三维模型有限元（精选十篇）
三维模型有限元 篇1
1 材料与方法
1.1实验基础
本实验是在文抑西等［11］建立的腭裂上颌骨复合体三维有限元模型的基础上, 增加新的力学条件进行进一步研究。
PC设备: Intel ( R ) Pentium ( R ) Dual-Core CPU2. 20 GHz, 1. 86 GB内存, Windows XP操作系统, 建模及分析软件Ansys 10. 0 ( 北京, 联想有限公司) 。
1. 2 腭板软组织范围
上颌腭板软组织, 即上颌骨腭突口腔侧软组织。范围: 前外界由牙槽突内壁包绕, 内侧为腭中缝, 后界至腭骨水平部前缘。
1. 3 建立腭裂腭板软组织结构模型
以文抑西等建立的腭裂上颌骨复合体三维有限元模型作为基础, 应用ansys软件提取出2 个腭板结构, 分别选中2 个腭板口腔面, 在此面上应用单元生长技术, 生长出3. 06 mm［12］厚度之体结构, 用以模拟上颌腭板软组织。再将腭板及其上长出的软组织附加在原腭裂上颌骨复合体模型上, 即完成腭板软组织有限元模型的建立, 如图1、2 所示。
1. 4 上颌腭板软组织三维有限元模型参数与网格化
设定软组织均匀一致, 厚度相等, 为线弹性材料属性。定义单元类型为solid45;材料属性:对腭板软组织弹性模量设定1.5 MPa, 泊松比0.49[13];实常数:3.06 mm[12];网格划分:采用Smart Size;得到可以进行应力分析的含有腭板软组织的腭裂上颌骨三维有限元模型, 如图3、4所示 (图4从腭板后缘可以看出模型分界, 两侧颜色不同, 是为了显示得更加清晰) 。
2 结果
2. 1 三维实体几何模型
实现上颌腭板软组织三维模型, 形态逼真, 模拟了解剖结构外形, 整体显示直观, 表面无过多简化。
2. 2 有限元模型
有限元模型的节点数与单元数 ( 表1) 。腭板软组织有限元模型外形逼真, 初步加载荷后具有良好的视觉效果, 显示了较好的顺应性和应变特征。
3 讨论
3. 1 有限元分析方法的特点
有限元分析 ( finite element analysis, FEA) ［14］是利用数学近似的方法对真实物体进行模拟并划分成有限个单元, 并利用该简单而又相互作用的单元, 通过有限数量的未知量去逼近无限未知量的真实系统。其中ANSYS则是目前应用最为广泛的有限元计算机程序, 该程序不仅具备计算精度高, 而且能适应各种复杂形状, 已经在于医学研究上广泛采用。
3. 2 面部软组织有限元模型的探索
Westermark等［13］在研究颌面部复合组织模型时, 把面部皮肤组织设定为均质线弹性材料的物质, 得出平均弹性模量为1. 5 MPa, 泊松比0. 49 的含有软组织的颅颌面三维有限元复合模型, 并用该模型模拟了颌面截骨术后之变化, 发现与术后15 例患者真实结果相似度很高。作者借用该思想, 将腭部软组织设定为均质线弹性材料属性模型, 为研究的可行性探索一种方法, 初步试验, 反映良好, 能够满足研究的需要。
3. 3 腭部瘢痕力的作用特点
有学者研究认为, 腭裂术后裸露骨创面和其他部位的创面愈合过程是相仿的, 都包含了创面收缩和瘢痕组织形成两个过程。组织愈合形成瘢痕组织, 并通过Sharpey's纤维牢固地附着在骨面上, 从而影响了上颌骨的生长发育［15］。Wijdeveid等［16］曾通过动物实验得出结论认为腭裂术后因为伤口的收缩、瘢痕组织牢固地附着于骨面上和瘢痕组织中缺乏弹力纤维、牙周纤维呈扇状进入瘢痕组织等方式, 抑制了上颌骨的生长发育。目前, 对腭裂术后瘢痕影响上颌骨形态的生物力学机制, 人们还知道得很少, 有必要进行研究。
3. 4 腭板软组织与上皮组织结构的相似性
以往对腭裂患者的腭板软组织研究很少, 故可将腭板软组织简化为一层具有特殊材料属性的物质。口腔黏膜的组织结构与皮肤基本相似, 也是由上皮和固有层构成, 其中上皮相当于皮肤的表皮, 固有层相当于皮肤的真皮［17］。因为上皮较薄, 在前期实验中, 作者把上颌腭板软组织简化为皮肤的真皮组织, 从而利用真皮组织的模型参数模拟上颌腭板软组织, 设定其为线弹性材料属性, 弹性模量选取1. 5 MPa, 泊松比0. 49［13］。并应用ANSYS软件有近似分析的特点, 作者把厚度不一的腭板软组织取平均数, 从而有效地建立模型并进行数据分析, 按照文献资料, 设定上颌腭板软组织厚度为3. 06 mm［12］, 能够保证研究顺利进行。
3. 5 腭裂术后瘢痕特点和模型要求
在完成的腭板软组织有限元模型的基础上, 遵循腭裂术后瘢痕组织的形成特点, 于腭板软、硬组织交界面间添加工况, 约束边界条件, 即可探究腭部瘢痕力对上颌骨的作用机制。瘢痕组织在形成过程中, 通过Sharp-ey's纤维组织牢固的附着于腭板软、硬组织之间, 借助纤维的挛缩, 产生持久而缓慢的作用, 对上颌骨产生瘢痕牵拉［18 －19］, 该种挛缩为直线形挛缩, 作者将其假设为一种类似弹簧单元的物质, 借助弹簧单元的属性特点, 得出弹性系数及形变量的大小, 即可进行瘢痕力的加载。上颌骨后部与颅骨相连, 位移形变不明显, 可以选中上颌骨后部的翼颌连接处为位移限定区。通过以上条件的设定, 进而去探究该种作用力对上颌骨的作用机制。
三维模型有限元 篇2
航空发动机转子叶片三维有限元振动特性分析
叶片是航空发动机的主要零件之一,结构及承载情况十分复杂.在实际使用中,由于叶片的振动破坏而造成发动机失效甚至飞机失事的例子时有发生.因此,对叶片的振动特性分析就显得尤为重要.根据叶片的实体结构建立了叶片的三维有限元模型,编制了叶片振动特性分析的有限元程序(Fortran语言,约8000余句).采用子空间迭代法计算叶片的频率.利用开发的`软件对影响压气机叶片振动特性的几个因素进行了分析.经算例考核证明,计算模型和程序是正确的、有效的,具有较高的计算精度.为转子叶片的疲劳损伤及可靠性分析,提供了一个有效的、灵活的研究手段,具有应用价值.
