數學建模插值法范文

導語：如何才能寫好一篇數學建模插值法，這就需要搜集整理更多的資料和文獻，歡迎閱讀由公文云整理的十篇范文，供你借鑒。

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關鍵詞：建模算法 指示克里金 序貫指示模擬

一、確定性建模方法和隨機建模方法

1.確定性建模方法

確定性建模是對井間未知區給出確定性的預測結果，即從已知確定性資料的控制點（如井點）出發，推測出點間（如井間）確定的、惟一的和真實的儲層參數。主要手段是利用地震資料、水平井資料、露頭類比資料和密井網資料1。利用插值方法對井間參數進行內插和外推是確定性建模的主要方法。插值方法包括數理統計插值方法和地質統計學克里金插值方法。其中克里金插值方法是最常用的插值方法。由于儲層的隨機性，儲層預測結果便具有多解性。因此，應用確定性建模方法作出的唯一的預測結果便具有一定的不確定性，以此作為決策基礎便具有風險性。為此，人們廣泛應用隨機模擬方法對儲層進行建模和預測。

2.隨機建模方法

所謂隨機建模，是指以已知的信息為基礎，以隨機函數為理論，應用隨機模擬方法，產生可選的、等可能的儲層模型的方法2。這種方法承認控制點以外的儲層參數具有一定的不確定性，即具有一定的隨機性。因此采用隨機建模方法所建立的儲層模型不是一個，而是多個，即一定范圍內的幾種可能實現（即所謂可選的儲層模型，以滿足油田開發決策在一定風險范圍的正確性的需要，這是與確定性建模方法的重要差別。對于每一種實現（即模型），所模擬參數的統計學理論分布特征與控制點參數值統計分布是一致的。各個實現之間的差別則是儲層不確定性的直接反映。如果所有實現都相同或相差很小，說明模型中的不確定性因素少；如果各實現之間相差較大，則說明不確定性大。隨機模擬與克里金插值法有較大的差別，主要表現在以下三個方面：

2.1克里金插值法為局部估計方法，力圖對待估點的未知值作出最優（估計方差最小）的、無偏（估計值均值與觀測點值均值相同）的估計，而不專門考慮所有估計值的空間相關性，而模擬方法首先考慮的是模擬值的全局空間相關性，其次才是局部估計值的精確程度。

2.2克里金插值法給出觀測點間的光滑估值（如繪出研究對象的平滑曲線圖），而削弱了真實觀測數據的離散性（插值法為減小估計方差，對真實觀測數據的離散性進行了平滑處理），從而忽略了井間的細微變化；而條件隨機模擬結果在在光滑趨勢上加上系統的“隨機噪音”，這一“隨機噪音”正是井間的細微變化。雖然對于每一個局部的點，模擬值并不完全是真實的，估計方差甚至比插值法更大，但模擬曲線能更好地表現真實曲線的波動情況（圖3-1）。

2.3克里金插值法（包括其它任何插值方法）只產生一個儲層模型，因而不能了解和評價模型中的不確定性，而隨機模擬則產生許多可選的模型，各種模型之間的差別正是空間不確定性的反映。

二、指示克里金建模算法和序貫指示模擬算法

克里金方法（Kriging）， 亦稱克里金技術， 或克里金，為確定性建模方法，是以南非礦業工程師D.G.Krige（克里金）名字命名的一項實用空間估計技術， 是地質統計學的重要組成部3。 克里金估計是一種局部估計的方法。它所提供的是區域化變量在一個局部區域的平均值的最佳估計量，即最優（即估計方差最小）、無偏（估計誤差的數學期望為0）的估計。 克里金估計所利用的信息，通常為一組實測數據及其相應的空間結構信息。應用變差函數模型所提供的空間結構信息，通過求解克里金方程組計算局部估計的加權因子即克里金系數，然后進行加權線性估計。克里金方法是一種實用的、有效的插值方法。它優于傳統方法（如三角剖分法，距離反比加權法等），在于它不僅考慮到被估點位置與已知數據位置的相互關系，而且還考慮到已知點位置之間的相互聯系，因此更能反映客觀地質規律，估值精度相對較高，是定量描述儲層的有力工具。指示克里金方法是一種基于指示變換值的克里金方法，即對指示值而不是原始值進行克里金插值，其核心算法則借用上述克里金方法。

序貫指示模擬屬于基于象元的隨機建模方法范疇，其算法核心是將序貫模擬算法應用于指示模擬中。算法特點：既可用于離散的類型變量，又可用于離散化的連續變量類別的隨機模擬。兩個算法的特性對比表如下：

指示克里金算法和序貫指示模擬的共同點是都結合了指示變換方法，因此都可以對離散變量進行模擬（其他克里金方法是不能模擬離散變量的）。對于具有不同連續性分布的變量（如沉積相），可給定不同的變差函數，所以可用于模擬變異性較大的分布復雜的數據。另外兩者都可以結合軟數據。由于克里金插值法為光滑內插方法，所以指示克里金也具有這種光滑效應，做出來的砂體很光滑，更容易被地質人員接受。但是為減小估計方差而對真實觀測數據的離散性進行了平滑處理，雖然可以得到由于光滑而更美觀的等值線圖或三維圖，但一些有意義的異常帶也可能被光滑作用而“光滑”掉了。指示克里金與序貫指示相比主要的弱點是空間數據的分布。所以當有好的地震數據時，砂體的分布也就確定了，這樣就彌補了指示克里金空間數據分布的問題，但是指示克里金的模擬結果具有光滑效應，所以指示克里金和序貫指示算法同時當結合地震數據時，使用指示克里金的模擬效果會比序貫指示模擬的算法效果好，模擬的砂體更連續和光滑。

三、結論

1.建模前根據數據資料和地質情況確定使用確定性建模方法和隨機建模方法

2.建模如果有高分辨率的地震資料時，使用指示克里金算法比序貫指示模擬算法模擬出的砂體更連續。

參考文獻

[1] 劉穎等.儲層地質建模方法.中外科技情報.1994.

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關鍵詞：地質工程 復雜地質體 三維建模與可視化

1 前言

地質工程復雜地質體中的各種地質信息，可以通過野外勘探實測或監測儀器記錄獲得，但一般都是散亂數據，工程地質工作者很難對其在工程巖土體中的分布規律有一個整體和直觀的把握。各種地質信息，包括地表地形、地下水位、地層界面、斷層、節理、風化帶分布、侵入體及各種地球物理、地球化學、巖土體的物理力學參數或數據的等值面(線)等，都可以看作是三維空間中的函數，利用各種野外實測資料分別建立相應的曲面擬合函數，進而利用計算機建立三維地質模型，達到直觀地表達地質信息在工程巖土體中的分布規律、提高對于地質規律的認識、指導地質工程項目的勘測施工及監測的目的。

現有的地理信息系統(GIS)都主要表達二維的地表地物的圖形和屬性信息，要擴展到真三維包含地下地質結構的地質信息系統還有差距。一個大型地質工程項目從可行性研究階段、初步設計階段到詳細設計階段，乃至到工程運行期的管理與監測期，建設周期長，往往積累了大量的地質資料，用三維模型圖形圖像來表達、解釋和管理如此龐大的資料比光靠數據庫和圖表圖紙等傳統手段來得有效的多。建立地質工程復雜地質體的三維模型，處理巖層界面與結構面組合關系，逼真反映地下地質結構全貌，將為地質工程工作者分析研究工程地質現象和發現掌握巖土體結構規律提供一種嶄新的研究手段和研究方法。

