，在对不同区域的矿坑进行设计时，边坡坡度的大小由地质信息决定，MicroMine也有界面优化的功能，得出各不相同的露天境界。

三、MicroMine软件应用在数字化矿山管理中

（一）矿山生产进度编排

MicroMine软件可以解决开采过程中物质多样性、采矿地点多样性、目标多样性等情况，可以随时跟踪整个开采过程，依照开采技术与采掘现状进行调整，确保矿山安全开采直至完工。

（二）巷道地质编录管理

MicroMine软件可以创建生产时期的地质数据库，来达到对地质信息的综合管理，可以把巷道地质编录中获取的地质信息在软件中加以整合，有助于描述矿体的分布状态，创建出矿石品位分布特征的矿石模型，很好的对采掘进程计划加以指导。

（三）确保矿山井巷工程的可视化管理

井巷工程可视化管理对于矿山的安全生产发挥着不可替代的作用。MicroMine软件从设计说明中获取有关参数，并根据地质编录数据创建适用于井巷工程实时监控所需要的数学模型，对矿山井巷运输、开拓等展开全面的管理和监控，对整个采掘进度进行指导。

四、MicroMine软件创建大红山实体模型

建立矿体模型是创建整个模型最主要的部分之一，大红山铜矿的实体模型创建步骤为：先在AutoCAD中划分化图层，再把已经编辑好的各个剖面图导入到MicroMine软件之后走，随后把平面坐标之下的各个剖面图采用坐标系统转换到实际的位置。在MicroMine软件中，再次对各个剖面的矿体边界展开圈定及闭合。大红山需要进行圈定的剖面很多，矿体从上到下共有Ic、I3、Ib、I2、Ia、I1、I0共有七个群如图1。把各个矿体边界线依次调入在三维软件中，依照相关的平面图根据矿体的对应连接关系，把两个相邻剖面连接起来。把那些一侧或两侧没有对应连接的剖面矿体，根据地质平面图的情况进行闭合，依次类推，达到创建全部矿体实体模型的目的。

图1 大红山铜矿7个矿体边界线简图

五、结束语

综上所述，采用MicroMine软件可以方便、直观的圈定矿体的三维立体模型，快速完成数字化矿山的建设目标。MicroMine软件的应用不仅可以实现矿山数字化、信息化、智能化的管理，也可以提升开矿的安全性和生产效率。

参考文献

[1]李绪蛟.MicroMine软件在数字化矿山开发中的应用[J].科技致富向导，2012（18）：240.

[2]王国清，张济文，孙博等.利用矿业软件Micromine研究与实践[J].中小企业管理与科技，2013（22）：285-285，286.

[3]贺明贵.Micromine三维矿业软件应用实例研究[J].中国新技术新产品，2013（17）：33-34，35.

[4]赵艳伟，汪德文，孙进辉等.基于MicroMine的三维可视化地质建模研究[J].中国矿山工程，2011，40（5）：4-7.

篇6

关键词：电阻点焊；神经网络；消音锯片

0序言

电阻点焊过程是一个高度非线性，既有多变量静态叠加又有动态耦合，同时又具有大量随机不确定因素的复杂过程。这种复杂性使得传统方法确定最佳工艺参数存在操作复杂、精度低等缺陷。

本文通过深入研究提出了一种神经网络优化消音锯片电阻点焊工艺参数方法。以试验数据为样本，通过神经网络，建立焊接工艺参数与焊接性能之间的复杂模型，充分发挥神经网络的非线性映射能力。为准确预测点焊质量提高依据。在运用试验手段、神经网络高度非线性拟合能力结合的方式，能在很大程度上克服传统方法的缺陷，完成网络的训练、检验和最优评价，为电阻点焊过程的决策和控制提供可靠依据。

1原理

人工神经网络是用物理模型模拟生物神经网络的基本功能和结构，可以在未知被控对象和业务模型情况下达到学习的目的。建立神经网络是利用神经网络高度并行的信息处理能力，较强的非线性映射能力及自适应学习能力，同时为消除复杂系统的制约因素提供了手段。人工神经网络在足够多的样本数据的基础上，可以很好地比较任意复杂的非线性函数。另外，神经网络的并行结构可用硬件实现的方法进行开发。目前应用最成熟最广泛的一种神经网络是前馈多层神经网络（BP），通常称为BP神经网络。

神经网络方法的基本思想是：神经网络模型的网络输入与神经网络输出的数学关系用以表示系统的结构参数与系统动态参数之间的复杂的物理关系，即训练。我们发现利用经过训练的模型进行权值和阈值的再修改和优化（称之为学习）时，其计算速度要大大快于基于其他优化计算的速度。

