一种基于开源可视化平台的边坡工程损伤因子确定方法

技术领域

本发明涉及数值分析、岩土工程、数值结果可视化方法领域中的边坡工程数值分析结果后处理可视化方法，尤其涉及一种基于开源可视化平台的边坡工程损伤因子确定方法。

背景技术

随着计算机科学计算的高速发展，在岩土数值分析领域出现了大量能用于解决实际边坡工程问题的岩土数值分析软件，这些分析软件能够通过设定的边界条件，计算得到边坡工程在一定条件下的各种指标，如应力数据、应变数据，这些数据为边坡工程评价及防治建设提供了很大的帮助。

然而随着水利建设的推进，越来越多的复杂的边坡工程呈现在工程师面前，简单的应力、应变数据已经无法满足工程师对现实复杂边坡工程的解读和评价。大量边坡工程现阶段处于安全状态，但内部已经产生破坏，存在安全风险，而工程师仅仅通过数值分析结果的应力、应变数据得不到边坡内部的破坏情况和安全裕度，遂需要对数值分析结果进行二次分析，得到一个能够确定边坡破坏程度的数据指标。

同时，由于数值分析软件更加注重力学计算，在结果表达上存在一定不足。在现有技术中，常用的岩土数值分析软件，存在以下几点不足：(1)由于数值分析软件注重的是力学计算，从而忽略了在后处理结果展示上的便利性和直观性；(2)数值分析软件往往为封装完整的商业软件，缺少对计算结果进一步分析的能力，进一步进行二次分析很难实现；(3)数值分析结果只能在对应软件中查看，缺乏可移植性。

结果表达是数值计算过程中非常重要的一个环节，上述的不足普遍存在于目前常用的岩土工程数值分析过程中，因此亟需解决。

发明内容

发明目的：为了通过构建转换端口，实现对边坡工程数值分析结果进行损伤因子后处理，并在开源可视化平台Paraview中对损伤因子后处理结果进行可视化，以解决现有技术中无法对结果进行二次分析等相关问题，本发明提供一种基于开源可视化平台的边坡工程损伤因子确定方法，通过搭建软件转接端口，对边坡工程数值分析计算结果，进行后处理，二次分析得到边坡工程损伤因子分布结果，并借助开源可视化平台实现对边坡工程数值分析结果损伤因子后处理可视化。

技术方案：本发明基于开源可视化平台的边坡工程损伤因子确定方法，搭建软件转接端口，包括以下步骤：

(1)在程序中添加需要进行后处理的边坡工程数值分析结果文件，程序读取边坡工程数值分析结果文件中的数据；

(2)根据读取到的数据，计算边坡工程数值分析结果中各单元的损伤因子大小；

(3)以重组数据结构方式，建立新的数据索引结构；

(4)按照新的数据索引结构，输出数据写入ParaView可视化文件；

(5)对比判断ParaView可视化文件中，是否已将所有单元的损伤因子写入完毕。

步骤(1)中，程序读取边坡工程数值分析结果文件中的数据分为数值分析几何信息和数值分析结果参数两大类。

其中数值分析几何信息包括单元数目、单元所连接的节点编号和节点坐标。数值分析结果参数包括单元应力张量数据、单元应变张量数据和节点位移矢量数据。

步骤S2中，边坡工程数值分析结果中各单元的损伤因子计算方法如下：

基于Kachanov及Rabotnov提出的损伤因子基本概念，把材料的原始缺陷和作用过程缺陷演化用几何的数学语言表征为损伤因子，其被定义为材料损伤部分的面积与材料的横截面总面积的比值，即：