地質工程復雜地質體三維建模與可視化的重要意義表現在：

1.利用數據庫存儲和管理現場勘探實測和試驗數據，結合GIS技術，可實現工程地質體的地質(屬性)信息的查詢，從而更直觀了解地質信息在研究(工作)區域的整體分布規律。

2.現場勘探數據用圖形表達，更有助于推斷、預測和把握其在研究(工作)區域內的分布規律。并且利用計算機的計算速度快、可重復性、時實顯示、時實反饋與實時交互等優點，隨著勘察或研究工作的不斷深入細致，工程地質工作者可對研究(工作)區域隨時補充信息來自動顯示地質信息在研究(工作)區域內的分布，從而不斷提高模型精度，并且利用模型反饋回來的信息及時發現已有勘察工作中的不足，從而及時修改勘察或研究工作方案，指導下一步勘探或研究工作的實施。

3.用計算機自動繪制工程地質圖件(剖面圖和平切面圖)，一方面，能夠使工程地質工作者從煩瑣的CAD編輯成圖中解脫出來；另一方面，透鏡體和夾層的尖滅點的位置可以足夠精確地定位，減少了人為不確定因素。

4.充分利用已有現場勘探實測或試驗數據，達到節約投資減少勘察或研究成本的目的。當現場勘探和試驗數據資料不足情況下，通過對已有數據的插值與擬合到建立三維模型，可以推斷和預測未知區域或研究較少區域的地質信息或巖土體物理力學參數的分布趨勢，從而為減少勘探工作量提供科學的可靠的依據，達到節約花費，為生產或研究部門產生直接經濟效益的目的。

2 復雜地質體三維建模與可視化研究和軟件開發動態

2.1 國外研究與開發現狀

加拿大阿波羅科技集團公司開發的MicroLYNX三維地質建模與分析軟件系統，通過對離散點采樣、鉆探采樣和探槽采樣等空間數據的處理，產生Section（剖面）模型，　Volume（體）模型，　Polygon（多邊形）模型，　Block（塊）模型，　Grid（層狀）模型 和Surface（面）模型。利用Section模型計算礦藏儲量，構造復雜地質體、礦井、巷道等地面地下采礦建筑設施。利用Volume模型對地質體進行任意方向切割，從而表達任意復雜程度的地質體。Polygon模型可直接由采樣點數據生成。Block模型用于確定礦藏分布和等級變化，MicroLYNX軟件有兩大特點用于提高三維地質體的空間分辨率，一是在礦體或斷層邊界進行晶胞細分，二是在三維勘探空間中采用不同尺度的晶胞。Grid模型與Block模型類似，但更適用于扁平分布的礦體。Surface模型用于表現地表地形測量結果，露天礦設計和實際開采狀況，計算兩個地層面之間的體積等。

Gemcom Software 桌面系統是加拿大Gemcom Software International Inc.公司為使礦產資源勘探、礦產資源評價、礦井規劃、礦井設計和采礦生產的關鍵操作自動化而設計開發的軟件系統。Gemcom Software 桌面系統集成了開放數據庫、多種應用程序、無線技術和網絡商業化智能系統， 為用戶提供高級的決策支持手段，能夠規劃、管理和監督采礦生產，減少采礦風險和降低成本，是新一代采礦工程企業級解決方案。Gemcom 軟件通過鉆孔、點、多邊形等數據，利用大量的實用的圖形編輯和生成工具，顯示鉆孔孔位分布，運用不規則三角網建立Surface(表面)和Solid(實體)模型，運用多義線圈閉巖層和礦體邊界進行儲量和品位分析，提供了交互操作功能并允許用戶根據自己的經驗和專家知識勾畫地質模型，實現任意剖面切割任意角度觀察和實體與實體或實體與表面的交切與布爾運算等。

以上兩種軟件主要是瞄準采礦工程，能夠較好地滿足采礦工程活動中的礦產資源勘探和評價、地下礦井和露天礦坑設計和規劃、礦產資源管理和采礦生產管理等需求，但對于地質工程巖土體的建模與分析，針對性不強。

2.2 國內研究與開發現狀

TITAN三維建模軟件是由北京東方泰坦科技有限公司開發的TITAN地學綜合信息系統中的一個組件，是基于框架建模的思想研制開發而成的，利用平行或基本平行的剖面數據建立起三維空間任意復雜形狀物體的真三維實體模型。TITAN三維建模軟件的組成部分有：(1)剖面數據處理模塊，建立剖面數據，為建立三維實體模型提供由一系列平行的剖面組成的框架數據，數據剖面由多邊形、環和點元素組成；(2)對應關系處理模塊，建立剖面之間、多邊形之間、環之間和點之間的對應關系，為建立三維實體模型提供剖面間的一一對應關系，從而建立建模元素之間在三維空間中的聯系；(3)模型處理模塊，建立實體模型，用剖面數據和剖面間的對應關系建立起三維實體模型，并且可以對模型進行任意切割、計算面積和體積的處理。此軟件只是三維建模與圖形處理的引擎，適用面廣泛。但在面向具體專業時，需要添加或擴充專業模塊，比如工程地質專業模塊等。

張菊明等對風化帶分布、多層地層等地質信息的可視化和斷層錯斷巖層的表達和顯示的算法[1，2]進行了較為深入的研究。

縱觀國內外幾種軟件的研究與開發現狀，對于地質工程專業的復雜地質體建模與分析的針對性不強，沒有充分體現地質工程專業的特殊性，不能夠很好地滿足地質工程生產與研究的實際需要。

轉貼于 3 地質工程復雜地質體三維建模和可視化的關鍵技術問題分析

3.1離散數據的插值與擬合

地質信息的插值和擬合函數要根據實際勘測數據建立，實測數據越豐富精確，得到的地質模型越能夠真實描繪出這些信息的空間分布規律。對于不同的地質信息，需采用不同的擬合函數。地表地形測量數據(X坐標、Y坐標和地表高程Z)、地下水位埋深測量信息(地下水位測點地表X坐標、Y坐標和水位埋深h)等的曲面圖形生成可歸結為雙自變量離散數據的插值和擬合。空間曲面插值函數有以下構造方法，如與距離成反比的加權方法(Shepard 方法)，徑向基函數插值法(Multiquadric方法)[1]，平面彈性理論插值法[2]等，它們同樣適用于單個連續地層界面、地球物理勘探數據、地球化學勘探數據以及巖土體物理力學參數在地質體空間的分布。下圖（圖1）是通過離散數據的徑向基函數插值法繪制的地表曲面。

圖 1 通過離散數據的徑向基函數插值法繪制的地表曲面網格

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

3.2 三維數據結構

地質工程地質體一般是不規則形體，在計算機圖形學中曲線和曲面總是分別通過很多微小直線段和微小三角面逼近，來模擬地層巖性界線和巖層曲面，即巖層界面（和地表曲線、地下水位面等地質層面界線）和巖層曲面都分別是許多微小直線段和微小三角面的集合。這就要求必須具備有效的分層的三維數據結構，比如地質工程地質體空間中的點由有三位坐標分量表示，微小直線段由其兩個端點組成，地質層面界線由所有屬于該邊界的微小直線段組成，而巖層曲面由微小三角面組成。有效的三維數據結構能夠確保人機交互和查詢的實現。