作 者：贺威 黄宝宗 HE Wei HUANG Bao-zong 作者单位：沈阳农业大学,高等职业技术学院,沈阳,110004刊 名：沈阳农业大学学报 ISTIC PKU英文刊名：JOURNAL OF SHENYANG AGRICULTURAL UNIVERSITY年，卷(期)：37(5)分类号：V232.4关键词：叶片 静频 动频 振动特性 有限元
大地电磁三维矢量有限元正演模拟 篇3
关键词：矢量有限元；大地电磁；正演模拟；张量阻抗
中图分类号：P631 文献标识码：A
文章编号：1674-2974（2016）10-0119-07
Abstract：Starting from the Maxwell equations， this article studied the boundary conditions of 3D MT. By using the weighted residual method， we derived the three-dimensional MT finite element equation. The three-dimensional vector finite element hexahedral meshing mode was introduced and the basis functions were selected. Then we derived the three-dimensional magnetotelluric vector finite element stiffness coefficient matrix and discrete format. A three-dimensional vector finite element magnetotelluric forward Matlab program was done. The apparent resistivity curve of the dimensional COMMEMI 3D-1 model matches the international standard test data， which proves the correctness of 3D magnetotelluric forward program. With the analysis of high and low resistivity anomalies， it shows that tensor impedance map can roughly determine the anomaly characteristics， which enriches the magnetotelluric response characteristics of expression.
Key words：vector finite element method；magnetotelluric； forward modeling； impedance tensor
大地电磁（MT）是以电离层激发的天然交变电磁场为场源，在地表观测相互正交的电场、磁场分量来获取地电构造信息的一种重要地球物理勘探方法[1].MT不需要庞大的发射源设备，只需采用比较轻便的接收设备，野外工作方便、成本低，被广泛应用于地壳和上地幔电性结构的研究，在石油天然气勘探、矿产资源勘探、工程与环境普查等领域，发挥着举足轻重的作用[2-9].可以预见，三维MT勘探技术是地球物理中深层领域的研究热点及今后MT的发展趋势，而三维MT正演是理解MT勘探物理现象并认识地质体电磁响应规律的有效手段，显然尤其重要.
尽管矢量FEM拥有诸多优点，但在地球物理的电磁法正演领域中，其应用并不多见，尚需要进一步完善.目前的研究主要包括：Yoshimura 等 [10]开展了矢量FEM的MT响应数值模拟，并将矢量FEM的计算结果与交错网格FDM的计算结果进行了对比；Mitsuhata等 [11]利用矢量FEM和节点FEM耦合的方法对三维MT数值模拟；Nam [12]采用不规则六面体矢量FEM直接计算电场，研究了起伏地形下MT的电阻率和相位的变化规律；刘长生等[13]将完全非结构化四面体单元引入到矢量有限元中，实现了三维大地电磁h-型自适应矢量有限元正演；王烨[14]开展了高频率大地电磁法矢量有限元正演，并采用改进的威尔金森方法求解大型病态方程组，提高了迭代速度；顾观文等[15]开展了矢量有限元法MT三维地形数值模拟，研究了地形起伏下三维阻抗张量的变化规律；杨军等[16]采用非结构四面体单元的三维矢量FEM实现了海洋可控源电磁数值模拟；苏晓波等[17]采用规则六面体单元的三维矢量FEM实现了大地电磁数值模拟，并对网格剖分的重要性进行了研究.
在前人基础上，作者推导了三维大地电磁矢量FEM正演的离散形式，应用矢量FEM算法计算了三维COMMEMI 3D-1国际模型[18]的MT视电阻率及模型张量阻抗，研究了高低阻异常体的电磁响应特性，有效地指导了MT的资料解释.
图5（a），（b）分别为f=0.1 Hz时XY模式与YX模式下矢量FEM正演视电阻率曲线.分析图5（a），（b）可知，两幅图中的矢量FEM曲线与COMMEMI所提供的数据都能够很好地吻合，说明无论是在低频还是高频部分，应用矢量FEM开展三维大地电磁正演，都具有较高的精度，同时也验证了矢量FEM算法及程序的正确性.
图6为应用矢量FEM正演计算COMMEMI3D-1模型得到的张量阻抗.由图可见，10 Hz与0.1 Hz两个频率下的张量阻抗形态基本一致，10 Hz的数值较0.1 Hz要大.对比图中4个不同的张量阻抗，可以发现，图6（a），（d），（e）和（h）中两个频率下的Zxx与Zyy分为四瓣，且阻抗值较小，四瓣的中心反映了异常体的边界，而图6（b），（c），（f）和（g）中的Zxy与Zyx阻抗值较大，反映了入射场的特性.根据张量阻抗理论可知，当构造为二维构造时，Zxx和Zyy为零，即当异常体走向方向越长，Zxy与Zyx越小，Zxy与Zyx差异也越大.由此，张量阻抗分解后，无需做反演即可以判断出异常体的简单特性.
为了进一步认识大地电磁的响应特性，对比高、低阻异常体张量阻抗的不同，在图3中COMMEMI3D-1测试模型的基础上，仅将低阻异常体改为1 000 Ω·m高阻异常体.其他参数均与国际模型相同.应用三维矢量FEM开展三维高阻异常体模型的张量阻抗研究.
图7为应用三维矢量FEM正演的10 Hz大地电磁张量阻抗图.分析图7（a）与图7（d）可知，高阻异常体张量阻抗中的Zxx与Zyy同样分为四瓣，且阻抗值较小，其四瓣的中心反映了异常体的边界.由于异常体x方向与y方向的比值为1∶2，图7（b）中的Zxy与图7（c）中的Zyx差异较大.对比高低阻异常10 Hz时的阻抗相位Zxx，虽然两者都为四瓣，但是阻抗值正负值的分布正好相反，低阻异常体四瓣的中心向外辐射，幅值变小趋于0；而高阻异常体四瓣的中心向外辐射，幅值变小趋于0之后会发生反转之后再次趋于0.Zyy具有相同的规律.对比Zxy和Zyx，高阻异常体中心仅出现一个闭合异常形态，而低阻异常体则形态更为复杂.
4 结 论
1） 介绍了三维矢量有限元区域剖分方式，对矢量FEM插值基函数以及单元插值方式进行了阐述，应用Galerkin算法，推导了三维矢量FEM大地电磁方程离散格式，编制了矢量FEM三维MT的Matlab模拟程序.