BP神经网络一般由大量的非线性处理单元——神经元连接组成的。具有大规模并行处理信息能力和极强的的容错性。每个神经元有一个单一的输出，但可以把这个输出量与下一层的多个神经元相连，每个连接通路对应一个连接权系数。根据功能可以把神经网络分为输入层，隐含层（一或多层），输出层三个部分。设每层输入为ui(q)输出为vi(q)。同时，给定了P组输入和输出样本 ，dp（p=200）。

（6）

该网络实质上是对任意非线性映射关系的一种逼近，由于采用的是全局逼近的方法，因而BP网络具有较好的泛化的能力。

我们主要是利用神经网络的非线性自适应能力，将它用于消音锯片的电阻点焊过程。训练过程是：通过点焊实验获得目标函数与各影响因素间的离散关系，用神经网络的隐式来表达输入输出的函数关系，即将实验数据作为样本输入网络进行训练，建立输入输出之间的非线性映射关系，并将知识信息储存在连接权上，从而利用网络的记忆功能形成一个函数。不断地迭代可以达到sse（误差平方和）最小。

我们这次做的消音金刚石锯片电焊机，通过实验发现可以通过采用双隐层BP神经网络就可以很好的反应输入输出参数的非线性关系。输入神经元为3，分别对应3个电阻点焊工艺参数。输出神经元为1，对应焊接质量指标参数。设第1隐含层神经元取为s1，第2隐含层神经元取为s2。输入层和隐含层以及隐层之间的激活函数都选取Log-Sigmoid型函数，输出层的激活函数选取Pureline型函数。

2点焊样本的选取

影响点焊质量的参数有很多，我们选取点焊时的控制参数，即点焊时间，电极力和焊接电流，在固定式点焊机上进行实验。选用钢种为50Mn2V，Φ600m的消音型薄型圆锯片基体为进行实验。对需要优化的参数为点焊时间，电极力和焊接电流3个参数进行的训练。最后的结果为焊接质量，通常以锯片的抗拉剪载荷为指标。

建立BP神经网络时，选择样本非常重要。样本的选取关系到所建立的网络模型能否正确反映所选点焊参数和输出之间的关系。利用插值法，将输入变量在较理想的区间均匀分布取值，如果有m个输入量，每个输入量均匀取n个值（即每个输入量有m个水平数）， 则根据排列组合有nm个样本。对应于本例，有3个输入量，每个变量有5个水平数，这样训练样本的数目就为53=125个。

我们的实验，是以工人的经验为参考依据，发现点焊时间范围为2~8s，电极力范围为500~3000N，点焊电流范围为5~20kA时，焊接质量比较好。我们先取点焊电流，电极力为定量，在合理的范围内不断改变点焊时间，得到抗拉剪载荷。如此，可以得到不同点焊电流和电极力的抗拉剪载荷。根据点焊数据的情况，我们共选用200组数据。部分测试数据如表1：

神经网络建模的关键是训练，而训练时随着输入参数个数的增加样本的排列组合数也急剧增加，这就给神经网络建模带来了很大的工作量，甚至于无法达到训练目的。

3神经网络

我们用200组训练样本对进行神经网络训练，以err_goal=0.01为目标。调用Matlab神经网络工具箱中的函数编程计算，实现对网络的训练，训练完成后便得到一个网络模型。

程序

x1=[2.1 2.5 3 3.5 4……]； %点焊时间输入，取200组

x2=[1.3 1.5 1.9 2.1 2.3……]；%电极力输入，取200组

x3=[9 10 11 12 13……];%点焊电流输入，取200组

y=[2756 3167 3895 3264 2877……]； %输出量，取200组

net=newff([1 10;0.5 3;5 20]，[10 10 1]，{‘tansig‘‘tansig‘‘purelin‘});

%初始化网络 转贴于

net.trainParam.goal = 0.01;%设定目标值

net=train(net，[x1;x2;x3]，y);%训练网络

figure； %画出图像

选取不同的s1，s2，经过不断的神经网络训练，发现当s1=8，s2=6时，神经网络可以达到要求。工具箱示意图如下图1。

图 1工具箱示意图

工具箱示意图非常清晰地表示了本实验的神经网络的输入，输出以及训练的过程。

神经网络的训练结果，如图2所示:

图2神经网络的学习过程

图中可以看出双层网络训练的sse在训练100次时，已经接近0.0001，效果较理想。

为了验证经过训练的网络模型的泛化能力，在输入变量所允许的区域内又另选多个样本进行了计算。发现：利用BP神经网络模型计算的测试输出与期望输出值相符，误差小于2％。

在已经训练好的网络中找出最大值：

for i=2:10 %点焊时间选择

for j=0.5:0.1:3%电极力选择

fork=5:0.1:20%点焊电流选择

a=sim(net，[i，j，k])；%仿真

ifan %比较仿真结果与最大值，取最大值n=a；

i(1)=i；%最大值的时间

j(1)=j；%最大值的电极力

k(1)=k； %最大值的电流

end

end

end

end

将i（1），j（1），k（1）以及n输出，n为最大值。得到点焊时间为3.4s，电极力为12.7kN，点焊电流为11.8kA，此时的抗剪拉剪载荷为4381N，为训练结果的最大值。将点焊时间为3.4s，电极力为12.7kN，点焊电流为11.8kA在点焊机上进行实验，得到结果为4297N。并且通过与实际的结果相比较，发现误差也在2%以内。

4结论

1）本文采用了插值法作为选取BP神经网络训练样本的方法。并且在数据变化剧烈的地方多选取了75组数据，这样可以得到较高精度的网络模型，使点焊模型的可行性。

2）基于此方法建立了三个点焊参数的BP神经网络模型，而且所建的BP模型具有较高的精度，可以很好的描述了这三个点焊参数与点焊质量的映射关系。

3）由于神经网络模型将系统结构参数与传统动态特性参数之间的物理关系，反映为神经网络模型的网络输入与网络输出的数学关系，因此，在神经网络模型上进行结构修正与优化比在其他模型上更直接，简单与高效。

本文采用神经网络的方法优化复合消音锯片的点焊工艺参数，为分析点焊质量提供了很好的辅助手段。通过与以前工艺相比较，提高了点焊质量。

参考文献

[1] 方平，熊丽云.点焊电流有效值神经网络实时计算方法研究.[J].机械工程学报，2004（11）.148-152.

篇7

关键词：计算机 化工 设计

1.课程建设的基本思路

在今后的《计算机辅助化工设计》课程教学工作中，教师要注意把最新教学研究成果和学科最新发展成果引入教学环节;要以现代的眼光审视、选择和组合好教学内容，课程内容的基础性和先进性关系要处理得当;在教学过程中，教师要理论联系实际，融知识传授、能力培养、素质教育于一体，提高教书育人效果。

2.项目建设目标

2.1总体目标：以全面推进素质教育为目标，以培养学生创新精神、创新意识、提高学生实践能力为重点，构建计算机辅助化工设计课程新的教学体系，力求将课程质量和教学质量达到一个崭新的高度。

2.2阶段目标：进一步增强学生对化工过程进行数学建模的能力;进一步增强学生编制、调试计算机程序的能力;进一步增强学生应用和开发化工模拟软件Aspen Plus[1]、Pro II[2]、ChemCAD[3]等的技能和能力;进一步增强学生使用化工计算机集散控制系统（DCS）[4]仿真软件的能力。

2.3预期成果：课程理论、实验教学内容更新完成，开设网络课堂;完善教学大纲、电子教案、习题集、试卷库、上机实验指导书。

课程建设完成后，不仅可以为化工专业学生服务，也可以为其他相关专业：如过程装备与控制专业、无机非金属材料工程专业和应化专业服务，还可以为社会用户提供工厂流程仿真软件的培训服务。

2.4建设内容

2.4.1理论教学内容：主要分为三大部分，一部分是计算数学的部分内容，包括方程求根、线性方程组求解、插值法、曲线拟合法、数值微分、数值积分等，另一部分包括各单元操作（如流体输送、传热、精馏、吸收与分离等）、化学反应器的计算机编程设计和计算。第三部分是化工专业软件介绍。第三部分需要新编讲义和课件。

2.4.2实验教学内容：主要分为三部分。一是matlab语言[5]程序上机实验。结合理论教学的内容，在实验教学中注重让学生正确掌握matlab语言程序上机实验的基本方法和基本技能，加深学生对计算机辅助化工设计理论教学内容的理解，增强学生动手编程的能力，并培养学生严谨的科学态度和良好的上机实验作风。二是化工模拟软件Aspen Plus、Pro II、ChemCAD等的使用技能上机训练。结合理论教学的内容，加强综合性、探索性的模拟软件流程的上机实验训练，培养学生的科研能力，使学生了解化工领域更多的最新研究成果。三是化工厂的计算机集散控制系统（DCS）仿真操作训练。在学生掌握Aspen Plus软件的稳态流程使用技能的基础上，培养学生上机使用动态化工流程的计算机仿真软件技能，培养学生操纵化工厂集散控制系统（DCS）计算机界面能力，提高学生实时处置复杂动态流程的技能。

