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三维地质精细化建模在古贤水利枢纽中的应用

人民长江 2021年第S1期52卷 117-119,129页

作者：李文雅黄河勘测规划设计研究院有限公司河南郑州450003

古贤水利枢纽坝址区发育多层剪切破碎带和泥化夹层,构成层状岩体特殊的软弱结构面,成为坝基岩体抗滑稳定性控制因素,为地质勘探及工程设计施工建设等带来了极大困难。为此,利用ItasCAD平台,整理坝址区地质勘查资料并建立了数据库;利用... 详细信息

古贤水利枢纽坝址区发育多层剪切破碎带和泥化夹层,构成层状岩体特殊的软弱结构面,成为坝基岩体抗滑稳定性控制因素,为地质勘探及工程设计施工建设等带来了极大困难。为此,利用ItasCAD平台,整理坝址区地质勘查资料并建立了数据库;利用离散光滑差值计算方法,建立了三维地质模型;并利用钻孔成像技术提取高精度剪切带空间数据,以对模型剖切的剖面进行校核,剖面校核后二次参与模型离散光滑差值计算,进行反演拟合,建立三维地质精细化模型。该模型为古贤坝基处理设计方案提供了数据支撑,实现了真正意义上地质勘查、工程设计与施工的三维协同设计,提高了地质勘察专业信息化水平和效率。

关键词：精细化建模钻孔成像协同设计离散光滑差值古贤水利枢纽

基于TLS技术和近景摄影测量技术的精细化建模方法研究

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基于TLS技术和近景摄影测量技术的精细化建模方法研究

作者：时满星桂林理工大学

学位级别：硕士

目前,点云数据的获取变得越来越容易,如Kinect深度相机、三维激光扫描技术和数字摄影测量技术的开发与应用,为了解决如何将三维点云数据快速、准确的转化为具有一定功能和结构的三维表达实体,武汉大学杨必胜教授提出了“广义点云的概念... 详细信息

目前,点云数据的获取变得越来越容易,如Kinect深度相机、三维激光扫描技术和数字摄影测量技术的开发与应用,为了解决如何将三维点云数据快速、准确的转化为具有一定功能和结构的三维表达实体,武汉大学杨必胜教授提出了“广义点云的概念”。每一种传感器获取目标物表面三维空间信息时,都有自己的优缺点,经取长补短后,汇集多源传感器的点云数据形成的多平台空间数据即为广义点云。三维激光扫描技术可以高精度的获取目标物表面的三维坐标,但对于较大型的目标物易丢失顶部的数据信息,若目标物顶部特征丰富就会造成模型失真;数字摄影测量技术可以简便、快速和多角度的获取目标物表面的空间信息,但缺点是点云数据的质量不易控制,且处理生成点云数据时其质量与时间复杂度成正比。因此,以广义点云的概念理论为指导,如何将三维激光扫描技术和数字摄影测量技术运用到大型目标物的精细化重建中是值得研究的问题。本文首先介绍了地面三维激光扫描仪的基本工作原理,分析其主要的误差来源,给出了激光扫描仪的一般工作流程,分别使用网格化建模方法和轮廓特征几何建模方法,实现了不规则大型构筑物校训石碑和规则性建筑物校门的真三维重建;其次,介绍了坐标配准的原理,通过实验分析了Riegl vz1000常用的5种坐标配准方法,实验证明在相对配准中,基于同名特征点的配准方法其配准精度高于无目标特征点的配准,但需布设大量标靶;在绝对配准中,基于同名控制点的配准精度高于两种后视定向配准法,与检测点相比较,其空间点位中误差为?0.0028米,坐标转换精度较高;再次,研究了基于数字摄影测量原理从二维序列影像获取目标物三维点集的原理和过程,并实现了目标物的三维重建;最后,使用无人机测量专用软件Pix4Dmapper来获取目标物的表面空间数据,并与激光扫描数据相融合,生成了具有完整性和高质量的三维点模型,并实现网格化重建,该方法目标物顶部的补洞效果与多种补洞算法相比,最接近于目标物实体。