2） 设置三维COMMEMI 3D-1模型进行矢量FEM的计算，模拟结果与COMMEMI提供的数据拟合效果很好，验证了矢量有限元程序的正确性.通过对比高低阻异常体的张量阻抗，分析了不同异常下张量阻抗的特点，进一步认识了MT的响应特性.
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三维模型有限元 篇4
1 材料与方法
1.1 建模素材
选择牙列整齐,无智齿,正常覆覆盖,轻度磨耗的健康青年男性志愿者为建模素材。
1.2 主要设备
螺旋CT (GE CTI,GE Inc,USA);Intel Pentium Ⅳ 处理器,1 G内存,WindowsXP 操作系统,ANSYS软件(ANSYS Inc,USA);MATLAB7.0.1软件。
1.3 CT图像的扫描与传输
志愿者取仰卧位,眶耳平面与水平面垂直,头部固定。用螺旋CT对志愿者进行连续扫描,扫描标志线与眶耳平面平行。螺旋扫描参数为:螺旋层厚2 mm,床进速度1 mm/s。从咬合平面开始扫描,向上一直覆盖至整个头部,扫描层数108 层。将此断层影像(图 1)以DICOM3.0文件格式存储并输入到个人计算机,利用IE中Centricity Dicom Viewer2.1软件将此108 层断层图像以JPEG格式保存(图 2)。
1.4 颅上颌复合体三维有限元模型的建立
利用MATLAB的图像探测功能,获取上述断层图像的等值线图,并截取图形中实际需要的部分,将截图保存(图 3)。借助image2pdf软件的文件转换功能和adobe acrobat软件的网格功能,获取等值线数据,并将记录的每一层坐标按ANSYS文件格式写成ANSYS程序文件,输入ANSYS软件,生成颅上颌复合体骨及牙齿各边缘的关键点。采用由点成线,由线成面,由面成体,自下而上的建模方法。在生成面时,首先将每层的样条曲线分割成多条样条线段,然后使用由线生成面的命令,使每一层复杂的曲面由多个较规则小的曲面构成,而不会改变其外形,这样得到每一扫描断面的大致边缘情况。首先得到单侧颅上颌复合体各组分的实体模型,然后使用体REFLECT的命令得到整个颅上颌复合体的三维实体模型。最后采用solid45六面体单元对该模型进行自由网格划分。在颅骨等外形较规则部位网格化单元尺寸较大,在面中部外形复杂部位网格精细单元密集。为保证模型之间计算的可比性,不同模型的相同部位的网格划分采用了相同单元尺寸。至此得到颅上颌复合体三维有限元模型。
1.5 材料参数
选取皮质骨弹性模量为104 700 MPa,泊松比为0.30;松质骨弹性模量为7 900 MPa,泊松比为0.30[1]。牙的弹性模量为20 290 MPa,泊松比为0.30[2]。
1.6 假设条件
将模型中各种材料和组织假设为各向同性、均匀连续的线弹性材料,材料变形为小变形;假设各种结构在加载之后不发生相对滑动[3]。
1.7 正中咬合时颅上颌复合体的应力分布
在咬合面加载,在咀嚼肌附丽处采用约束的方式来模拟咀嚼肌的影响[4],同时在枕骨大孔处也进行约束,用以模拟各种咬合情况[5]。本研究中正中咬合时咬合力取最大力值[6](约0.49 N)的1/2。在上述约束以及载荷条件下,观察颅上颌复合体在正中咬合时应力分布情况,找出应力集中的部位。
2 结 果
2.1 颅上颌复合体三维有限元模型的建立
建立了包括上颌骨、颧骨、颅骨(其中有额骨、顶骨、枕骨、颞骨、蝶骨)等骨性结构以及上颌牙在内的颅上颌复合体实体模型(图 4~5)。对实体模型的网格化,得到颅上颌复合体三维有限元模型(图 6),共有节点170 840 个,单元673 618 个。
2.2 正中咬合时颅上颌复合体的应力分布特征
在正中咬合时,颅上颌复合体Von- Mises应力梨状孔侧缘尖牙支柱处为7.997 MPa、颧牙槽嵴支柱处为22.185 MPa、颧弓区为14.830 MPa、翼突处为32.959 MPa,以上部位均为Von- Mises应力较大的区域。
3 讨 论
3.1 有限元法优点及本建模方法特点
有限元法由于其独特的优势,已经在口腔生物力学研究中得到广泛的应用。有限元法是在建立模型的基础上进行分析的。有限元模型良好的几何相似性是准确进行力学模拟和分析的基础。传统的切片法[7]或磨片法[8]容易丢失骨组织,属于破坏性建模,目前已较少采用。近年来,CT技术已经广泛应用于有限元模型的建立。螺旋CT断层扫描技术,获得的信息量较大,截面几何形状准确,尤其是各腔窦边界显示准确,为颅上颌复合体模型的建立提供了必要的数据。
本实验利用DICOM(digital imaging and communication in medicine) 数据直接建模,原始图像在预处理时无需进行任何形式图像转换而是直接应用,没有掺杂人为因素,大大减轻了工作量,简化了CT建模的程序,避免采用胶片扫描方法或利用图形数字化仪将图像信息转为数值信息输入计算机,造成的部分数据丢失[9],实现了真正意义上的自动化辅助建模。
本研究建模方法的特点: (1)提高了模型几何相似性:MATLAB具有大型数值计算、数学绘图和有限元分析的能力[10]。与以往研究[11]的建模方法不同,本研究借用MATLAB的图像探测功能,实现了CT图像(颅面骨图像)的边缘探测,得到了准确的颅面骨边缘线图,为逐层建立三维有限元模型提供了可靠的数据。由于MATLAB在识别图像边界过程中能够显示数据图示,从而可与原始图像相比较,使每一张图片的数据都能真实反映原始图像的形状,与原始图像真正实现1∶1的转换,提高了建模速度,保证了建模的准确性。将获得数据直接输入ANSYS软件建模,避免在使用其它的建模软件建模后导入ANSYS时的数据丢失,提高了模型的几何相似性。(2)建模精度、效率高:颅上颌复合体存在复杂的腔窦结构,在逐层建模过程中,由于每层的曲面形态复杂,导致ANSYS布尔运算及模型的网格化难以进行。在本研究中,将每层的样条曲线分割成多条样条线段,这样每一层复杂的曲面由多个较规则的小曲面构成,而不会改变其外形,保证了布尔运算及模型网格化的顺利进行。与张彤等[12]以最底层断面(不含牙)网格为基础,以各层轮廓线为准则,采用逐层(3 mm)向上映射生成网格,建立三维有限元模型的方法相比,不仅提高了建模的精度,而且建模效率也较高。(3)提高模型力学相似性:本实验建立了包括上颌牙在内的颅上颌复合体三维有限元模型,较以前建立的模型[12]更加完整,因颅上颌复合体主要受到对颌牙咬合力的作用,这样,在颅上颌复合体生物力学研究中可以直接在牙上施加力的作用,使力的施加更加准确,提高了本模型的力学相似性。
3.2 本试验建立模型的意义和开发前景
在本实验中,模拟正中咬合时, 颅上颌复合体梨状孔侧缘尖牙支柱、颧牙槽嵴支柱、颧弓区、翼突为Von- Mises应力较大的区域,其中翼突处应力最大,这与以往关于颅面骨应力轨迹的研究一致[13]。充分说明了本模型的可利用性。本实验建立的数值仿真模型,可以在模型上施加各种咬合力以研究多种咬合情况下颅上颌复合体的力的分布、从不同角度添加撞击力以模拟颅面部外伤的发生,这些都为研究颅上颌复合体生物力学行为提供了一种新的便捷途径。
三维模型有限元 篇5
某特大桥桩基础承台尺寸为10.4 m×7.6 m,水深11.78 m,采用钢围堰排水浇筑施工.为了较准确了解初定钢围堰结构的内力和变形情况,确保工程施工安全,对该钢围堰用ANSYS软件进行了三维有限元静力分析和模拟.分析结果指出,该围堰结构局部杆件需要加强,而有些杆件还可进一步优化,以节约成本.从而说明对于这类复杂工程,进行施工全过程三维有限元分析和模拟是完全必要的..