3.3 曲面求交

地質體中存在大量各種層面，包括地表、地下水位面、地層層面等，當出現地層不整合、地層尖滅和地下水出露于河谷地表等情形時，就自然會遇到曲面間求交的問題；地質體三維模型的上部邊界是地表曲面，通過數學方法擬合出的巖層面或地下水位面不應超出地表曲面，即超出部分不應顯示。同樣的，當顯示多層地層時，下面的每一巖層應以其上一巖層為邊界。因此，為了可視化地層界面必須要解決地層面與地表或其他地層面的求交問題。另一方面，在剖面圖成圖時，地質界線的繪制是通過顯示剖面(平面)與各種地質界面(曲面)求交所得出的交線。因此曲面求交包括地質界面（層面）之間的相交，和地質界面與剖面的相交兩類問題。

3.4 三維拓撲結構分析

從地質學角度看，拓撲是地質對象間關系的表格，拓撲表存儲層位間上覆、下伏和交切等的地層學關系及地質空間位置關系。拓撲也可視為允許這些地質關系合理儲存的數據結構。例如，考慮多層地層，上一個巖層的底面和與其相鄰的下一個巖層的頂面是上下巖層這兩個實體的公共部分或共享邊界，它們之間的拓撲關系就是相鄰和同一的關系，在存儲數據時只存儲上一個巖層的底面或其相鄰的下一個巖層的頂面，即相鄰巖層的邊界曲面可以存為一個地層曲面，大大減少數據存儲量。評價地質模型系統的優缺點往往決定于描述地質對象所用的拓撲結構[3]。

3.5 可視化技術

地質工程復雜地質體可視化是利用計算機技術將工程勘測獲得的數據轉換為形象直觀便于進行交互分析的地下地質結構空間形態的立體圖和剖面圖形，其基礎是工程數據和測量數據的可視化〔4〕。利用可視化技術可以從龐大的地質勘測數據中構造出地質工程中對于邊破穩定性和地下硐室變形破壞等起關鍵作用的巖層和結構面，并顯示其范圍、走向和相互交切關系，幫助工程地質人員對原始數據做出正確解釋，繼而為工程地質分析具體問題提供決策支持。下圖（圖2）通過離散地表地形測量數據的插值計算并用不同顏色表達高程的差異達到山巒起伏和河流侵蝕切割山地形成河谷的狀態的可視化。

圖2 山巒起伏和河流侵蝕切割山地形成河谷的狀態的可視化

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

4 復雜地質體三維建模與可視化技術的初步開發與應用

4.1 地質工程復雜地質體三維建模與可視化的研究框圖

地質工程復雜地質體三維建模與可視化的研究框圖（圖3）如下：

基于離散采樣數據的插值與擬合的思想，即將離散數據轉化為連續曲線曲面， 地質工程

圖3 地質工程復雜地質體三維建模與可視化的研究框圖

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

復雜地質體三維建模與可視化的過程是，從勘探數據庫中提取各種地質信息的坐標位置及巖土體的物理力學參數，通過不同的擬合與插值函數得到地質層面(曲面)和地質實體的三維計算機圖形顯示，表達地質信息在研究區域內的分布規律。生成地質巖層面和地質實體后，實現從任意角度觀察建立的模型，實現根據指定的剖面走向、傾向和傾角生成垂直剖面。

4.2 初步開發與應用

4.2.1 工程勘測空間數據庫管理

工程勘測空間數據庫在收集整理現場勘測數據后錄入各分項數據表，這些數據表不僅包括地質信息的位置數據，更重要的是提供屬性數據。以地層巖性數據表為例，要求錄入鉆孔編號、巖層起始深度、巖層終止深度、層厚、巖性（地層名稱）、地層代碼（地層年代）、巖層走向、巖層傾向、巖層傾角、接觸關系、地質描述等數據。隨著工程勘測的進展，能夠方便地修改補充和管理勘測數據。下圖（圖4）是工程勘測數據庫中鉆孔地層系統數據表的管理界面。

4.2.2 三維地質立體圖

利用向家壩某壩址區工程勘測數據，建立了壩址區右岸三維立體地質圖。向家壩某壩址區自上而下地層巖性組合為：第四系崩破堆積物，侏羅系泥巖、粉砂質泥巖、泥質粉砂巖，三疊系上統厚至巨厚層狀細至中粒砂巖，三疊系上統薄至中厚層狀粉細紗巖、粉砂巖，三疊系上統中厚至厚層狀中粗砂巖。通過有限的工程勘測數據得出的立體圖，能夠較好地滿足工程地質的精度。下圖（圖4）表達了向家壩某壩址區右岸三維地質圖。

5 結論

（1）

地質工程復雜地質體的三維建模與可視化研究對于地質工程巖土體結構的研究、直觀表達地質體信息在地質工程巖土體中的分布規律和指導地質工程項目的勘測施工都具有重要意義。

（2）

地質工程巖土體是復雜的不規則形體，存在各種地質巖性層面和結構面，完全表達地

圖4 工程勘測數據庫中的鉆孔地層系統數據表的管理界面

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

圖5

向家壩某壩址區右岸三維地質圖

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

質信息及巖層和結構面間的位置、相互切割和組合關系，地質工程復雜地質體的三維建模與可視化研究是大有作為的。

參考文獻

（1）

張菊明. 三維地質模型的設計和顯示 [A]. 中國地質學會數學地質專業委員會. 中國數學地質(7) [C]. 北京：地質出版社，1996. 158—167.

（2）

張菊明，孫惠文，劉承祚. 局部間斷擬合函數在地質曲面分析和顯示中的應用[A]，中國數學地質進展(6)[C]，北京：地質出版社，1995. 14-23.

（3）

唐澤圣等. 三維數據場的可視化[M]. 北京: 清華大學出版社，1999. 130-135.

（4）

孟小紅，王衛民，姚長利等. 地質模型計算機輔助設計原理與應用[M]. 北京: 地質出版社. 2001. 4-8.

（5）

張生德，張時忠，門吉華. 可視化技術及其在地質勘探中的應用淺析[J]，地質勘探安全，2000(4).42-43.