关键词：广义点云三维激光扫描技术近景摄影测量技术坐标配准精细化建模

基于BIM技术的地铁盾构通用管片精细化建模及排版应用研究

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基于BIM技术的地铁盾构通用管片精细化建模及排版应用研究

作者：徐晨河南工业大学

学位级别：硕士

盾构法具有施工速度快、对周围环境影响小等优势,已成为城市地铁建设的首要方式。通用管片自身具有一定楔形量,可以通过不同点位拼装组合实现对隧道设计轴线DTA的拟合,近年来被广泛应用于地铁盾构隧道衬砌工程。但是仍存在通用管片施工... 详细信息

盾构法具有施工速度快、对周围环境影响小等优势,已成为城市地铁建设的首要方式。通用管片自身具有一定楔形量,可以通过不同点位拼装组合实现对隧道设计轴线DTA的拟合,近年来被广泛应用于地铁盾构隧道衬砌工程。但是仍存在通用管片施工选点困难、成环隧道轴线偏离设计轴线过大等问题,依靠传统的人工纠偏调整效率低且易导致人为误差。BIM技术强大的信息化、可视化功能可以有效辅助管片排版选点以及保证管片成环质量,将BIM技术优势与盾构隧道通用管片拼装工作结合,指导管片顺利拼装,成为当前通用管片排版研究的重点。本文主要针对地铁盾构通用管片的特征,应用解析几何方法并结合BIM三维建模技术,对通用管片精细化建模及排版应用进行研究。主要内容如下:(1)应用解析几何方法进行坐标解算。针对隧道设计轴线常用的直线、圆曲线和缓和曲线三种线形,设置坐标系建立方程解算不同里程下DTA坐标。根据通用管片不同拼装形式,建立坐标系试算不同点位管片环中心位置,并推导出坐标计算公式。(2)运用最小二乘法和枚举法对通用管片进行选点与纠偏。计算对应里程下DTA坐标与试算点坐标的拟合偏差,选择偏差最小的拼装姿态。基于通用管片封顶块位置拼装要求及错缝拼装原则对动态纠偏方法进行优化,优选结果符合工程实际。(3)建立通用管片自适应模型并实现对通用管片模型拼装点位控制。通用管片各管片块差异明显,采用先整体后局部的建模方法建立精细化模型,提升建模效率并保证模型精度;设置参数关联自适应管片模型,实现对通用管片模型在各个拼装点位的控制。(4)结合实际工程案例,采用Civil 3D软件绘制DTA,按照计算点位建立盾构区间管片拼装模型。参数化模型可以实现各环管片拼装点位的快速查询;建立通用管片模型进行预拼装可有效解决通缝问题,提高施工效率并推动管片拼装信息化发展。本文主要创新点是采用Revit建立通用管片精细化模型,通过设置参数关联管片模型实现对模型拼装点位的控制,建立按计算点位排布的盾构区间通用管片拼装模型指导管片拼装施工,为BIM技术在地铁盾构通用管片排版中的应用提供参考。

关键词： BIM 通用管片精细化建模点位控制排版设计

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铁路道床颗粒破碎精细化建模及离散元分析

铁路道床颗粒破碎精细化建模及离散元分析

作者：陆立锦东南大学

学位级别：硕士

铁路交通不仅是人民日常生活中必要出行方式,还是国家经济发展的大动脉。有砟轨道凭借自身经济性与适用性,在客运、货运领域广泛使用。道床是由大量道砟颗粒组成的散粒体系统,在列车荷载作用下道砟颗粒破碎是导致有砟道床整体力学性能... 详细信息

