基于AutoCAD前處理淮河淮南段二維有限元網格生成技術
2016-12-22 16:26:58路思恒鄧超王志勇汪熔俞志敏
安徽農學通報 2016年21期
路思恒 鄧超 王志勇 汪熔 俞志敏
摘 要：建立模型，可以深入的了解水體的各種水文參數流速、水深、水體污染物的分布、水流的紊亂度和水表面的變化等，從而科學的評價、預測和管理水資源。該文所研究的淮河干流是從鳳臺大橋到田家庵階段，主要是通AutoCAD軟件把研究河流的地理圖形坐標圖導入SMS軟件中，兩個軟件相結合進行淮河干流的模擬，生成精確的二維網格、河道的高程圖和高程斷面圖。其中生成三角形單元網格為48 563，四邊形單元網格為72 355個，高程圖河低高程最大值為20.0m，最小值為-4.0m，在高程斷面圖中可以看出河流兩岸到河底高程的變化趨勢。根據這些圖形，為研究淮河的水體流速、水深的計算、河流動態演示和污染物的擴散等各種后續參數提供有利的依據。
關鍵詞：SMS；AutoCAD；淮河干流；網格
中圖分類號 TB115 文獻標識碼 A 文章編號 1007-7731（2016）21-0094-04
1 SMS軟件和AutoCAD簡介
SMS軟件是United States Army Corps of Engineers Hydraulics Laboratory（美國陸軍工程兵水利工程實驗室）和Brigham Young University（揚·伯明翰大學）等合作開發的地表水系統模擬軟件。AutoCAD主要是工程繪圖軟件。本文主要是利用兩種軟件結合，在SMS軟件中生成散點圖，為后期模型的建立做準備。
2 研究河段的概述
研究河段主要是淮河的干流，從鳳臺大橋到田家庵的河段，長度共37km。其中鳳臺大橋到平圩大橋的河段長度為26km，該河段地形復雜，有多個支流和匯流，并且支流和匯流錯綜交雜。從平圩大橋到田家庵斷面的河段長度為11km，該段河流匯流較少的，河道地形圖較為平穩[1]。此間河流斷面干流的寬度最寬處約為450m，支流斷面的寬度約為250m[2]，如圖1所示。
3 基于SMS模擬型的建立
3.1 河段平面圖形地理坐標的導入 （1）在AutoCAD中打開淮河鳳臺大橋-田家庵干流地形圖，此時得到淮河鳳臺大橋—田家庵干流圖層處于都打開狀況地形圖（圖2）。（2）在“圖2”的基礎上關閉部分圖層，只保留高程點和河道信息兩個圖層，并將圖形保存為“塊的模式”，同時格式轉化為SMS可識別的“新塊.dxf”格式，得到淮河鳳臺大橋-田家庵河道干流的基本輪廓圖（圖3）。
3.2 河段平面圖形散點模擬型的生成 SMS可以導入多種格式文件，如：tif、jpg、dxf等[3]。對于AutoCAD文件也就是.dxf文件，在SMS中是通過背景顯示或者轉換特征目標的矢量數據，通過離散數據組導入SMS中進而生成散點圖。主要有：塊文件導入、離散數據、離散數據檢查、散點生成。對于塊文件導入，選擇File|Delete All來清除SMS中所有的數據，在File|Open中，導入塊文件，在SMS-Map模塊下，打開“新塊文件”，此時河道的地理坐標導入SMS界面。例如鳳臺大橋地理坐標為：x是474 700.0，y是3 620 490.0；平圩大橋地理坐標為：x是493 317.0，y是3 616 831.0。離散數據時，把CAD Data轉變為離散數據，首先要將CAD Data轉變為Map Data，具體操作為：在“Project Explorer”中右鍵單擊“CAD Data”同時從下拉菜單中選擇Convert→CAD→Map，此時將會創建一個新的圖層“CAD”。選擇這個圖層使Map Module處于活動狀態，右鍵選擇“CAD”圖層并從菜單中選中Convert→CAD→2Dscatter。當對離散數據檢查時，在Map→Scatter對話框，使所有選項保持不變。SMS創建離散數據組時進行了復制點檢查。最后散點生成，為了更好的查看離散點，講窗口縮小至離散數據組頂端西端，關閉“CAD”圖像圖層，生成散點圖（圖4）。
3.3 平面圖形有限網格的生成
3.3.1 有限網格的概述 有限元法（Finite Element Method）產生于20世紀50年代[4]，主要是一種數值解析法，其中常見的的方法有直接分析法、變量分析法和加權余量分析法[11]。有限元法的基本思路是把研究的整體結構進行離散化，通過具體的有限單元和節點來完成現實中的分析問題[12]。因此，在實際解決問題中，就要對有限網格進行劃分，由于網格劃分靈活多變、網格上節點連接密切和網格連接相對穩定，所以用來處理一些復雜的不規則幾何問題，其中最常見的就是模擬河道的網格計算問題。
3.3.2 網格的單元類型 網格的單元類型主要有兩種，分別是三角形和四邊形[5]。三角形單元網格穩定性好，精度高，通常用于分流、匯流和河心洲處，但網格排列通常不規則，對于相同節點數的網格，三角形單元較多計算量大，求解的精度要求高，處理程序復雜。對于四邊形網格來說，其結構相對簡單、網格區域拉伸性能較好，網格單元排列的規律性較強，并切依據網格單元建立的模型求解比較簡單，通常用于河道平坦的大面積網格的構造。