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

篇3

關鍵詞：地質體 可視化技術

現有的地理信息系統(GIS)都主要表達二維的地表地物的圖形和屬性信息，要擴展到真三維包含地下地質結構的地質信息系統還有差距。一個大型地質工程項目從可行性研究階段、初步設計階段到詳細設計階段，乃至到工程運行期的管理與監測期，建設周期長，往往積累了大量的地質資料，用三維模型圖形圖像來表達、解釋和管理如此龐大的資料比光靠數據庫和圖表圖紙等傳統手段來得有效的多。建立地質工程復雜地質體的三維模型，處理巖層界面與結構面組合關系，逼真反映地下地質結構全貌，將為地質工程工作者分析研究工程地質現象和發現掌握巖土體結構規律提供一種嶄新的研究手段和研究方法。

一、復雜地質體可視化研究與開發現狀

TITAN三維建模軟件是由北京東方泰坦科技有限公司開發的TITAN地學綜合信息系統中的一個組件，是基于框架建模的思想研制開發而成的，利用平行或基本平行的剖面數據建立起三維空間任意復雜形狀物體的真三維實體模型。TITAN三維建模軟件的組成部分有：①剖面數據處理模塊，建立剖面數據，為建立三維實體模型提供由一系列平行的剖面組成的框架數據，數據剖面由多邊形、環和點元素組成；②對應關系處理模塊，建立剖面之間、多邊形之間、環之間和點之間的對應關系，為建立三維實體模型提供剖面間的一一對應關系，從而建立建模元素之間在三維空間中的聯系；③模型處理模塊，建立實體模型，用剖面數據和剖面間的對應關系建立起三維實體模型，并且可以對模型進行任意切割、計算面積和體積的處理。此軟件只是三維建模與圖形處理的引擎，適用面廣泛。但在面向具體專業時，需要添加或擴充專業模塊，比如工程地質專業模塊等。縱觀國內外幾種軟件的研究與開發現狀，對于地質工程專業的復雜地質體建模與分析的針對性不強，沒有充分體現地質工程專業的特殊性，不能夠很好地滿足地質工程生產與研究的實際需要。

二、地質工程復雜地質體三維建模和可視化的關鍵技術問題分析

2.1 離散數據的插值與擬合 地質信息的插值和擬合函數要根據實際勘測數據建立，實測數據越豐富精確，得到的地質模型越能夠真實描繪出這些信息的空間分布規律。對于不同的地質信息，需采用不同的擬合函數。地表地形測量數據(X坐標、Y坐標和地表高程Z)、地下水位埋深測量信息(地下水位測點地表X坐標、Y坐標和水位埋深h)等的曲面圖形生成可歸結為雙自變量離散數據的插值和擬合。空間曲面插值函數有以下構造方法，如與距離成反比的加權方法(Shepard方法)，徑向基函數插值法(Multiquadric方法)，平面彈性理論插值法等，它們同樣適用于單個連續地層界面、地球物理勘探數據、地球化學勘探數據以及巖土體物理力學參數在地質體空間的分布。

2.2 三維數據結構 地質工程地質體一般是不規則形體，在計算機圖形學中曲線和曲面總是分別通過很多微小直線段和微小三角面逼近，來模擬地層巖性界線和巖層曲面，即巖層界面（和地表曲線、地下水位面等地質層面界線）和巖層曲面都分別是許多微小直線段和微小三角面的集合。這就要求必須具備有效的分層的三維數據結構，比如地質工程地質體空間中的點由有三位坐標分量表示，微小直線段由其兩個端點組成，地質層面界線由所有屬于該邊界的微小直線段組成，而巖層曲面由微小三角面組成。有效的三維數據結構能夠確保人機交互和查詢的實現。

2.3 曲面求交 地質體中存在大量各種層面，包括地表、地下水位面、地層層面等，當出現地層不整合、地層尖滅和地下水出露于河谷地表等情形時，就自然會遇到曲面間求交的問題；地質體三維模型的上部邊界是地表曲面，通過數學方法擬合出的巖層面或地下水位面不應超出地表曲面，即超出部分不應顯示。同樣的，當顯示多層地層時，下面的每一巖層應以其上一巖層為邊界。因此，為了可視化地層界面必須要解決地層面與地表或其他地層面的求交問題。另一方面，在剖面圖成圖時，地質界線的繪制是通過顯示剖面(平面)與各種地質界面(曲面)求交所得出的交線。因此曲面求交包括地質界面（層面）之間的相交，和地質界面與剖面的相交兩類問題。

2.4 三維拓撲結構分析 從地質學角度看，拓撲是地質對象間關系的表格，拓撲表存儲層位間上覆、下伏和交切等的地層學關系及地質空間位置關系。拓撲也可視為允許這些地質關系合理儲存的數據結構。例如，考慮多層地層，上一個巖層的底面和與其相鄰的下一個巖層的頂面是上下巖層這兩個實體的公共部分或共享邊界，它們之間的拓撲關系就是相鄰和同一的關系，在存儲數據時只存儲上一個巖層的底面或其相鄰的下一個巖層的頂面，即相鄰巖層的邊界曲面可以存為一個地層曲面，大大減少數據存儲量。評價地質模型系統的優缺點往往決定于描述地質對象所用的拓撲結構。

2.5 可視化技術 地質工程復雜地質體可視化是利用計算機技術將工程勘測獲得的數據轉換為形象直觀便于進行交互分析的地下地質結構空間形態的立體圖和剖面圖形，其基礎是工程數據和測量數據的可視化。利用可視化技術可以從龐大的地質勘測數據中構造出地質工程中對于邊破穩定性和地下硐室變形破壞等起關鍵作用的巖層和結構面，并顯示其范圍、走向和相互交切關系，幫助工程地質人員對原始數據做出正確解釋，繼而為工程地質分析具體問題提供決策支持。通過離散地表地形測量數據的插值計算并用不同顏色表達高程的差異達到山巒起伏和河流侵蝕切割山地形成河谷的狀態的可視化。

三、復雜地質體三維建模與可視化技術的初步開發與應用

3.1 地質工程復雜地質體三維建模與可視化的研究 基于離散采樣數據的插值與擬合的思想，即將離散數據轉化為連續曲線曲面, 地質工程復雜地質體三維建模與可視化的過程是，從勘探數據庫中提取各種地質信息的坐標位置及巖土體的物理力學參數，通過不同的擬合與插值函數得到地質層面(曲面)和地質實體的三維計算機圖形顯示，表達地質信息在研究區域內的分布規律。生成地質巖層面和地質實體后，實現從任意角度觀察建立的模型，實現根據指定的剖面走向、傾向和傾角生成垂直剖面。

3.2 初步開發 工程勘測空間數據庫管理。工程勘測空間數據庫在收集整理現場勘測數據后錄入各分項數據表，這些數據表不僅包括地質信息的位置數據，更重要的是提供屬性數據。以地層巖性數據表為例，要求錄入鉆孔編號、巖層起始深度、巖層終止深度、層厚、巖性（地層名稱）、地層代碼（地層年代）、巖層走向、巖層傾向、巖層傾角、接觸關系、地質描述等數據。隨著工程勘測的進展，能夠方便地修改補充和管理勘測數據。

篇4

The Boundary Element

Method with Programming

2009

Hardback

ISBN 9783211715741

Gernot Beer 等著

邊界元法是有限元法的一種替代方法,富有吸引力。本書解釋了邊界元法(BEM)的理論知識,并將該方法應用到以FORTRAN95(該軟件可以免費下載)編制的計算機語言中,適用于彈性和塑形從潛在問題到靜態動態問題分析;關于大尺度問題提出了采用并行處理硬件以達到加速收斂的目的;也介紹了一些特別專題,如內含物、多相區和改變幾何尺寸。大多數篇章都介紹了實例,因此適合于教學應用。另外本書介紹了將邊界元法應用到工業問題。本書是為那些想了解邊界元法如何工作,如何解決實際問題的工程師和科研人員設計的,內容詳盡具體,容易理解。

本書第一作者Gernot Beer是格拉茨理工大學結構分析學院院長和教授,參與邊界元法的發展、教學和應用,邊界元法有限元法的耦合研究,并在這些專題上編寫了幾本教科書,是商業軟件BEFE的作者,該軟件的升級產品BEFE++的研發部長。第二作者Ian Smith是曼徹斯特大學的工程教授,對廣泛的工程問題進行咨詢工作,并且在應用數值分析方面編寫教科書。他是Christian Duense 格拉茨理工大學結構分析學院的研究員,自從畢業后就一直從事邊界元法的研究工作和邊界元法在特殊管道內的巖土問題中的應用。