作 者：杨学峰 Yang Xuefeng 作者单位：中铁二十二局集团第一工程有限公司,北京,100040 刊 名：国防交通工程与技术 英文刊名：TRAFFIC ENGINEERING AND TECHNOLOGY FOR NATIONAL DEFENCE 年，卷(期)：2010 8(3) 分类号：U443.162 关键词：深水基础 双壁钢围堰 三维有限元分析★ 桥梁施工工艺
★ 钢租赁协议
★ 钢三班口号
★ 金属踢脚线安装施工工艺
★ 橡胶沥青路面湿法施工工艺探讨
★ 钢的琴 影评
★ 钢玻璃杯的故事
★ 什么是钢混结构？
★ 水泥混凝土路面施工工艺研究
三维模型档案化管理初探 篇6
关键词：三维模型电子文件档案化管理
大量生成的三维模型，正成为电子文件的重要组成部分。从档案管理角度出发，是否需要对三维模型进行档案化管理？在实践中，三维模型的档案化管理存在哪些困境？未来可以做哪些方面的探索笔者将对此问题进行初步阐述，希望能够起到抛砖引玉的作用。
一、三维模型档案化管理的必要性
三维模型是指利用三维建模软件生成的，存在于计算机或计算机文件的“点和其他信息集合的数据”。从上述描述中可以看到，三维模型具备电子文件的基本特征，可以将其理解为一种特殊的电子文件。对这种特殊电子文件的管理，即三维模型档案化管理则是指在一定的制度框架下，由档案部门对三维模型进行前端控制和全过程管理，确保其具有真实性、完整性和有效性。
（一）三维模型具有档案价值且已经大量生成
1.三维模型具有档案价值。首先，三维模型具有凭证价值。从内容上看，三维模型是设计人员运用三维软件设计的图形，它如实地记载了业务活动过程和业务工作成果，是业务活动的直接记录。从形式和技术上看，三维模型是以数字化的超文本形式在计算机环境中生成的，其背景信息被系统程序控制，由此保证了它的可追溯性。其次，三维模型具有情报价值。三维模型是业务活动的伴生物，它记载了大量的知识信息，这些知识信息不仅可以为业务活动提供参考，也可以为同类设计提供借鉴。
2.三维模型已经大量生成。目前，三维设计已成为工程行业设计的主要方法之一。与二维设计相比，三维设计技术更能表达设计者的意图，便于加快图纸生成速度，提高产品设计效率。以三维模型作为产品最重要的信息载体，可以将设计、生产、管理等各个独立环节联系在一起，并将设计细节融入在建模过程中。[1]三维模型的技术优势使得其在各领域能够被广泛运用，另据相关调查显示，目前在某些领域三维模型的生成数量和速度已经远远超过了二维模型。从这个角度而言三维模型已经大量形成。
（二）三维模型不适用“双套制”与“双轨制”管理模式
为了规避电子文件真实性难以认定的风险，在工作实践中，对电子文件往往采用“双轨制”与“双套制”管理模式，即在文件运转过程中，电子版本与纸质版本共存，两种版本的文件与业务流程同步运转；在文件归档过程中，同一份文件既归档电子版本，又归档纸质版本，并且电子版本与纸质版本需一一对应。[2]国家标准也推荐使用“双套制”归档方式，2002年颁布的《电子文件归档与管理规范》（GB/T18894-2002）中规定：“具有保存价值的电子文件，必须适时生成纸质文件等硬拷贝，进行归档时，必须将电子文件与相应纸质文件等硬拷贝一并归档。”虽然三维模型也是一种电子文件，但其特殊性决定了它不可能像普通文本和二维图形一样打印成纸质文本。因此，三维模型不适用“双轨制”与“双套制”管理模式。
（三）三维模型管理失范
目前三维模型的管理处于失范状态，无法满足业务活动的需求，一是管理制度尚未制定。三维设计技术已经广泛运用，三维模型的数量也呈几何级增长，但是针对三维模型的管理制度并未建立。尽管已经有不少针对电子文件的管理制度，但是其中基本没有涉及三维模型管理的条款，更没有制定三维模型管理的专项制度。二是管理主体尚不明确。档案部门应是三维模型的管理主体，但是目前档案部门的主体地位并未明确，大部分三维模型都由形成者自行保管。三是管理流程尚未建立。由于管理制度与管理主体尚未明确，三维模型的管理流程也没有建立。业务活动结束后，三维模型的流向不明确，即档案部门也不知道通过何种渠道接收需要归档的三维模型。
二、三维模型档案化管理的实践困境
（一）三维模型的真实性认定困难
在纸质档案管理模式中，为了维护档案的原始记录性，必须保证载体与信息的统一。对于纸质档案的管理，档案实体的管理与档案内容信息的管理是统一的，保护了载体的原始性即确保了档案内容的原始记录性。然而，三维模型作为一种电子文件，其载体与信息的可分离性，使得上述要求并不能适应三维模型的管理。存储于计算机系统的三维模型因为软硬件升级、系统迁移等要求，可能会出现信息的迁移。在三维模型的管理过程中，随着存储介质与方式的变更，载体与信息的统一性难以得到保证。因此，判断三维模型是否具有真实性变得更加困难。
（二）三维模型的标准体系并未建立
三维设计技术已经在各领域得到了广泛运用，但相应的标准体系并未建立，使得三维模型的存储格式没有统一的规范，给三维模型档案化管理带来了困难。从档案管理角度而言，目前也没有建立起三维模型归档的格式标准。虽然，归档电子文件的格式标准基本建立，但是现行标准并没有将三维模型档案化管理纳入其中。三维模型标准体系的缺失给三维模型档案化管理带来了诸多问题：首先，三维模型形成者在存储三维模型时，特别是格式选择带有较大的随意性，导致三维模型的通用性较弱；其次，由于三维模型格式多元化且没有统一的规范，即使归档至档案部门，也可能面临无法读取的风险。
（三）三维模型的安全控制难度较大
作为一种电子文件，三维模型与其他电子文件一样面临诸多安全风险。电子文件载体与信息的可分离性、对系统的依赖性以及载体的不稳定性，使得它与纸质文件相比，安全控制难度更大。同时，三维模型无法进行纸质化管理，所有的安全控制措施只能在计算机系统中实施，一旦发生操作失误、病毒入侵、软硬件系统故障等事故，没有任何缓冲余地。此外，三维模型管理制度与标准缺失也带来了极大的安全风险。多种安全风险的叠加使得三维模型的安全控制难度较大。