3.3.3 網格的作用 在SMS軟件中，各種模型的建立和水體各種參數的計算，都要通過網格作為載體來完成來完成。在涉及模型的計算方面各種方程的建立，相當于把解析法中的整體連續函數進行分解，使其離散化，變成小的區域。這樣的方程建立需要網格上的結點數據，建立結點方程式，從而利用相應模型求解出結果。由于網格上每一個結點都代表河流上實際坐標，這樣網格單元類型和構建的精確度，影響求解方程的類型和解的難易程度[6]。對于水流、水深、水表面值和污染物的擴散速度的計算問題，都要根據網格的構建來建立模型，來得出結果，根據結果數據的分析完成對水環境的科學管理。所以網格對模型的構建十分重要。
3.3.4 網格的構建滿足的條件 （1）根據研究河流地形走勢，使不同河段的網格構造疏密有致；（2）根據模型的特點，研究者要對構建的模型進行初步估算，確保河流的流線要平行；（3）由于河段的復雜性導致不同部分網格的類型不同，要使三角形和四邊形兩種網格交替應用。
3.3.5 網格的構建滿足的條件 （1）根據研究河流地形走勢，使不同河段的網格構造疏密有致；（2）根據模型的特點，研究者要對構建的模型進行初步估算，確保河流的流線要平行；（3）由于河段的復雜性導致不同部分網格的類型不同，要使三角形和四邊形兩種網格交替應用。
3.3.6 網格的構建方法 網格構建主要有3種常見的方法，對于小范圍和復雜的網格的構建，采用手動添加網格單元；通常大規模、結構比較簡單的網格，采用節點線構建網格單元；對于網格地形圖已知的網格構造，通常采用map模型[7]。
3.3.7 研究河流網格的生成 由于河道地形的復雜性，在構建網格前，先把散點圖分為6個區域。由于三角形具有網格剛度大、應力集中的特點，所以在河道分叉、匯流和河心洲處，通常用三角形網格；四邊形具有穩定性好、精確度高的特點，所以在平坦的河道通常用四邊形網格[8]。區域1、3、5分別為河道分叉、匯流和河心洲，則用三角形網格構建；區域2、4、6河道較為平緩，顧用四邊形網格構建，散點圖劃分如圖5所示。
在“圖5”的基礎上生成河道網格圖。對于整個區域網格構建，選用map模型，其中河道分叉處、匯流處與河心洲網格單元類型采用三角形網格，河道較平坦區域網格類型采用四邊形網格。
構建網格主要四個步驟：連接邊界弧、節點重新分配、選擇網格類型、網格生成。
3.3.8 網格精度的檢查與修正 由于網格精度的要求，需要對網格進行檢查。（1）三角形網格單元的各個內角在10°≤α≤150°，四邊形網格單元內角在30°≤α≤150°；（2）相互連接地形單元最大坡度小于10%；（3）相鄰有限單元的連接面積之比在0.5～2；（4）網格圖形有限元必須光滑、平整滿足彎曲弧度。對不符合要求的有限網格調整，調整節點、輸入高程、修勻網格單元邊界。當調整節點時，在SMS中打開“圖6”，對整個區域進行修正。選擇Nodes/Locked界面，設置節點移動。
3.4 河段河底高程信息圖
3.4.1 設定高程圖單位 為獲得高程圖信息，在網格構造后設定的單位類型。首先在界面中選擇dit/current coordination；然后在unit中選擇m（米）調整單位，為下一步得到河底高程信息做準備。
3.4.2 河段河底高程圖的生成 由于生成網格“圖8”包含高程的地理數據信息，故可對生成的網格進行地理坐標處理，主要包括：顏色填充的方法、顏色填充的個數和高程圖的生成。顏色填充方法時，將“圖8”導入SMS界面中，同時將劃分區域斜線刪除，在
3.4.3 特殊斷面高程圖觀測斷面與高程斷面曲線圖的生成 由于河道河底高程圖顏色的變化不能清晰地觀測出高程值的變化，所以為了更好地觀察河道河底高程兩岸到河底的變化，在平圩大橋附近的匯流處的河心洲處與田家庵處設置觀測斷面并繪制出高程沿斷面曲線圖，這樣就可以直觀的看出兩岸到河底高程值的變化趨勢。其步驟包括繪制高程斷面、生成高程變化曲線圖。
在高程斷面變化曲線圖中，可以清晰地觀察出，在設置斷面上，從河流左岸到右岸高程值隨距離變化而變化的變化趨勢。
從“圖11”和“圖12”中可以看出，在田家庵設置斷面上，從河流左岸到右岸高程值從18m下降到8m有上升到17m，這顯示兩邊高中間低的下凹圖形，這與河道河底的走勢吻合。
而在“圖13”的河心洲設置斷面上，“圖14”的河底高程值變化趨勢出現反常現象，在設置斷面上從河流左岸到右岸，高程值先下降在上升，接著平穩，又出現下降和再上升的現象，這是因為設置斷面設在河心洲階段，這也與河道中間是空地兩邊是分河流相吻合。
4 結論
通過AutoCAD軟件與地表水模擬系統（SMS）軟件的結合，繪制出淮河干流鳳臺大橋-田家庵的復雜河道的有限二維網格圖、河道河底的高程信息圖和高程斷面圖，為后面建立地表水的模型做了前期的準備工作。主要是通過建立塊的模式和文件格式的轉換，實現了AutoCAD與地表水模擬系統（SMS）的完美銜接，并使AutoCAD軟件的功能在地表水模擬系統應用的前期階段得到充分肯定，成功的將實際地形圖導入SMS中，為下一步生成精確的二維網格圖形和河道河底高程信息圖和河道河底斷面變化折線圖奠定了基礎。其構建有限二維網格模型精確度較高、適用性較好，從而為河流水流速度、水深、污染物的擴散和水表面值等各種后續參數的研究提供了精確的模型。
參考文獻
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（責編：張宏民）