铁路交通不仅是人民日常生活中必要出行方式,还是国家经济发展的大动脉。有砟轨道凭借自身经济性与适用性,在客运、货运领域广泛使用。道床是由大量道砟颗粒组成的散粒体系统,在列车荷载作用下道砟颗粒破碎是导致有砟道床整体力学性能下降的重要原因。因此,研究铁路道床道砟颗粒破碎过程有着重大的理论意义和实际工程应用价值。本文基于道砟颗粒真实形状,实现颗粒可破碎模型精细化建模,以数值试验为研究手段,从单颗粒、颗粒系统两个角度出发,研究铁路道床中道砟颗粒破碎过程。具体工作内容如下:（1）利用三维激光扫描仪采集道砟颗粒信息,基于颗粒表面稠密点云,重构道砟颗粒精细化模型,建立道砟颗粒三维模型库,并以颗粒特征长度为核心参数,建立颗粒形态分析三维评价指标。（2）提出动态填充法,基于道砟颗粒真实形状,实现颗粒可破碎模型精细化建模,采用单颗粒无侧限单轴压缩数值试验方案,利用颗粒破碎分析通用方法,分析单颗粒破碎过程。结果表明:单颗粒破碎过程存在明显阶段性变化,可分为以下四个阶段:颗粒转动、接触稳定、局部破碎和完全破碎。（3）从数值试验影响因素外部、内部性出发,采用控制变量法,研究加载速度和颗粒形状对单颗粒破碎的影响。结果表明:加载速度与颗粒形状对单颗粒破碎过程存在显著影响。前者体现在颗粒与加载板直接接触区域局部破碎程度会随着加载速度的增大而加大,后者则是受道砟颗粒外观形状不规则的影响,导致颗粒表面的平整度影响其与加载板表面接触面积。颗粒形状越是平整,颗粒破碎脆性破碎特征越明显。（4）采用不规则颗粒空间分布法,基于箱型数值试验方案,建立道床颗粒系统简化模型,从宏观、细观两个角度,分析道床颗粒系统破碎过程。结果表明:在宏观角度,道床颗粒系统破碎呈阶段性变化,可以分为四个阶段:颗粒压实、破碎萌生、破碎增生、破碎后期。在细观角度,道砟颗粒受颗粒间相互作用而破碎有三大特征:折角破坏、挤压破碎、多点接触。

关键词：铁路道床颗粒破碎精细化建模离散元动态填充法

钢筋混凝土高耸桥墩的精细化建模及抗震性能研究

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钢筋混凝土高耸桥墩的精细化建模及抗震性能研究

作者：关鹏河北工程大学

学位级别：硕士

桥墩是桥梁的支撑系统,它在整个桥梁体系中占有重要地位,关于桥梁抗震性能的研究,应首先研究桥墩的抗震性能。当一座桥梁在受到地震冲击时,桥墩的稳固程度以及抗震性能的好坏,直接影响着桥梁的完整性以及安全性。因此对于桥墩的抗震性... 详细信息

桥墩是桥梁的支撑系统,它在整个桥梁体系中占有重要地位,关于桥梁抗震性能的研究,应首先研究桥墩的抗震性能。当一座桥梁在受到地震冲击时,桥墩的稳固程度以及抗震性能的好坏,直接影响着桥梁的完整性以及安全性。因此对于桥墩的抗震性能研究是十分必要的。本文建立了若干个钢筋混凝土矩形空心桥墩模型,采用两种有限元软件对其进行数值模拟分析,主要进行了单调静力非线性分析和低周往复荷载作用下的滞回性能分析。通过分析可知:1两种有限元模型均能较好的模拟空心桥墩在荷载作用下的非线性行为。2轴压比的增加以及配筋率的提高对桥墩的承载能力,耗能能力,延性等抗震性能的提高起着重要作用。本文通过模拟所得数据以及绘制相关图形,最终分析得出,此类空心桥墩具有良好的抗震性能。该数值模拟通过与试验结论对比,验证了其模型的正确性,模拟结论符合实际情况,在今后的工程实际建设中是具有一定的参考价值的。

关键词：桥墩精细化建模抗震性能

抚顺西露天矿精细化建模与边坡稳定性大规模力学计算

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抚顺西露天矿精细化建模与边坡稳定性大规模力学计算

作者：王东明东北大学

学位级别：硕士

2019年6月抚顺西露天煤矿结束了百年历史使命,转入治理阶段。由于历史原因,抚顺西露天煤矿坐落在城市中心,北帮矿坑边界距居民区最近仅数十米,地下存在大面积上世纪遗留的井工采矿旧迹,成为抚顺市区的潜在安全隐患,北帮边坡基岩属于软... 详细信息