三、三维模型档案化管理的
初步设想
三维模型档案化管理是一个系统工程，它需要制度、标准、技术和人员等诸多方面的支撑。可以说，在三维技术日臻成熟、三维模型大量生成的背景下，探索三维模型档案化管理的可行路径是档案部门不得不面对的课题。
（一）三维模型档案化管理的目的
三维模型档案化管理的目的不是完成三维模型的归档，而是确保三维模型的真实性、完整性和有效性。对于纸质档案，原始记录性是其根本属性，维护其原始记录性是档案管理工作的首要任务。然而，电子文件的载体与信息的可分离性，使得其原始记录性很难得到维护。所以，档案界一般认为，对于电子文件的管理应该转向维护其真实性、完整性和有效性，而不是单纯地追求其原始记录性。作为电子文件，三维模型档案化管理的目的就是要确保其真实性、完整性和有效性。
（二）三维模型档案化管理的前提
三维模型档案化管理的前提是制度化。制度化的作用主要体现在三个方面：一是明确权责，划分三维模型形成者、系统维护者、档案管理者等责任主体的权限与责任，并要求其对自身的管理行为负责；二是制定规范，即制定三维模型档案化管理的制度与标准，确保其符合业务活动的需求和档案化管理的要求；三是确定流程，即通过固化的流程确保人员责任落实、管理过程受控、业务运行顺畅。
（三）三维模型档案化管理的主体
三维模型档案化管理的主体应是档案部门。档案部门的优势在于建立了一套完整的文档管理系统，不论是对文件归档还是归档后的管理都形成了一套较为成熟的体系。此外，档案部门作为三维模型档案化管理的主体，贯穿文件管理的全过程，有利于实现对三维模型的全生命周期管理。
（四）三维模型档案化管理的手段
三维模型档案化管理的手段是前端控制与全过程管理。前端控制要求档案人员在三维模型形成之初就提前介入，参与三维模型管理软件的设计，参与文件质量的控制，提出档案化管理需求。全过程管理要求档案人员对文件的全生命周期进行管理，参与程序控制、规则制定和质量控制。
*本文为上海市档案局科研项目“企业集团数字档案信息资源整合与共享模式研究”（项目编号：沪档科1511）的阶段性研究成果之一。
注释及参考文献：
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[2]冯惠玲.电子文件与纸质文件管理的共存与互动[J].中国档案，2003（12）：40.
三维模型有限元 篇7
1 材料与方法
1.1 建模素材
牙列完整, 后牙中性牙合关系, 正常覆牙合覆盖关系, 无咬合障碍, 无任何颞下颌关节弹响、疼痛、张口受限和下颌脱位等颞下颌关节紊乱综合征症状和体征的成年健康女性志愿者。
1.2 下颌骨螺旋CT扫描
采用Philips公司生产的-X-8000型螺旋CT进行扫描, 扫描平面平行于眶耳平面, 扫描范围从眶上缘至下颌骨下缘, 获得患者原始的断层影像。然后利用影像中心的工作站对扫描的图像进行三维与多平面重建 (multi-planarreconstruction, MPR) 。
1.3三维有限元模型的建立
1.3.1 将图像数据输入MIMICS 7.1, 通过定义Thresholds值来识别目标区域, 然后对目标区域进行三维叠加运算, 以3D形式显示目标区域。将皮质骨和松质骨分别重建。将在Mimics 7.1中处理后的目标数据导入GeomagicStudio 4.0, 删除不需要的部分, 只留出下颌骨, 分别对下颌骨皮质骨、松质骨、关节盘等分别进行曲面设计、重构、包络。
1.3.2 将在MIMICS 7.1中处理后的目标数据导入GeomagicStudio 4.0, 并模拟左侧体部缺损, 范围为沿下颌侧切牙近中平行于其牙长轴, 至同侧第一前磨牙远中平行与其牙长轴做切除。同时根据缺损设计出个体化的下颌骨修复体。修复体由体部和延伸板两部分组成。延伸板的数据取自原有的骨断端, 保证延伸板与两骨断端的严密吻合, 与临床应用的实际情况一致。将体部设计成长2.2cm, 宽1cm, 厚0.8mm, 高1.5cm;延伸板长1.6cm, 高1.2cm, 厚1.2mm。并在体部打直径为2.5mm的圆孔, 生成长7mm、直径3mm的圆柱体来模拟临床用钛钉, 并分别对皮质骨、松质骨、关节盘、牙齿、个体化假体、钛钉分别进行曲面重构、包络。
1.3.3 将上述经过处理的各模型导入Ansys9.0进行组合, 最后对模型进行网格划分。
1.4 边界约束条件
在关节盘的外表面 (即与关节窝接触的面) 上的所有自由度以及牙齿表面的所有自由度。
1.5 载荷大小与方向的确定
选择与闭口及咀嚼运动有关的左右侧各四组肌肉共十四个肌力向量咬肌 (分为浅层和深层) 、翼内肌、颞肌 (分为前份和后份) , 翼外肌 (分为上头和下头) 。根据解剖位置确定各咀嚼肌附着的节点编号。加载力量为人正常咀嚼时使用的力量约为最大咀嚼肌力的50%。最大咀嚼肌力的大小由如下公式计算得出:Fimax=PAi, 其中P为内在强度常数 (P=4×105N/m 2) , Ai为第i块咀嚼肌的生理横断截面积[3]。本研究中所采用的各咀嚼肌的肌力向量参考了相关文献[4], 并转换为本研究的坐标系统, 详见表1。
注:i, j, k分别代表x, y, z方向
1.6 实验假设条件
1.6.1 假设模型中的各组织均为连续、均质、各向同性的线弹性材料[5]。各组织及材料弹性模量系数与泊松比[6,7,8], 详见表2。
1.6.2 假定钛下颌刚固定于下颌骨断端, 假体内填入的松质骨与下颌骨断端及钛体尚未发生愈合的初始状态。
2 结果