本書內容包括18章。1.前言;2.程序設計;3.離散化和插值法;4.材料建模和基礎解;5.邊界積分方程;6.邊界元方法――數值應用;7.匯編和求解;8.逐元素技術和并行程序;9.后處理;10.實例;11.多重區域;12.角問題處理和改變尺寸;13.體積力;14.動力學分析;15.非線性問題;16. 耦合邊界元/有限元分析;17.工業應用;18.高級專題。

本書是作者于2001出版的《邊界元法編程》的續集,但是本書涉及的問題要比《邊界元法編程》豐富很多,重點解釋了邊界元法的理論和邊界元方法在計算機上實現的程序編制,理論解釋采用工程方法而不是數學方法,因而更容易為工程師和科研人員理解。此外,本書還介紹了設置并行程序軟件進行計算,可以在很短的時間,例如15-30分鐘內,完成20000單元問題的計算,并得到有效的結果。

與有限元方法相比,由于從事邊界元法的工作人員很少,該方法的發展落后很多,但是邊界元法的魅力是無窮的。

賈紅書 ,博士生

(中國科學院理化技術研究所)

篇5

【關鍵詞】MicroMine礦業軟件;數字化礦山;應用

隨著我國工業化進程的加快，礦產資源處于急劇消耗的狀態，為了提升開礦的經濟效益，確保開采礦物資源的安全性，礦山設計和管理人員努力改革采礦的技術，數字化礦山由此產生。數字化礦山可以在同一的時間和空間框架中，對各類礦山信息進行合理組織，實現礦山資源的有序管理。建設數字化礦山主要包括礦山地質信息以及選礦、采礦等礦山各個生產工藝的內容，會最終把所有的應用系統、數據、部門進行企業級的集合與共享，創建更加自動化、智能化的礦山企業。數字化礦山主要有基礎信息化、管理信息化、作業信息化三個方面的內容。隨著計算機信息技術的不斷發展，三維GIS和數據庫技術逐漸成熟，采用三維建模受到人們的認可。基于三維可視化技術的MicroMine軟件可以對礦山資源進行精細的管理和分析，在礦山開采和管理中得到大力應用

一、簡述MicroMine軟件的功能

MicroMine軟件是由澳大利亞MicroMine礦業軟件郵件公司的一種大型礦業軟件，該軟件可以對地表數據進行處理、勘測分析地址數據等功能，是一套三維交互式軟件系統。MicroMine軟件采用模塊化的結構，幫助用戶進行地質勘探、資源評估、儲量估算、采礦設計等方面。該軟件運用最為先進的三維引擎技術，根據地質數學、圖形學、地質統計學等為理論基礎創建一套包括地質勘探數據解釋、礦產資源評估。三維建模等功能的三維礦業軟件。MicroMine軟件采用模塊化構建模式，主要劃分為核心模塊、測量模塊、地勘模塊、資源評估模塊、線框模塊、采礦模塊、漏填境界優化模塊機制圖模塊類。MicroMine主要進行野外數據的收集、地下、露天爆破設計、三維可視化顯示、經濟評價等。

二、MicroMine軟件應用在數字化礦山設計中

（一）創建地質數據庫

MicroMine可以采用不同的數據形式實現地質信息的存儲和管理，數據庫的數據類型主要分為勘探數據和刻槽數據兩種。運用勘探模塊可以對勘探的數據進行編錄、分析等功能，形成的地址數據庫可以顯示再去愛三維空間之內，也可以把顯示風格修改清晰掌握礦山地質勘測的成果資料。

（二）建立礦體三維線框模型

線框模型也被稱作實體模型，該模型可以描述三維空間之內物體的幾何狀態，是判斷礦體。地形、巖層采場通用的一種技術，作為MicroMine三維模型的基礎。礦體的模型必須創建于地質數據的基礎之上，根據勘測標準規定中的相關原則，根據各個勘探線的范圍進行切剖面，從而生成各個剖面圖，各個相鄰剖面之間可以采用多種線框相互連接的辦法進行反復推敲。礦體模型生成之后，可在不同方向進行切剖面，生成切剖圖形，方便采用機構布置巷道工程時進行參考。

（三）建立地表DTM模型

創建地表模型可以把目前地形圖內所包含的地表測量數據導進軟件之中，采取相應的修改，建立DTM所獲取的地表地物。MicroMine最新版本添加了航拍圖片的導入性能，可以有助于DTM 模型更加接近實際。

（四）建立空塊模型

MicroMine軟件建立的空塊模型采用了精確、完善的地質統計學插值法，各個塊的屬性可以進行描述或量化，這里的屬性是指礦石的治療、比重等，空塊模塊重要的功能是其可以規定的區域內及時生產用戶所需的體積、噸位等方面的情況，隨之展開資源儲量的合理評估，達到靈活約束下建立統計報告的能力。

（五）地下采礦與露天采礦的設計

合理運用三維工具完成軟件地下采礦的設計，在屏幕上可以進行數字化，有比較強的點、線工具，可以根據工程的中心線，加之斷面形狀和尺寸便于生成工程實體。采礦設計主要劃分為開礦運輸設計、開采進度編排、爆破設計等多個方面。MicroMine軟件自帶的露天開采設計工具可對采礦場與堆場進行由下向上的交互式設計，用戶可以自如的對道路、臺階寬度、邊坡坡度等展開參數設計。采礦過程中的各項標準可以隨時更改，在對不同區域的礦坑進行設計時，邊坡坡度的大小由地質信息決定，MicroMine也有界面優化的功能，得出各不相同的露天境界。

三、MicroMine軟件應用在數字化礦山管理中

（一）礦山生產進度編排

MicroMine軟件可以解決開采過程中物質多樣性、采礦地點多樣性、目標多樣性等情況，可以隨時跟蹤整個開采過程，依照開采技術與采掘現狀進行調整，確保礦山安全開采直至完工。

（二）巷道地質編錄管理

MicroMine軟件可以創建生產時期的地質數據庫，來達到對地質信息的綜合管理，可以把巷道地質編錄中獲取的地質信息在軟件中加以整合，有助于描述礦體的分布狀態，創建出礦石品位分布特征的礦石模型，很好的對采掘進程計劃加以指導。

（三）確保礦山井巷工程的可視化管理

井巷工程可視化管理對于礦山的安全生產發揮著不可替代的作用。MicroMine軟件從設計說明中獲取有關參數，并根據地質編錄數據創建適用于井巷工程實時監控所需要的數學模型，對礦山井巷運輸、開拓等展開全面的管理和監控，對整個采掘進度進行指導。

四、MicroMine軟件創建大紅山實體模型

建立礦體模型是創建整個模型最主要的部分之一，大紅山銅礦的實體模型創建步驟為：先在AutoCAD中劃分化圖層，再把已經編輯好的各個剖面圖導入到MicroMine軟件之后走，隨后把平面坐標之下的各個剖面圖采用坐標系統轉換到實際的位置。在MicroMine軟件中，再次對各個剖面的礦體邊界展開圈定及閉合。大紅山需要進行圈定的剖面很多，礦體從上到下共有Ic、I3、Ib、I2、Ia、I1、I0共有七個群如圖1。把各個礦體邊界線依次調入在三維軟件中，依照相關的平面圖根據礦體的對應連接關系，把兩個相鄰剖面連接起來。把那些一側或兩側沒有對應連接的剖面礦體，根據地質平面圖的情況進行閉合，依次類推，達到創建全部礦體實體模型的目的。

圖1 大紅山銅礦7個礦體邊界線簡圖

五、結束語

綜上所述，采用MicroMine軟件可以方便、直觀的圈定礦體的三維立體模型，快速完成數字化礦山的建設目標。MicroMine軟件的應用不僅可以實現礦山數字化、信息化、智能化的管理，也可以提升開礦的安全性和生產效率。

參考文獻

[1]李緒蛟.MicroMine軟件在數字化礦山開發中的應用[J].科技致富向導，2012（18）：240.