2019年6月抚顺西露天煤矿结束了百年历史使命,转入治理阶段。由于历史原因,抚顺西露天煤矿坐落在城市中心,北帮矿坑边界距居民区最近仅数十米,地下存在大面积上世纪遗留的井工采矿旧迹,成为抚顺市区的潜在安全隐患,北帮边坡基岩属于软硬互层的反倾岩体,具有地质结构复杂、内部节理构造隐蔽性强以及致灾因素多等特点,在历史上出现过90余次滑坡。露天矿南帮基岩内部存在产状不一的软弱夹层和不整合界面,长期持续高强度的开采,在2009年形成了一个4.52亿m3的巨型深层大滑体,W1000位置的洗煤厂及炼油厂等重要老工业设施也处于滑坡影响范围内。与其它露天矿闭坑治理不同,抚顺西露天矿特殊的地理位置决定着其边坡需要在相当长的时间内保持稳定状态。因此,边坡稳定性研究是西露天煤矿综合治理的关键技术环节,具有实际的工程意义和应用价值。为此,本文以抚顺西露矿为研究对象,首先构建精细化三维地质模型,然后采用数值模拟手段对不同工况条件下的边坡变形特征进行分析,同时将以上多元信息集成在可视化平台,从不同角度为西露天矿灾害治理工程提供理论指导。主要研究内容如下:(1)多手段协同构建了抚顺矿区空间地质构造三维精细化模型、老虎台和胜利矿地下矿三维模型,该模型可以直观的展示矿区岩性、地质构造的产状、空间侵入关系以及胜利矿与老虎台矿在F6断层处的采空区与断层的分布情况,便于后期对多种地质灾害防治方案的合理性进行深层次的研究与分析,从而达到辅助决策的目的。(2)根据现状边坡的局部治理情况从工程合理性及适宜性介绍了三种治理方案,对现状边坡和三种治理方案开展大规模复杂数值模型构建,在几何模型修复,单元尺寸和类型选择,畸变和低质量面网格处理,网格质量检查等前处理细节上阐述亿级网格划分过程。(3)利用COMSOL软件开展不同工况条件下的大规模力学计算,对现状边坡及开挖工况进行静力平衡分析,基于弹性损伤本构模型对现状边坡F5断层西侧的主要变形区及北帮E2000-E3000的风化卸荷带进行了岩体损伤破坏模拟,综合InSAR监测及现场滑坡实况,验证数值模拟结果的准确性。对比分析三种治理方案的技术可行性、经济可行性指标以及数值结果的变形及应力分布特征,选出最优治理方案,用弹性损伤本构模型对比分析了现状边坡和方案一,结果表明采用方案一治理后的损伤区明显减小。(4)将地质信息、三维力学计算结果、信息量评价结果及滑坡信息、雷达监测数据等成果集成在抚顺西露天矿3DGIS管理平台,实现多元信息可视化浏览。

关键词：精细化建模大规模力学计算边坡治理 WebGIS

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直流蒸汽发生器模块精细化建模与仿真

直流蒸汽发生器模块精细化建模与仿真

作者：童秋实哈尔滨工程大学

学位级别：硕士

直流蒸汽发生器(OTSG)是一体化压水堆的关键设备,是连接一、二回路的枢纽。OTSG二次侧给水在给水泵的驱动下一次流过传热管,被一次侧冷却剂加热,经过过冷段、饱和段和过热段,出口产生过热蒸汽。这使得OTSG的运行特性和控制方式与自然循... 详细信息