2.1 个体化钛下颌修复后的下颌骨在功能状态下三维有限元模型
建立了一个包括101 251个单元和22 928个节点在功能状态下的个体化钛下颌修复后的下颌骨三维有限元模型 (图1) 。
2.2 生物力学分析结果 (本研究以VonMises应力作为比较参数)
(1) 个体化钛下颌修复后的下颌骨双侧髁突总体应力分布趋势与所建正常下颌骨髁突基本一致。 (2) 对两模型双侧髁突的前斜面、后斜面、顶部等部位进行对比后得出: (1) 钛修复体修复后的下颌骨双侧髁突的后斜面顶部等部位应力大小基本对称并与正常下颌骨的相应部位的应力大小也基本一致。 (2) 但两侧髁突前斜面应力不对称, 健侧 (右侧) 力值为21.35MPa, 患侧 (左侧) 为9.35MPa, 而正常下颌骨为15.7MPa。两侧髁突应力不对称尤以关节翼肌窝处最大, 健侧 (右侧) 力值为28.0MPa, 患侧 (左侧) 为9.4MPa。 (3) 假体总体上应力分布较均匀, 力值在0～66.66MPa之间, 但在体部及延伸板过渡区应力较集中, 尤以靠近健侧下颌骨下缘处为甚 (力值为312MPa, 而靠近患侧端为260MPa) , 相应的螺钉及该部分下颌骨的应力及形变也最大 (图2、图3、图4) 。
3 讨论
三维模型有限元 篇8
关键词：胸腰椎,压缩骨折,有限元模型,正常人体
利用有限元法研究脊柱生物力学的首要条件是建立相应的模型。目前在做胸腰椎骨折生物力学有限元分析时,构建模型基本都是采用骨折患者的原始资料来进行模拟,这样的建模方法存在原始资料来源受限、模型的骨折程度可控性不强、模型重复利用率低等诸多不足。2009年2～6月,本研究利用正常人体原始资料在建立正常脊柱胸腰段有限元模型后,模拟临床上胸腰椎椎体压缩性骨折的受伤机理,采取施加位移的方法直接构建胸腰椎压缩骨折模型,并将建立的模型和来源于真实患者的原始资料按常规方法所建的模型进行对比,其生物力学响应基本相同。本研究为开展胸腰椎骨折生物力学有限元研究提供了一种简便实用的建模方法。
1 资料与方法
1.1 原始资料采集
1.1.1 正常原始资料
选取1名男性健康志愿者(23岁,身高175 cm,体重70 kg,X线检查排除骨骼异常情况),用Philips64螺旋CT对T11～L2沿横断面连续扫描。扫描条件:选择骨组织窗,电压120 kV,像素0.43 mm,层距0.65 mm,共210层。扫描数据以Dicom3.0标准直接存入光盘备用。
1.1.2 病例原始资料
选取1例T12椎体单纯压缩性骨折患者(工人,男性,38岁,身高172 cm,体重63.4 kg,胸腰部正位、侧位X光片检查除T12椎体压缩性骨折外未见其他异常),对其T11～L2按上述条件进行扫描及保存CT图片。
1.2 建模环境
电脑配置:AMDAthlon64 3200+中央处理器、2G内存、19寸液晶显示器、64M显存、ATI 8550显卡、Windows XP/Professional操作系统;软件:医学3D图像生成及编辑处理软件Mimics 10.01、大型有限元分析软件Ansys10.0。
1.3 有限元模型的建立
1.3.1 正常胸腰段脊柱有限元模型的建立
Mimics软件直接读取Dicom格式的CT断层图像,经定位图像、组织图片及内插值处理,作区域增长分割出胸腰椎骨组织,经3D计算建立胸腰段脊柱三维几何面网格模型。将生成的面网格模型读入Ansys10.0,选择合适单元类型、定义适常数后进行体网格划分。将划分体网格后的模型再次导入Mimics中,根据CT值赋材质。将赋材质的模型转入Ansys,根据各组韧带的解剖特性以单元的形式模拟添加,并建立各韧带的起止点与相应节点的接触对;小关节的上下关节面建立约束关系。
1.3.2 于正常胸腰段脊柱模型上构建T12椎体压缩性骨折有限元模型
于1.3.1所建的正常模型上将T12下端所有的面进行约束,约束方式为all DOF,位移效果为0;于T12椎体上缘由前向后分三步分别施加大小为25 mm、20 mm及15 mm,方向垂直向下的3个位移,程序运算求解。
1.3.3 以病例资料构建T12椎体压缩性骨折有限元模型
以收集的病例CT资料按1.3.1的方法直接构建T12椎体压缩性骨折有限元模型。
1.4 模型有效性验证
将两个骨折有限元模型L2下端固定即施加所有方向的位移值为0,于T11上端分别施加一定的拉力力矩,将两模型计算后的结果进行对比。
2 结果
建立了几何外型逼真、生物力学特性全面且适合生物力学研究的胸腰段椎体压缩性骨折三维有限元模型,见图1。模型共由82 880个单元122 973个结点构成。其单元类型、弹性模量及泊松比见附表。模型运算对比见图2。
3 讨论
目前临床对胸腰段椎体压缩性骨折的研究非常广泛,治疗方法很多。从治疗原则上看,对压缩﹤50%或发生在单个平面的稳定骨折常采取保守治疗;若椎体高度丢失>50%或后突畸形>20%或存在连续多发压缩骨折者,多建议手术治疗[1,2]。迄今有关生物力学的研究尚显不足,导致临床治疗存在很多需要解决的问题。为提高临床治疗效果,极快的恢复患者的功能,其有关生物力学的研究就显得相当重要。在诸多脊柱生物力学研究方法中,有限元分析方法虽然起步较晚,但因为其具有可重复性、可操作性强,模拟治疗方法简单及计算精确度高等优点,已逐渐被脊柱生物力学研究者所追捧。做有限元生物力学研究的首要条件是建立外形逼真、计算精确度高且接近真实人体的仿真模型。有统计显示,有限元模型的建立及其前期处理占了整个有限元分析研究的80%的时间和工作量[3]。因此,要研究胸腰椎压缩骨折的相关生物力学问题,建立其骨折有限元模型在整个研究中意义非凡。模型建立的好坏直接关系到后续研究的计算分析,直接关系到研究的结果。若模型质量不高,则研究结果可信度差,其对临床的指导意义不足,这就失去了研究价值。