式中，D为损伤因子，A

采用密度描述损伤，过程为：假设有一个球形单元体，在外力作用下，单元体内部因损伤出现一个球形空洞，则受损前后单元体体积表征为：

式中，y为受损前的单元体体积，V

分析受损后材料横截面特征，则有材料横截面总面积为：

A＝π(R

材料损伤面积为：

A

根据式(1)中对损伤因子的定义，结合式(5)和式(6)得出损伤因子：

至此即用密度的变化来表征单元损伤因子。通过有限差分法数值模拟得到模型单元体中的应力一应变结果，设受力后单元体应变为ε，根据应变的定义有：

式中，V为受力前单元体体积，V′为受力后单元体体积。由质量守恒定律得到，受力前后单元体密度比为：

将式(9)代入式(7)，即得到用单元体应变表征的单元体损伤因子：

利用式(10)通过对有限差分法模拟计算结果中的应力-应变结果进行二次计算，即得到计算结果中每一个单元体的损伤因子，进而确定边坡工程的损伤因子分布。

步骤(3)中，重组数据结构的方法如下：首先获取数值分析结果模型中的单元类型数量，通常有实体单元、壳单元、线单元三种，为三种类型单元设定类型编号，设定实体单元类型编号为01，壳单元类型编号为02，线单元类型编号为03，而后读取岩土数值分析模型的外边界尺寸的范围，即获得数值分析模型的x，y，z轴上的最大值和最小值；分别在三种单元类型中，根据x坐标从小到大、y坐标从小到大和z坐标从小到大的规则，依次遍历搜索数值模拟结果模型中的单元，并编号设定为位置编号，将类型编号和位置编号相结合得到单元的新编号，即01xxxxx，新编号即作为新的数据索引结构。

数值分析结果模型中的单元类型包括实体单元、壳单元和线单元。

步骤(5)中，在比较判断之后，如果所有参数输出完毕则结束退出。

步骤(5)中，对比判断过程为：在端口程序中设计有对比功能，在程序每次执行损伤因子写入操作时，进行累计计数，即每写入完成一个单元的损伤因子计数加一，在完成全部吸入操作后，对比计数和单元数目，如果一致则认为所有单元的损伤因子均已写入。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)本发明通过对边坡工程数值分析结果进行二次分析，得到边坡工程单元损伤因子，进而明晰边坡工程中各单元受外力的破坏程度，从而对边坡工程的安全裕度有定量概念。

(2)采用本发明的重组数据结构方法不需要占据大量内存，本方法的运行代价主要集中在调用上，运行效率较高，即使面对大型的岩土数值分析结果仍能很好的运行。

(3)采用python作为该方法的编程语言，充分利用了编程语言简明、模块化、具备可扩展性的优势，相较于以岩土数值软件本身以建模、计算为主要目的计算机语言，在数据导出以及文件编写方面有显著优势。

(4)本发明最终形成的是vtk文件，并利用ParaView进行结果显示，相较于现有的利用Tecplot、Surfer进行可视化的转化方法，在矢量显示及其它方面更具优势，结果表达上更直观。

(5)Paraview作为一个开源的可视化平台，相较于现有岩土数值软件需要授权获取，在任意计算机上可以获取，为数值模拟结果的交流提供便利。

附图说明

图1为本发明基于开源可视化平台的边坡工程数值分析损伤因子后处理方法流程图；

图2为边坡工程数值分析结果文件数据结构图；

图3为新数据索引构建过程示意图；

图4为可视化文件数据结构示意图；

图5为岩土数值分析后处理可视化结果第一显示图；

图6为岩土数值分析后处理可视化结果第二显示图。

具体实施方式

本发明基于开源可视化平台的边坡工程数值分析损伤因子后处理方法，采用Python语言编译从边坡工程数值分析结果到ParaView可视化的端口程序，具体包括如下步骤：

(1)在程序中添加需要进行后处理的边坡工程数值分析结果文件，程序读取边坡工程数值分析结果文件中的数据，所读取的边坡工程数值分析结果文件数据结构如图2所示；

(2)根据读取到的数据，计算边坡工程数值分析结果中各单元的损伤因子大小。以单元编号为015688的单元为例，由步骤1读取得到的单元应变值为ε＝0.08，采用式(10)计算得到，损伤因子

(3)以一定的重组数据结构方式，建立新的数据索引结构；获取数值分析模型中的单元类型数量，单元类型数量有实体单元、壳单元、线单元三种，为三种类型单元设定类型编号，设定实体单元类型编号为01，壳单元类型编号为02，线单元类型编号为03，而后读取岩土数值分析模型的外边界尺寸的范围，即获得模型的x，y，z轴上的最大值和最小值；分别在三种单元类型中，根据x坐标从小到大、y坐标从小到大和z坐标从小到大的规则，依次遍历搜索数值模拟结果模型中的单元，并编号设定为位置编号，将类型编号和位置编号相结合得到单元的新编号，即01xxxxx，新编号即作为新的数据索引结构，如图3。

(4)按照新的数据索引结构，输出数据写入ParaView可视化文件。图4为可视化文件数据结构示意图。

(5)对比判断ParaView可视化文件中，是否包含了所有需要可视化的数值分析结果参数。如果所有参数输出完毕则结束退出，如果所有参数没有输出完毕，则跳转至步骤S3继续进行。最终Paraview的显示结果图如图5、图6所示。