直流蒸汽发生器(OTSG)是一体化压水堆的关键设备,是连接一、二回路的枢纽。OTSG二次侧给水在给水泵的驱动下一次流过传热管,被一次侧冷却剂加热,经过过冷段、饱和段和过热段,出口产生过热蒸汽。这使得OTSG的运行特性和控制方式与自然循环蒸汽发生器有很大不同,有待深入研究。由于OTSG二次侧存在着复杂的两相流动和传热现象,为准确模拟其物理过程,研究其运行特点,必须开发精确、高效的仿真模型和求解程序。本文以固定控制体方法为基础,针对套管式OTSG的结构和运行特点,开发OTSG精细化仿真模型和求解程序。基本模型采用一维两相漂移流方程(五方程),在已有模型的基础上,通过文献调研补充了适用于套管式OTSG环形窄缝通道中的摩擦阻力系数、对流换热系数和净蒸汽产生点计算等辅助模型,辅助模型包含了二次侧可能出现的所有两相流型和传热模式。本文采用半隐格式离散基本方程,对方程中压力-速度进行解耦,得到关于压力的矩阵方程,通过解析该矩阵方程中系数矩阵结构,将控制体和接管连接的拓扑关系通过本文开发的程序自动生成压力矩阵方程中的系数矩阵。该系数矩阵为一个对称的稀疏矩阵,根据其特点应用全选主元高斯消去稀疏矩阵数值方法求解,最后采用FORTRAN语言开发了套管式OTSG的模型求解程序。并对仿真模型和程序进行了模块化封装,定义了与一、二回路系统数据交换的接口变量。通过本文开发的C#界面,结合套管式直流蒸汽发生器的实际结构,输入几何参数并指定控制体数目,从而实现仿真模型的快速生成。以一台负荷为3 MW的套管式直流蒸汽发生器为研究对象,利用仿真程序进行稳态和动态仿真,首先对仿真控制体数目进行敏感性分析;接着对仿真结果进行了对比分析,稳态仿真结果与设计值进行对比,主要参数误差在1%以内;动态仿真结果与RELAP5程序计算结果进行对比,参数变化趋势基本一致。仿真程序能实现二次侧过冷水、过冷沸腾、泡核沸腾、过渡沸腾、膜态沸腾和过热蒸汽等不同换热模式和泡状流、弹状流、环状流、弥散流等全流型的精确模拟,从而验证了OTSG仿真程序的准确性。本文的OTSG仿真程序为深入研究OTSG运行特性提供了工具,并为一体化反应堆仿真模型和程序的开发提供了参考,具有一定的工程实用意义。

关键词：套管式直流蒸汽发生器精细化建模模块化建模稀疏矩阵数值解法

含地源热泵精细化建模的综合能源系统日前优化调度

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含地源热泵精细化建模的综合能源系统日前优化调度

作者：胡振亚华北电力大学(北京)

学位级别：硕士

由于煤炭、石油等传统化石能源不可再生,提高能源利用效率、开发新能源、加强可再生能源综合利用是能源发展的必然选择。本文针对包含地源热泵、冷热电联供系统(CCHP)以及多种供能、储能设备的综合能源系统日前优化调度问题进行研究。首... 详细信息

由于煤炭、石油等传统化石能源不可再生,提高能源利用效率、开发新能源、加强可再生能源综合利用是能源发展的必然选择。本文针对包含地源热泵、冷热电联供系统(CCHP)以及多种供能、储能设备的综合能源系统日前优化调度问题进行研究。首先,对系统中的各个能源供给、转化和储存设备进行建模,在元件的传统模型基础上,考虑了设备效率值与负荷率之间的非线性关系,以期更准确地刻画元件的运行特性。结合国内地源热泵的实际工程应用情况,对地源热泵的运行模型进行了改进,将传统模型中连续性出力按制冷制热工况分档位处理,并考虑了地源热泵制冷制热效率值与档位之间的关系。然后,建立了综合能源系统的日前优化调度模型,优化目标为系统运行总成本最低,包括燃料费用、与外电网交互电量费用以及蓄电池寿命损失成本;约束条件包括冷热电供需平衡约束、供能和储能设备的运行约束以及能量转换耦合约束等。考虑到储能设备的初始荷电状态(SOC)将影响调度结果,所建立模型将各储能设备的SOC初值作为优化变量进行处理,以期最大程度地发挥储能设备的作用。最后,应用线性化方法对所建立的模型线性化处理后,通过MATLAB软件调用CPLEX求解器的混合整数线性规划法对所建立的模型进行优化求解,算例仿真结果验证了所建立模型的正确有效性。