[2]王國清，張濟文，孫博等.利用礦業軟件Micromine研究與實踐[J].中小企業管理與科技，2013（22）：285-285，286.

[3]賀明貴.Micromine三維礦業軟件應用實例研究[J].中國新技術新產品，2013（17）：33-34，35.

[4]趙艷偉，汪德文，孫進輝等.基于MicroMine的三維可視化地質建模研究[J].中國礦山工程，2011，40（5）：4-7.

篇6

關鍵詞：電阻點焊；神經網絡；消音鋸片

0序言

電阻點焊過程是一個高度非線性，既有多變量靜態疊加又有動態耦合，同時又具有大量隨機不確定因素的復雜過程。這種復雜性使得傳統方法確定最佳工藝參數存在操作復雜、精度低等缺陷。

本文通過深入研究提出了一種神經網絡優化消音鋸片電阻點焊工藝參數方法。以試驗數據為樣本，通過神經網絡，建立焊接工藝參數與焊接性能之間的復雜模型，充分發揮神經網絡的非線性映射能力。為準確預測點焊質量提高依據。在運用試驗手段、神經網絡高度非線性擬合能力結合的方式，能在很大程度上克服傳統方法的缺陷，完成網絡的訓練、檢驗和最優評價，為電阻點焊過程的決策和控制提供可靠依據。

1原理

人工神經網絡是用物理模型模擬生物神經網絡的基本功能和結構，可以在未知被控對象和業務模型情況下達到學習的目的。建立神經網絡是利用神經網絡高度并行的信息處理能力，較強的非線性映射能力及自適應學習能力，同時為消除復雜系統的制約因素提供了手段。人工神經網絡在足夠多的樣本數據的基礎上，可以很好地比較任意復雜的非線性函數。另外，神經網絡的并行結構可用硬件實現的方法進行開發。目前應用最成熟最廣泛的一種神經網絡是前饋多層神經網絡（BP），通常稱為BP神經網絡。

神經網絡方法的基本思想是：神經網絡模型的網絡輸入與神經網絡輸出的數學關系用以表示系統的結構參數與系統動態參數之間的復雜的物理關系，即訓練。我們發現利用經過訓練的模型進行權值和閾值的再修改和優化（稱之為學習）時，其計算速度要大大快于基于其他優化計算的速度。

BP神經網絡一般由大量的非線性處理單元——神經元連接組成的。具有大規模并行處理信息能力和極強的的容錯性。每個神經元有一個單一的輸出，但可以把這個輸出量與下一層的多個神經元相連，每個連接通路對應一個連接權系數。根據功能可以把神經網絡分為輸入層，隱含層（一或多層），輸出層三個部分。設每層輸入為ui(q)輸出為vi(q)。同時，給定了P組輸入和輸出樣本 ，dp（p=200）。

（6）

該網絡實質上是對任意非線性映射關系的一種逼近，由于采用的是全局逼近的方法，因而BP網絡具有較好的泛化的能力。

我們主要是利用神經網絡的非線性自適應能力，將它用于消音鋸片的電阻點焊過程。訓練過程是：通過點焊實驗獲得目標函數與各影響因素間的離散關系，用神經網絡的隱式來表達輸入輸出的函數關系，即將實驗數據作為樣本輸入網絡進行訓練，建立輸入輸出之間的非線性映射關系，并將知識信息儲存在連接權上，從而利用網絡的記憶功能形成一個函數。不斷地迭代可以達到sse（誤差平方和）最小。

我們這次做的消音金剛石鋸片電焊機，通過實驗發現可以通過采用雙隱層BP神經網絡就可以很好的反應輸入輸出參數的非線性關系。輸入神經元為3，分別對應3個電阻點焊工藝參數。輸出神經元為1，對應焊接質量指標參數。設第1隱含層神經元取為s1，第2隱含層神經元取為s2。輸入層和隱含層以及隱層之間的激活函數都選取Log-Sigmoid型函數，輸出層的激活函數選取Pureline型函數。

2點焊樣本的選取

影響點焊質量的參數有很多，我們選取點焊時的控制參數，即點焊時間，電極力和焊接電流，在固定式點焊機上進行實驗。選用鋼種為50Mn2V，Φ600m的消音型薄型圓鋸片基體為進行實驗。對需要優化的參數為點焊時間，電極力和焊接電流3個參數進行的訓練。最后的結果為焊接質量，通常以鋸片的抗拉剪載荷為指標。

建立BP神經網絡時，選擇樣本非常重要。樣本的選取關系到所建立的網絡模型能否正確反映所選點焊參數和輸出之間的關系。利用插值法，將輸入變量在較理想的區間均勻分布取值，如果有m個輸入量，每個輸入量均勻取n個值（即每個輸入量有m個水平數）， 則根據排列組合有nm個樣本。對應于本例，有3個輸入量，每個變量有5個水平數，這樣訓練樣本的數目就為53=125個。

我們的實驗，是以工人的經驗為參考依據，發現點焊時間范圍為2~8s，電極力范圍為500~3000N，點焊電流范圍為5~20kA時，焊接質量比較好。我們先取點焊電流，電極力為定量，在合理的范圍內不斷改變點焊時間，得到抗拉剪載荷。如此，可以得到不同點焊電流和電極力的抗拉剪載荷。根據點焊數據的情況，我們共選用200組數據。部分測試數據如表1：

神經網絡建模的關鍵是訓練，而訓練時隨著輸入參數個數的增加樣本的排列組合數也急劇增加，這就給神經網絡建模帶來了很大的工作量，甚至于無法達到訓練目的。

3神經網絡

我們用200組訓練樣本對進行神經網絡訓練，以err_goal=0.01為目標。調用Matlab神經網絡工具箱中的函數編程計算，實現對網絡的訓練，訓練完成后便得到一個網絡模型。

程序

x1=[2.1 2.5 3 3.5 4……]； %點焊時間輸入，取200組

x2=[1.3 1.5 1.9 2.1 2.3……]；%電極力輸入，取200組

x3=[9 10 11 12 13……];%點焊電流輸入，取200組

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

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

%初始化網絡 轉貼于

net.trainParam.goal = 0.01;%設定目標值

net=train(net，[x1;x2;x3]，y);%訓練網絡

figure； %畫出圖像

選取不同的s1，s2，經過不斷的神經網絡訓練，發現當s1=8，s2=6時，神經網絡可以達到要求。工具箱示意圖如下圖1。

圖 1工具箱示意圖

工具箱示意圖非常清晰地表示了本實驗的神經網絡的輸入，輸出以及訓練的過程。

神經網絡的訓練結果，如圖2所示:

圖2神經網絡的學習過程

圖中可以看出雙層網絡訓練的sse在訓練100次時，已經接近0.0001，效果較理想。

為了驗證經過訓練的網絡模型的泛化能力，在輸入變量所允許的區域內又另選多個樣本進行了計算。發現：利用BP神經網絡模型計算的測試輸出與期望輸出值相符，誤差小于2％。

在已經訓練好的網絡中找出最大值：

for i=2:10 %點焊時間選擇

for j=0.5:0.1:3%電極力選擇

fork=5:0.1:20%點焊電流選擇

a=sim(net，[i，j，k])；%仿真

ifan %比較仿真結果與最大值，取最大值n=a；

i(1)=i；%最大值的時間

j(1)=j；%最大值的電極力

k(1)=k； %最大值的電流

end

end

end

end

將i（1），j（1），k（1）以及n輸出，n為最大值。得到點焊時間為3.4s，電極力為12.7kN，點焊電流為11.8kA，此時的抗剪拉剪載荷為4381N，為訓練結果的最大值。將點焊時間為3.4s，電極力為12.7kN，點焊電流為11.8kA在點焊機上進行實驗，得到結果為4297N。并且通過與實際的結果相比較，發現誤差也在2%以內。

4結論

1）本文采用了插值法作為選取BP神經網絡訓練樣本的方法。并且在數據變化劇烈的地方多選取了75組數據，這樣可以得到較高精度的網絡模型，使點焊模型的可行性。

2）基于此方法建立了三個點焊參數的BP神經網絡模型，而且所建的BP模型具有較高的精度，可以很好的描述了這三個點焊參數與點焊質量的映射關系。

3）由于神經網絡模型將系統結構參數與傳統動態特性參數之間的物理關系，反映為神經網絡模型的網絡輸入與網絡輸出的數學關系，因此，在神經網絡模型上進行結構修正與優化比在其他模型上更直接，簡單與高效。

本文采用神經網絡的方法優化復合消音鋸片的點焊工藝參數，為分析點焊質量提供了很好的輔助手段。通過與以前工藝相比較，提高了點焊質量。

參考文獻

[1] 方平，熊麗云.點焊電流有效值神經網絡實時計算方法研究.[J].機械工程學報，2004（11）.148-152.

篇7

關鍵詞：計算機 化工 設計

1.課程建設的基本思路

在今后的《計算機輔助化工設計》課程教學工作中，教師要注意把最新教學研究成果和學科最新發展成果引入教學環節;要以現代的眼光審視、選擇和組合好教學內容，課程內容的基礎性和先進性關系要處理得當;在教學過程中，教師要理論聯系實際，融知識傳授、能力培養、素質教育于一體，提高教書育人效果。

2.項目建設目標

2.1總體目標：以全面推進素質教育為目標，以培養學生創新精神、創新意識、提高學生實踐能力為重點，構建計算機輔助化工設計課程新的教學體系，力求將課程質量和教學質量達到一個嶄新的高度。

2.2階段目標：進一步增強學生對化工過程進行數學建模的能力;進一步增強學生編制、調試計算機程序的能力;進一步增強學生應用和開發化工模擬軟件Aspen Plus[1]、Pro II[2]、ChemCAD[3]等的技能和能力;進一步增強學生使用化工計算機集散控制系統（DCS）[4]仿真軟件的能力。

2.3預期成果：課程理論、實驗教學內容更新完成，開設網絡課堂;完善教學大綱、電子教案、習題集、試卷庫、上機實驗指導書。

課程建設完成后，不僅可以為化工專業學生服務，也可以為其他相關專業：如過程裝備與控制專業、無機非金屬材料工程專業和應化專業服務，還可以為社會用戶提供工廠流程仿真軟件的培訓服務。

2.4建設內容

2.4.1理論教學內容：主要分為三大部分，一部分是計算數學的部分內容，包括方程求根、線性方程組求解、插值法、曲線擬合法、數值微分、數值積分等，另一部分包括各單元操作（如流體輸送、傳熱、精餾、吸收與分離等）、化學反應器的計算機編程設計和計算。第三部分是化工專業軟件介紹。第三部分需要新編講義和課件。

2.4.2實驗教學內容：主要分為三部分。一是matlab語言[5]程序上機實驗。結合理論教學的內容，在實驗教學中注重讓學生正確掌握matlab語言程序上機實驗的基本方法和基本技能，加深學生對計算機輔助化工設計理論教學內容的理解，增強學生動手編程的能力，并培養學生嚴謹的科學態度和良好的上機實驗作風。二是化工模擬軟件Aspen Plus、Pro II、ChemCAD等的使用技能上機訓練。結合理論教學的內容，加強綜合性、探索性的模擬軟件流程的上機實驗訓練，培養學生的科研能力，使學生了解化工領域更多的最新研究成果。三是化工廠的計算機集散控制系統（DCS）仿真操作訓練。在學生掌握Aspen Plus軟件的穩態流程使用技能的基礎上，培養學生上機使用動態化工流程的計算機仿真軟件技能，培養學生操縱化工廠集散控制系統（DCS）計算機界面能力，提高學生實時處置復雜動態流程的技能。

2.4.3改善革新教學方式是本課程建設的重點。a.教學過程不只是一個教師講、學生聽的過程，還要加強師生思想溝通、感情交流，做到教學相長。b.完善現有的多媒體教學方式，提高學生的學習興趣和學習主動性;實現課程上網，盡快實現網絡互動教學。c.理論教學與實驗教學相結合，更注重通過綜合性、探索性實驗教學環節提高學生的質疑能力、分析和解決問題的能力，培養學生的創造性，訓練學生的科研能力。

2.4.4本課程建設的特色如下：1）建立了全新的課程體系。本課程系根據我院工科院校的性質，針對各專業的特點，通過三年的教學實踐，優化了教學內容，完善了課程體系，提高了教學效果。2）教學指導思想明確，教學力量較強。緊密結合專業需求，針對性開展教學和教研活動;師資隊伍職稱結構、學歷結構、年齡結構合理。3）教學手段和方法多種化。初步建立計算機輔助化工設計立體教學體系，充分運用現代教學手段，推動教學改革，提高教學質量。4）注重理論教學與實驗教學的呼應，強化上機實驗教學對理論教學的促進作用。

3.總結

在今后的《計算機輔助化工設計》課程教學工作中，還需要不斷完善普通化學實驗室的軟硬件設施和條件，提高任課教師參與實驗教學的積極性，克服擴招后專職實驗人員數量相對短缺的問題。

教師要注意把最新教學研究成果和學科最新發展成果引入教學環節;要以現代的眼光審視、選擇和組合好教學內容，課程內容的基礎性和先進性關系要處理得當;在教學過程中，教師要理論聯系實際，融知識傳授、能力培養、素質教育于一體，提高教書育人效果。