从目前文献报道来看[4,5],应用有限元方法研究脊柱骨折生物力学者,在建立相关有限元模型时,其原始数据均来自于临床胸腰段脊柱椎体压缩性骨折患者的CT扫描图片。虽然这样的建模针对性强,也非常直接,少了很多中间环节,但同时也存在原始资料来源受限,不具有普遍代表意义,椎体压缩程度可控性差,原始资料重复使用率不高而导致研究所需经费过高等不足[6]。本研究方法和以往的建模方法比较具有以下优点:(1)建模所需原始资料来源于正常人体,选取符合条件的志愿者相对简单,而且正常人在进行CT扫描时能很好的和医生配合,CT图片质量高,这就使原始资料来源方便、质量高;(2)本研究所建的骨折模型是在正常模型的基础上完全依据该类骨折的受伤机制模拟而成,符合临床要求,并带有骨折的力学特性,其科学性强;(3)本模型是通过正常模型依其受伤机制施加载荷而成,在具体施加载荷时,为更好的控制模型被压缩的程度,根据研究需要直接施加dispencement(位移),即骨折被压缩的程度,这样直接而方便的得到了研究者所需要的研究模型类型,其可操控性很好;(4)本研究在建模时只需对健康志愿者进行一次CT扫描,在构建了正常有限元模型后,可以根据不同需要再生成不同类型的骨折模型,而不需要另找病例进行CT扫描和重复建模过程,可节省研究时间和研究经费。
利用正常人体原始资料建立相关的疾病有限元模型的方法在以往的研究中尚未见报道,本研究进行了创新性探索。但由于受技术条件的限制,在实际的操作过程中,模型尚不能完全被研究者思路所控制,还有待进一步研究。
参考文献
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三维模型有限元 篇9
关键词：磨牙,桩核技术,成像,三维,体层摄影术,螺旋计算机
随着根管治疗技术的完善和发展,越来越多的残根残冠得以长期保留,目前桩核冠是临床上修复残根残冠最有效的方法[1]。但临床上对于一些特殊的牙体缺损情况,可以通过有限元分析法来进行[2]。本研究利用薄层CT技术、Mimics 10.01软件、Ansys软件、Hyper Mesh软件和Geomagic软件相结合,对层厚0.6 mm、层距0.1 mm的CT断层影像进行分析处理,自动获得与样本外形一致的三维点云,应用Geomagic精确建立修复体各组成部分,建立复杂的不规则有限元模型的几何构造,能较精确地模拟临床口腔实际情况,为进一步研究上颌第一磨牙牙体缺损的修复奠定了良好的基础。
1 材料和方法
1.1 CT扫描
选择一颗离体上颌第一磨牙,形态完整且标准,将牙长轴与包埋材料底面垂直放置,用自凝树脂包埋于4.0 cm×4.0 cm的长方形体内。采用西门子64层螺旋式CT以层厚0.6 mm,层距0.1 mm进行断层扫描,获得的212张图片保存为Dicom格式。
1.2 上颌第一磨牙的三维几何模型的建立
首先用医学影像软件Mimics 10.01读取CT扫描牙齿的Dicom格式的影像文件,由于不同组织的灰度值不同,因此通过合适的阈值来提取相应的组织,由此把牙齿的牙釉质、牙本质和牙髓腔提取出来,各自生成原始的三维点云模型,并将其输出为iges格式的点云模型,其次用Geomagic分别读取牙齿各组织的点云模型,进行相关的去噪、平滑等处理,并保存为三维实体模型。
1.3 上颌第一磨牙桩核冠的三维实体模型的建立
构建的上颌第一磨牙桩核冠三维实体模型包括全瓷冠,全瓷桩核,粘结层,剩余牙体组织,牙周膜,牙槽骨6部分。
1.3.1全冠:以釉牙本质界为界线将牙体分为牙冠和牙根两部分,在牙颈部一周形成宽为1 mm的90°直角肩台,并在牙冠部运用Geomagic软件将上颌第一磨牙牙冠的各个轴面均匀向内缩进1.5 mm,牙的咬合面向内缩进2.0 mm,并形成向轴面5°的聚合度,形成牙预备体模型。在牙预备初模型表面,按照牙体外形形成均匀厚度为2 mm的全瓷冠模型。
1.3.2桩核:模拟生成以腭根为主根,近远中颊根为辅助根的根管,腭根桩长为腭根长的3/4,直径为根径的1/3,辅助桩长为根长的1/2,直径为根径的1/3,桩核一体恢复牙体缺损部分。
1.3.3粘结层:采用Hyper Mesh软件对牙预备体进行曲面偏移0.1 mm,并进行曲面的修补,获得粘结剂的几何模型。
1.3.4预备后的牙体组织:是指全牙去除全冠、核桩、粘接层后所剩余的牙体组织,该模型在Geomagic中进行布尔运算获得。
1.3.5牙周膜:采用Hyper Mesh软件对牙根进行曲面偏移0.2 mm,并进行曲面的修补,获得牙周膜的几何模型。
1.3.6牙槽骨:位于釉牙本质界下2 mm,简化为一包绕牙根周围的方块,并区分为密质骨和松质骨。
将上述各牙体组织的实体模型导入有限元前处理软件Hyper Mesh中,处理各实体之间的接触表面,并对各实体进行网格划分,对接触面和几何形状小的实体(如粘接层和牙周膜)进行网格的细分。网格单元为四面体单元,最终建成的网格模型总单元数693 261个,节点数987 653个。将网格模型输出为Ansys格式。在Ansys 14.0中导入由Hyper Mesh所建的牙齿各组织的网格模型,并定义各组织的材料特性以及载荷等其他边界条件。最终采用Ansys进行求解运算,获得仿真结果。
2 结果
本研究应用了Mimics,Geomagic Studio 7图像处理软件,Hyper Mesh网格自动划分软件与三维有限元专用软件,将薄层CT横断面图片行修改识别,准确地建立了桩核冠修复后的上颌第一磨牙及其牙周支持组织的三维有限元模型(图1~6)。并可以按照不同研究目的,对模型进行修改和调整。
图1牙体与牙周组织模型
图2牙冠
图3牙周膜
图4牙本质模型
图5桩核模型
图6恢复缺损桩核模型
3讨论