关键词：综合能源系统地源热泵精细化建模日前优化调度混合整数线性规划

基于精细化建模的居民负荷分布式虚拟电厂优化调度研究

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基于精细化建模的居民负荷分布式虚拟电厂优化调度研究

作者：李云倩东南大学

学位级别：硕士

智能电网技术的迅猛发展推动了负荷智能化进程,也促进了大电网与用户的双向互动,用户侧需求响应相关研究成为重要的研究课题。相比传统网荷关系,智能化网荷互动对需求响应优化控制与调度策略的准确性与可靠性提出了更高的要求。居民负... 详细信息

智能电网技术的迅猛发展推动了负荷智能化进程,也促进了大电网与用户的双向互动,用户侧需求响应相关研究成为重要的研究课题。相比传统网荷关系,智能化网荷互动对需求响应优化控制与调度策略的准确性与可靠性提出了更高的要求。居民负荷作为负荷的重要组成部分,含有多种具有较高响应潜力的柔性负荷资源,但因其用电特性导致管理与调控该类负荷难度较大。因此,本文以居民负荷为主要研究对象,对柔性负荷精细化建模、需求响应潜力评估及优化调度等进行了研究。首先,结合居民用户用电个性化与舒适度需求,对三种典型家用大功率负荷进行了精细化建模研究。基于负荷本体物理模型和表达用户主观使用意愿的控制模型,提出了暖通空调系统、电热水器和电动汽车充放电负荷的精细化建模方法,详细分析了负荷各项技术参数与环境参数的精细化定义、用户个性化用电习惯及非典型用电过程对负荷用电效果的影响。其次,对单个居民负荷的能量管理优化调度策略进行了研究。分析了各类负荷的用电特性,以负荷用电舒适度需求和良性使用标准作为约束,建立了以优化用电成本为目标的家庭能量管理优化调度模型,并选用自适应离散粒子群算法分别在单类负荷和不同类型家庭场景下进行优化求解。优化前后的家庭用电成本对比及各类负荷用电需求曲线对比表明了提出模型的合理性与有效性。再次,聚合住宅区各类居民柔性负荷,在分布式虚拟电厂层面构建了调控潜力量化评判指标体系并提出了响应潜力计算方法。针对空调负荷,选取模糊C均值聚类方法进行聚类分析以区分不同类型住户;基于各类负荷的精细化模型和不同类型住户的用电特性分析,分别选择特征指标构建指标体系量化评判调控潜力;通过空调系统负荷曲线占空比分析、电热水器负荷水温曲线拟合分析及电动汽车负荷充放电可行域刻画求解响应容量,并由调控潜力和响应容量共同建立响应潜力分析模型。算例中各类负荷的聚合响应潜力分析结果证明了提出的潜力量化方法具有可行性与实际意义。最后,对分布式虚拟电厂的优化调度策略及网荷互动能力进行了研究。在分布式虚拟电厂层面,基于用户黏性理论建立了以售电利润最大化为目标的售电电价优化模型;在售电市场层面,将电网侧、分布式虚拟电厂和居民用户侧视为三方调度主体,构建了双层优化调度框架并分别建立上层、下层的优化调度模型,上层为以各分布式虚拟电厂运营利润最大化为目标的调度容量投标非合作博弈模型,下层对上层投标博弈结果进行分配,为以各用户负荷组收益最大化为目标的调度容量分配合作博弈模型;基于优化调度思想探讨了分布式虚拟电厂参与电网调峰的聚合负荷控制策略。算例分层优化调度博弈结果及调峰前后负荷曲线对比表明了提出模型和控制策略的合理性与有效性。

关键词：精细化建模居民负荷分布式虚拟电厂需求响应潜力日前优化调度