2.4.3改善革新教学方式是本课程建设的重点。a.教学过程不只是一个教师讲、学生听的过程，还要加强师生思想沟通、感情交流，做到教学相长。b.完善现有的多媒体教学方式，提高学生的学习兴趣和学习主动性;实现课程上网，尽快实现网络互动教学。c.理论教学与实验教学相结合，更注重通过综合性、探索性实验教学环节提高学生的质疑能力、分析和解决问题的能力，培养学生的创造性，训练学生的科研能力。

2.4.4本课程建设的特色如下：1）建立了全新的课程体系。本课程系根据我院工科院校的性质，针对各专业的特点，通过三年的教学实践，优化了教学内容，完善了课程体系，提高了教学效果。2）教学指导思想明确，教学力量较强。紧密结合专业需求，针对性开展教学和教研活动;师资队伍职称结构、学历结构、年龄结构合理。3）教学手段和方法多种化。初步建立计算机辅助化工设计立体教学体系，充分运用现代教学手段，推动教学改革，提高教学质量。4）注重理论教学与实验教学的呼应，强化上机实验教学对理论教学的促进作用。

3.总结

在今后的《计算机辅助化工设计》课程教学工作中，还需要不断完善普通化学实验室的软硬件设施和条件，提高任课教师参与实验教学的积极性，克服扩招后专职实验人员数量相对短缺的问题。

教师要注意把最新教学研究成果和学科最新发展成果引入教学环节;要以现代的眼光审视、选择和组合好教学内容，课程内容的基础性和先进性关系要处理得当;在教学过程中，教师要理论联系实际，融知识传授、能力培养、素质教育于一体，提高教书育人效果。

参考文献

[1]张治山，杨超龙.Aspen Plus在化工中的应用[J].广东化工，2012，39（3）：77-78

[2]屈一新，《化工过程数值模拟及软件》[M].化学工业出版社， 2006.5

[3]汪申，《ChemCAD典型应用实例（上）―基础应用与动态控制》[M].化学工业出版社，2006.5

[4]凌志浩，《DCS与现场总线控制系统》[M].华东理工大学出版社，2008.9

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【关键词】ANSYS；水闸可视化；有限元

现今，社会科技的发展离不了机械技术的强有力的支持，如何又快又好的使用机械设备，使得这些大型的机械设备能发挥出最大的功效，是作为一名技术人员一直追求要完成的任务。我们发现，在创造了水闸可视化技术后，很多机械中的人力无法完成的任务，通过这一新兴技术就可以很好的解决。下面我们就基于ANSYS的有限元的水闸可视化系统进行分析、讨论。

1 基于ANSYS的水闸可视化系统作用

有限元方法在机械使用中大多作为一种检测工作，在机械出现小故障时，该技术使用的较为普遍，它可以将机械系统中的小构件联接在一起，实现了机械体系的完整性。增强了机械整体的刚度，控制了构件于构件之间的紧密性，使得机械在使用中的效率更高。在这里我们所说的有限元方法是采用可视化的方式进行工作的，它是结合了视觉观察的思想概念，结合了可视化装置和辅助指导装置进行的水闸的控制工作。这里谈到了可视化装置是由四个显示屏分为两组，做交替的监控循环，这些元件在监控的操作下，不断的完成动力控制的功能，最终促使辅助指导装置运行。

用ANSYS进行闸室结构分析需要创建有限元模型（创建几何模型，划分网格）、施加荷载并求解、查看结果建三个步骤进行。采用ANSYS中的求解器和细部分解后处理器。通过表示模型显示闸室结构，分析几何模型，同时将资料以*.db文件的形式保存在ANSYS核心数据库中，并通过闸室结构分析表示模型显示其应力及变形情况，这些可在ANSYS的后处理部分实现。ANSYS和材料力学方法尽管在上下游侧计算结果有所不同：上游侧材料力学方法比ANSYS计算的应力值大，而在下游侧材料力学方法比ANSYS计算的应力值小，但相差不大，最大误差百分比为5%，在误差的范围内不会出现很大幅度的波动。在设计系统的开发使用的过程中，上下游闸门出的材料结构的力学模型构建出的力矩值都会比使用ANSYS计算的应力值大， 最大误差百分比13%，而在闸门中部会出现一定的波动现象，但是出现的波动不会太大，我们常常可以忽略不计。通过这样大量的数学计算可以看出，对于闸墩底部应力，将闸墩从闸室分离出来，按照平面的材料力学方法进行计算，引起的误差不大，使用可视化设计的水闸系统的可靠性非常的高。

