[发明专利]一种面向地质结构力学分析的复合场网格构造方法

说明书

本发明公开了一种面向地质结构力学分析的复合场网格构造方法，用于石油矿藏和地质勘探相关领域三维地质建模，地质结构力学分析。该方法针对三维地质结构复杂边界描述，定义了一种复合场网格结构用于描述地质体几何外形。复合场网格模型通过对笛卡尔网格单元分类，定义复合单元，边界单元和基本单元集合。在复合单元区域通过局部构造实体几何树组织局部多符号距离场，能够在单个复合场网格模型上实现多个标量场复合以精确表达实体局部几何特征。网格结构便于通过布尔运算构建，实现了笛卡尔网格上复杂边界实体精细描述，可提高地质体结构力学分析相关领域数值模拟计算精确程度。

技术领域

本发明涉及三维地质几何建模与力学分析计算领域，其目的是设计一种可应用于地质体结构力学分析的复合场网格构造方法，具体包括复合场网格结构设计以及根据输入地质体边界面网格构建复合场网格模型。

背景技术

三维地质结构力学分析与模拟计算，通常都需要利用几何建模技术，设计相应的数据结构描述和表达三维地质体几何外形。一般情况下，针对地质体的几何建模方法大致可分为显式网格几何建模与隐式几何建模方法两类。显式网格方法由于布尔运算过程复杂，在面对复杂地质构造时往往难以奏效，因此，在工程地质建模领域，隐式几何建模技术得到广泛应用。

目前，最广泛和实用的隐式几何模型为水平集模型，其通过在网格结构上创建标量场的形式定义离散隐函数描述几何形体，实体表面为隐函数的等值面。水平集模型的隐函数场一般选用笛卡尔网格上的符号距离场，单元顶点采样的隐函数值为顶点到实体边界的符号距离值。采用水平集模型进行地质体几何建模，地质体外形表达受限于网格分辨率，因此模型造型能力有限。此外，由于采用插值方式计算模型内点的隐函数值，而插值计算对模型等值面有光滑效应，水平集模型无法表达地质体边界的尖锐和窄薄细节，在地质建模过程中也经常丢失几何特征信息。

发明内容

本发明旨在设计复合场网格模型构造方法，提高地质结构力学分析领域地质体几何外形描述精确程度。输入条件为描述地质体边界面的多边形网格集合，以此构建地质体边界面符号距离场并进一步生成复合场网格。复合场网格结构能够表达实体表面尖锐和窄薄几何特征，实现了在笛卡尔网格上对复杂地质结构的精确描述。

本发明为了达到上述发明目的采用技术方案是：提供了一种面向地质结构力学分析的复合场网格构造方法用于描述地质体几何外形，应用于地质建模，地质结构力学分析与计算领域。其特征包括以下步骤：

步骤A：输入描述地质体边界面的多边形网格集合，每个多边形网格对应一个地质体边界面；

步骤B：针对每个地质体边界面网格构建原点，单元宽度和分辨率相同的笛卡尔网格上符号距离场集合。

步骤C：对每个符号距离场根据笛卡尔网格单元顶点存储标量值标记边界单元和基本单元。

步骤D：采用构造实体几何法，从各个符号距离场开始根据构造实体几何树自底向上不断执行对应位置单元之间布尔运算，将各个单元内标量场复合到一个笛卡尔网格上构建最终复合场网格模型描述地质体几何外形。

所述复合场网格模型通过对笛卡尔网格单元分类，创建复合单元，边界单元和基本单元集合以描述地质体几何外形。边界单元和基本单元通过在每个单元顶点处存储单个标量值定义单个标量场，其中基本单元远离地质体边界，其内部标量场可判断区域是否在地质体内部，边界单元内标量场描述单个地质边界面。复合单元顶点存储多个标量值以定义多个标量场，其内部设置局部构造实体几何树对各个标量场复合从而表达多个地质边界面相互作用。复合场网格模型通过在复合单元内对符号距离场局部复合的方法，实现了局部复杂地质构造的精确几何建模。

所述步骤A进一步包括：将存在外部文件的多边形网格集数据读入内存，网格顶点，网格单元与顶点之间拓扑关系，标记每个网格对应地质边界面。网格顶点包含其位置几何信息，网格单元包含几何或与顶点之间的拓扑信息；其在计算机内存中的数据组织方式是通过计算机语言实现的数据结构。