有限元法是一种高效能、常用的计算方法。它的基本思想是将连续的求解区域离散为一系列几何形状比较简单的子域,并且按一定方式把单元相互联结在一起的单元的组合体,属于计算生物力学测试技术的范畴[3]。只要能建立恰当的模型,有限元分析法就能通过电脑设置材料力学参数、载荷条件、边界约束等不同参数,模拟口腔内以及牙体的不同情况进行预测性分析,结果客观、准确、真实地反映应力的分布状况[4]。此外,由于此种方法具有可重复性,所建模型也可以重复利用,模型需要去除的部分直接运用Ansys软件中布尔运算功能中的相减功能即可完成,从而保证了各组模型的统一性和精确性,这是与传统实验方法最大的不同。
本实验采用CT建模方法,避免了具有破坏性的层析法在包埋、切片等建模过程中可能出现的误差,也防止了表面形貌测量中无法反映物体内部情况的缺点,更杜绝了3D软件造型需要测量实体数据的缺陷,达到了快速、准确地建立表面形貌与内部结构都较理想的实体几何模型[5,6]。但由于牙体组织各组成结构的差异,其生物力学分布一会出现差异,故使相关生物力学性质不尽相同;必然会导致分析结果的失真。因此,在形态结构上对牙体及牙冠结构进行逼真的模拟,是使实验结果有效的重要保证。此外,提高有限元分析的精确性,不但要从模型的形态结构入手,更应获得接近于实际情况的材料力学特征。本实验使用CT扫描,可以在不破坏实物而再现物体表面与内部的精细,复杂的结构。利用CT扫描后的数据信息采用Dicom形式予以保存,可以提供非常精确的数据信息,直接进行数据的存取与传输,可以多次重复进行模型的相关操作,而不会导致数据的失真。
Mimics具有强大的图像编辑功能和给予断层扫描图像的建模功能。是介于医学与机械领域之间的一套逆向软件,可以通过选取合适的阈值识别牙体各部分的表面轮廓,用来提取相应的组织,以得到离体牙内外部的几何特征信息,如,牙齿的牙釉质、牙本质和牙髓腔的3D模型,并导出原始的点云模型[7,8]。Geomagic逆向工程软件可以从点云创建出完美的多边形模型和样条四边形网格,并转换为NURBS曲面,建模效率高。其可以在可视化界面下,根据几何特征对点云数据进行分割,然后分别对各个曲面片进行拟合,在通过曲面的过渡、相交、裁剪、倒圆等手段,将多个曲面“缝合”成一个整体,即重建牙体组织的计算机辅助设计(CAD)模型。
本实验建模方法可行性强,方便快捷,能较精确地模拟临床口腔实际情况,为进一步研究上颌第一磨牙牙体缺损的修复奠定了良好的基础。
参考文献
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隧道渗流三维有限元模拟 篇10
目前,在隧道衬砌水荷载的计算中,铁路、交通部门还没有制订统一的规范,大多还是参照水工隧洞设计规范和经验方法,有关水头分布的论述也散见于各部门和学科的专著及专业杂志上。水工隧洞中,衬砌水荷载一般包括外水压力和内水压力两部分[5],二者作用对象均为衬砌(对于围岩可直接称为水压力),外水压力是和有压隧洞中内水压力相对而言的,而铁路、公路隧道中一般不存在内水压力,通常简称为“水压力”。如能确定隧道的水头分布,其“水压力”就可自然求出来。
1 计算模型
根据双洞八车道特大型隧道断面图,取隧道进口段计算分析。一般说来,地下水的无压渗流属三维自由面渗流问题。根据Boussinesq公式,忽略地面渗入或蒸发量,并不考虑水的压缩性,那么此时的渗流控制方程就是一个Laplace方程[6]。按照断面图和所提供的地质资料,建立三维有限元模型(如图1所示)。
1.1 初始条件和边界条件
在渗流有限元计算分析中,常采用两类边界条件:第一类是水头边界条件,第二类是流量边界条件。该模型以模型底面作为零势面,根据地质资料,边界条件是进口面水头为65 m,出口面水头为122 m处,属第一类边界条件。模型两侧和底面是不透水边界,属第二类边界条件。因考虑的是稳定渗流问题,所以初始条件就是已知水头。
1.2材料参数
根据地质资料,所选用的参数如表1所示。
1.3有限元模型
所建模型宽度(Y方向)为180 m,隧道进口纵向(X方向)取130 m,进口面的高度为84 m,其中基岩厚度为70 m,出口面的高度为140 m,隧道净高为9 m,净宽为18.9 m,模型共有34 492个单元,网格划分采用8节点的六面体单元,如图1所示。
1.4计算工况
计算过程中考虑两种工况:工况1:隧道面不透水;工况2:隧道面透水。
2计算结果及分析
计算结果分别见图2,图3。由图2可以看出,工况1时,以隧道底面为零势面时,进口段隧道水头最大值52 m,最小值在进口处,约为1.24 m,即为地下水位。左、右线隧道中心的水头分布基本一致,最大水头都是70 m,最小水头为-5 m,隧道面最大流量是(1.288E-6)m3/s,右线隧道最大流速为(1.823E-6)m/s,左线最大流速为(1.564E-6)m/s,均发生在出口面上部。
工况2时,隧道面压力水头为0,从图2可以看出,与工况1相比,隧道总水头分布形式不同,尽管最大值和最小值相同,但从整体看,工况2下隧道面的总水头低于工况1下的总水头。其单位时间渗透流量最大值达(4.347E-6)m3/s,发生在隧道模型的出口面。由于对称关系,隧道左右线中心纵截面的总水头和渗透流速分布一致,最大水头为70 m,最小水头为-5 m,流速最大值为(2.848E-6)m/s,发生在出口隧道面上。
3结语
通过对双洞八车道特大型隧道的稳定渗流作三维有限元分析,可知考虑隧道面透水计算所得的水头要比隧道面不透水的计算值低,但单位时间的流量和流速,前者要大于后者,两种工况下的最大流速均出现在出口面上部。
参考文献
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