2 水闸可视化基于ANSYS的有限元方法分析

以目前国内的水利机械使用情况来看，对于有限元方法的使用存在着很大的漏洞，最主要的原因就是可视化模型在使用中出现损坏的情况较为严重。经过技术分析，得出造成损坏的最主要的原因还是模型在受力上的影响。过去设计可视化都是处于经验方面的总结，很难在细节上有很大的创新，往往在一些重点的可控部位没有设置合理的材料进行监控和管理。当引进了基于ANSYS的有限元方法后，我们可以通过计算机软件改变设计中出现的缺陷。

2.1 使用ANSYS的有限元软件分析闸门受力情况

在有限元方法的使用中，模型主要受到来自弯扭方面的应力，而不是常常认为的轴向受力。通过有限元软件可以计算出模型在受弯扭变形时的应力变化，根据这些应力变化数据我们可以在闸门设计出具体部位使用材料的指导书。适当的加大模型的体积，就可以很好的降低有限元方法的输出扭转率。通过改变有限元方法的结构设置，可以起到很好的质量比重，这些对于闸门系统的长期使用和增加使用寿命都有很大的帮助。

我们以某市的排涝闸门设计为例进行说明：

在根据当地的水文情况，结合地质信息，考虑到闸门设计前的渗流情况，在可视化系统的完善中，取得地下水位-2.5m，将设计空洞变成四孔闸门，通过有限元软件的计算，得到闸门受力部位的荷载图。见表1。

表1 上部荷载列表

从外河侧到内河侧，取0.2，0.4，0.6，0.8闸身长的截面，按弹性地基梁计算底板内力。外河侧弯矩取0.2截面弯矩值，内河侧弯矩取其余三个截面绝对值较大的弯矩值。对稳定计算荷载加上荷载系数后，重新进行控制工况稳定计算，这样求得的地基反力用来计算结构内力，最后进行配筋计算。为安全起见，将完建工况也列入弹地基性梁的计算，求弯矩包络。

表2 弯矩包络

通过在包络图的指导下，建立有效的可视化系统，形成更好的工程实例方案。

2.2 详解使用有限元分析下的闸门可视化系统

基于ANSYS的有限元的分析软件，旨在将构件划分为多个单元，对于复杂的构件变为多个不同单元，可以简化计算过程，还能够对构件的使用性能更加的了解。将有限元方法的整体结构细化为12个独立的单元体，每个单元体处于不同的区域之内，在受力的情况下，记录下每个构件的承载情况，建立起合适的数学模型。

3 水闸可视化系统的具体操作

利用ANSYS的有限元是基于构造物的几何形状进行衍生出来的，它可以是采用自上部结构而往下下（直接生成体或面）或自下部结构而往上（依次生成点、线、面、体），然后再对该实体模型进行网格，这样的好处是不怕破坏构造物的整体框架，又可以在最简短的时间内建立水闸系统最本质的三维图形。

在实际的水闸设计案例中我们对水闸基础做出相应的介绍。其闸室的类型多为一孔一联的模式，对于计算过程中，为了更加的简单，不设置铺盖，在对于渗流的计算中采用插值法，可视化的计算略去了闸门顶部的重量，直接以闸门槽中减少的面积作为运算数据，没有地震方面的荷载值，设计过程中模拟闸门运行的状态，考虑到设计水位的变化，闸门同时受到上下游水位高低的影响，充分在有限元中考虑到水重、闸门重量、地基承载力以及地基反力。

利用模拟概念生成闸门效果法。在ANSYS中直接把模型中的可视化以创建多个控制点单元的形式表达出来，构建最初的有限元模拟模型。在定义ANSYS模拟概念模型之前，必须确定每个闸门控制点的位置，这也就是定义的初始点概念，把每个点的特性分析清楚，包括控制点的形状、大小、方位以及点与点之间连接的频率。

4 结束语

在水闸可视化使用ANSYS还会存在一定的不足，比如图形导入的时候，相应的数值会出现乱码的现象，或是导入的图像边缘有锐化的现象，数据可以根据我们后期的要求进行修改。但是锐化的现象就很难做处理，不过这对设计没有很大的要求。建模的整个过程是非常复杂的过程，要理清各个控制点的具体参数指标，整体的把握边界条件，建立出的闸门模型有的时候还不能完全的代表系统本身的特性，我们就需要在多个方面进行改进。根据对闸门可视化工作状态的了解，可以使上文提到的模拟概念生成的效率大大提高，对于设计上也减轻了工作量，确保了设计中水闸可视化在关键技术上的控制和相关的可靠性大大提高。

参考文献：

[l]左东启，王世夏，林益才.水工建筑物[J].河海大学出版社，2005（17）.