參考文獻

[1]張治山，楊超龍.Aspen Plus在化工中的應用[J].廣東化工，2012，39（3）：77-78

[2]屈一新，《化工過程數值模擬及軟件》[M].化學工業出版社， 2006.5

[3]汪申，《ChemCAD典型應用實例（上）―基礎應用與動態控制》[M].化學工業出版社，2006.5

[4]凌志浩，《DCS與現場總線控制系統》[M].華東理工大學出版社，2008.9

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【關鍵詞】ANSYS；水閘可視化；有限元

現今，社會科技的發展離不了機械技術的強有力的支持，如何又快又好的使用機械設備，使得這些大型的機械設備能發揮出最大的功效，是作為一名技術人員一直追求要完成的任務。我們發現，在創造了水閘可視化技術后，很多機械中的人力無法完成的任務，通過這一新興技術就可以很好的解決。下面我們就基于ANSYS的有限元的水閘可視化系統進行分析、討論。

1 基于ANSYS的水閘可視化系統作用

有限元方法在機械使用中大多作為一種檢測工作，在機械出現小故障時，該技術使用的較為普遍，它可以將機械系統中的小構件聯接在一起，實現了機械體系的完整性。增強了機械整體的剛度，控制了構件于構件之間的緊密性，使得機械在使用中的效率更高。在這里我們所說的有限元方法是采用可視化的方式進行工作的，它是結合了視覺觀察的思想概念，結合了可視化裝置和輔助指導裝置進行的水閘的控制工作。這里談到了可視化裝置是由四個顯示屏分為兩組，做交替的監控循環，這些元件在監控的操作下，不斷的完成動力控制的功能，最終促使輔助指導裝置運行。

用ANSYS進行閘室結構分析需要創建有限元模型（創建幾何模型，劃分網格）、施加荷載并求解、查看結果建三個步驟進行。采用ANSYS中的求解器和細部分解后處理器。通過表示模型顯示閘室結構，分析幾何模型，同時將資料以*.db文件的形式保存在ANSYS核心數據庫中，并通過閘室結構分析表示模型顯示其應力及變形情況，這些可在ANSYS的后處理部分實現。ANSYS和材料力學方法盡管在上下游側計算結果有所不同：上游側材料力學方法比ANSYS計算的應力值大，而在下游側材料力學方法比ANSYS計算的應力值小，但相差不大，最大誤差百分比為5%，在誤差的范圍內不會出現很大幅度的波動。在設計系統的開發使用的過程中，上下游閘門出的材料結構的力學模型構建出的力矩值都會比使用ANSYS計算的應力值大， 最大誤差百分比13%，而在閘門中部會出現一定的波動現象，但是出現的波動不會太大，我們常常可以忽略不計。通過這樣大量的數學計算可以看出，對于閘墩底部應力，將閘墩從閘室分離出來，按照平面的材料力學方法進行計算，引起的誤差不大，使用可視化設計的水閘系統的可靠性非常的高。

2 水閘可視化基于ANSYS的有限元方法分析

以目前國內的水利機械使用情況來看，對于有限元方法的使用存在著很大的漏洞，最主要的原因就是可視化模型在使用中出現損壞的情況較為嚴重。經過技術分析，得出造成損壞的最主要的原因還是模型在受力上的影響。過去設計可視化都是處于經驗方面的總結，很難在細節上有很大的創新，往往在一些重點的可控部位沒有設置合理的材料進行監控和管理。當引進了基于ANSYS的有限元方法后，我們可以通過計算機軟件改變設計中出現的缺陷。

2.1 使用ANSYS的有限元軟件分析閘門受力情況

在有限元方法的使用中，模型主要受到來自彎扭方面的應力，而不是常常認為的軸向受力。通過有限元軟件可以計算出模型在受彎扭變形時的應力變化，根據這些應力變化數據我們可以在閘門設計出具體部位使用材料的指導書。適當的加大模型的體積，就可以很好的降低有限元方法的輸出扭轉率。通過改變有限元方法的結構設置，可以起到很好的質量比重，這些對于閘門系統的長期使用和增加使用壽命都有很大的幫助。

我們以某市的排澇閘門設計為例進行說明：

在根據當地的水文情況，結合地質信息，考慮到閘門設計前的滲流情況，在可視化系統的完善中，取得地下水位-2.5m，將設計空洞變成四孔閘門，通過有限元軟件的計算，得到閘門受力部位的荷載圖。見表1。

表1 上部荷載列表

從外河側到內河側，取0.2，0.4，0.6，0.8閘身長的截面，按彈性地基梁計算底板內力。外河側彎矩取0.2截面彎矩值，內河側彎矩取其余三個截面絕對值較大的彎矩值。對穩定計算荷載加上荷載系數后，重新進行控制工況穩定計算，這樣求得的地基反力用來計算結構內力，最后進行配筋計算。為安全起見，將完建工況也列入彈地基性梁的計算，求彎矩包絡。

表2 彎矩包絡

通過在包絡圖的指導下，建立有效的可視化系統，形成更好的工程實例方案。

2.2 詳解使用有限元分析下的閘門可視化系統

基于ANSYS的有限元的分析軟件，旨在將構件劃分為多個單元，對于復雜的構件變為多個不同單元，可以簡化計算過程，還能夠對構件的使用性能更加的了解。將有限元方法的整體結構細化為12個獨立的單元體，每個單元體處于不同的區域之內，在受力的情況下，記錄下每個構件的承載情況，建立起合適的數學模型。

3 水閘可視化系統的具體操作

利用ANSYS的有限元是基于構造物的幾何形狀進行衍生出來的，它可以是采用自上部結構而往下下（直接生成體或面）或自下部結構而往上（依次生成點、線、面、體），然后再對該實體模型進行網格，這樣的好處是不怕破壞構造物的整體框架，又可以在最簡短的時間內建立水閘系統最本質的三維圖形。

在實際的水閘設計案例中我們對水閘基礎做出相應的介紹。其閘室的類型多為一孔一聯的模式，對于計算過程中，為了更加的簡單，不設置鋪蓋，在對于滲流的計算中采用插值法，可視化的計算略去了閘門頂部的重量，直接以閘門槽中減少的面積作為運算數據，沒有地震方面的荷載值，設計過程中模擬閘門運行的狀態，考慮到設計水位的變化，閘門同時受到上下游水位高低的影響，充分在有限元中考慮到水重、閘門重量、地基承載力以及地基反力。

利用模擬概念生成閘門效果法。在ANSYS中直接把模型中的可視化以創建多個控制點單元的形式表達出來，構建最初的有限元模擬模型。在定義ANSYS模擬概念模型之前，必須確定每個閘門控制點的位置，這也就是定義的初始點概念，把每個點的特性分析清楚，包括控制點的形狀、大小、方位以及點與點之間連接的頻率。

4 結束語

在水閘可視化使用ANSYS還會存在一定的不足，比如圖形導入的時候，相應的數值會出現亂碼的現象，或是導入的圖像邊緣有銳化的現象，數據可以根據我們后期的要求進行修改。但是銳化的現象就很難做處理，不過這對設計沒有很大的要求。建模的整個過程是非常復雜的過程，要理清各個控制點的具體參數指標，整體的把握邊界條件，建立出的閘門模型有的時候還不能完全的代表系統本身的特性，我們就需要在多個方面進行改進。根據對閘門可視化工作狀態的了解，可以使上文提到的模擬概念生成的效率大大提高，對于設計上也減輕了工作量，確保了設計中水閘可視化在關鍵技術上的控制和相關的可靠性大大提高。

參考文獻：

[l]左東啟，王世夏，林益才.水工建筑物[J].河海大學出版社，2005（17）.