趙海峰， 杜廷娜， 葉榮波， 趙海波

（1. 重慶交通大學(xué)，重慶 400074；2. 同興源工程勘察設(shè)計(jì)有限公司，四川 成都 610000；3. 安徽省建設(shè)工程勘察設(shè)計(jì)院北京分院，北京 100039）

心形線雙曲拱壩三維建模

趙海峰1， 杜廷娜1， 葉榮波2， 趙海波3

（1. 重慶交通大學(xué)，重慶 400074；2. 同興源工程勘察設(shè)計(jì)有限公司，四川 成都 610000；3. 安徽省建設(shè)工程勘察設(shè)計(jì)院北京分院，北京 100039）

心形線作為幾何數(shù)學(xué)上最美最浪漫的一條曲線，第一次在拱壩設(shè)計(jì)中研究應(yīng)用。在研究心形線幾何特性時(shí)，發(fā)現(xiàn)有一段非常扁平的曲線，作為拱壩中軸線非常適合，可以使得拱壩的合力方向向山里偏轉(zhuǎn)，有利于壩肩的穩(wěn)定。因此，研究心形線作為拱壩的一種新線形，理論上具有可行性，并在實(shí)際工程中有一定的應(yīng)用參考價(jià)值。該文在研究心形線雙曲拱壩各種參數(shù)的基礎(chǔ)上，建立心形線雙曲拱壩的數(shù)學(xué)方程，實(shí)現(xiàn)圖形的三維建模，為拱壩下一步進(jìn)行有限元分析提供精確的三維模型，也為今后拱壩壩型的設(shè)計(jì)提供更多的選擇和有意義的參考。

計(jì)算機(jī)應(yīng)用；心形線；中軸線；雙曲拱壩；三維建模

心形線最早是由法國(guó)著名的哲學(xué)家、科學(xué)家和數(shù)學(xué)家勒內(nèi)·笛卡爾(Rene Descartes)提出的，心形線的形成是由動(dòng)圓上的一個(gè)固定點(diǎn)，繞著與其相切且半徑相同的另外一個(gè)固定的基圓圓周滾動(dòng)時(shí)所形成的軌跡，因其形狀像心形而得名。

心形線作為數(shù)學(xué)上浪漫而優(yōu)美的曲線，其本身的魅力不僅受到了數(shù)學(xué)家們的青睞，同時(shí)在生活中也得到了廣泛的應(yīng)用。人們?cè)谘芯康芽柼岢龅男男尉€時(shí)，根據(jù)其幾何意義和物理意義研發(fā)出先進(jìn)的技術(shù)產(chǎn)品，使其數(shù)理意義得到升華；同理，在工程上的應(yīng)用，通過(guò)與實(shí)際工程結(jié)合，發(fā)現(xiàn)心形線具有創(chuàng)新與發(fā)展的廣闊空間。在心形線參數(shù)變化過(guò)程中，可以得到一段非常扁平的曲線，這與拱壩設(shè)計(jì)中拱圈中軸線的線型選擇相當(dāng)契合。當(dāng)拱壩設(shè)計(jì)者審慎地對(duì)壩基勘探和處理后，希望壩體體形也趨于扁平化，使拱端的合力方向向山里偏轉(zhuǎn)，以利于壩肩的穩(wěn)定。這意味著，心形線雙曲拱壩很可能在某些方面會(huì)優(yōu)于其他圓弧或非圓弧雙曲拱壩。因此，本文研究了心形線雙曲變厚拱壩的幾何建模，并利用C++語(yǔ)言編程，進(jìn)而在CAD平臺(tái)上得到心形線雙曲拱壩的仿真形體，為拱壩下一步進(jìn)行有限元分析提供精確的三維體型[1]。

1 心形線

1.1 心形線的方程

心形線極坐標(biāo)方程：

式中，r為極徑，a為基圓的直徑，θ為極角。兩個(gè)方程分別對(duì)應(yīng)不同方向上的圖形，圖1所示為垂直方向上其中一個(gè)方程的圖形。

圖1 r=a×(1 +sinθ)的心形線圖形

根據(jù)上述極坐標(biāo)方程可以得到心形線的參數(shù)方程：

再根據(jù)心形線的參數(shù)方程，我們得到其直角坐標(biāo)方程：

1.2 心形線的性質(zhì)

心形線可以是一垂足曲線，同時(shí)也是圓的包絡(luò)線，并且對(duì)于任意斜率，心形線都擁有三條互相平行的切線。心形線包圍的面積為心形線的周長(zhǎng)為 8a。

1.3 心形線的應(yīng)用領(lǐng)域

心形線的出現(xiàn)首先來(lái)源于大自然的鬼斧神工以及生物的物競(jìng)天擇，比如心形的島嶼、湖泊、濕地、森林、珊瑚礁等，這就引起了人們用數(shù)學(xué)語(yǔ)言，幾何方式去詮釋這種自然現(xiàn)象的興趣，并促進(jìn)了心形線在各個(gè)工程領(lǐng)域的應(yīng)用，并開(kāi)發(fā)成各種工業(yè)產(chǎn)品，例如心形線電話筒，手機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)等。

2 心形線拱壩數(shù)學(xué)模型

為方便研究和量化說(shuō)明，現(xiàn)以國(guó)內(nèi)某工程實(shí)例為依托，建立數(shù)學(xué)模型?？梢詫⒐皦慰闯捎扇舾伤焦叭Π凑找欢ǖ囊?guī)律連續(xù)變化而形成[2]，因而，對(duì)拱壩形體的數(shù)學(xué)模型研究可以轉(zhuǎn)化為對(duì)拱圈數(shù)學(xué)模型的研究[3]。

2.1 心形線拱圈中軸線方程的建立

心形線拱圈中軸線方程的建立主要受到工程所處的地形地質(zhì)參數(shù)，以及拱壩中心角選取的影響[4]。由于心形線在拱圈線形中的應(yīng)用在國(guó)內(nèi)外尚未出現(xiàn)，但依據(jù)拱壩設(shè)計(jì)規(guī)范，水平拱圈的最大中心角應(yīng)根據(jù)應(yīng)力、穩(wěn)定性、工程量等因素，選為75°～110°。因此，結(jié)合已建工程的經(jīng)驗(yàn)，我們?cè)O(shè)定了最大的中心角，以及壩頂和其他拱圈的中心角；根據(jù)已得到的中心角φ，由心形線的極角θ與拱圈中心角的關(guān)系，可以計(jì)算得到參數(shù)方程的極角數(shù)值；再根據(jù)各層拱圈的水平間距L，結(jié)合心形線的參數(shù)方程，最終得到每一層拱圈中軸線的坐標(biāo)值。圖2所示為心形線作為拱壩中軸線的坐標(biāo)計(jì)算圖形。

圖2 心形線的坐標(biāo)圖形

拱圈中軸線的頂點(diǎn)一般都是位于坐標(biāo)原點(diǎn)的，因此由上述方程得到的坐標(biāo)還需要將縱坐標(biāo)進(jìn)一步變換，即：

2.2 心形線拱圈上下游拱弧方程的推導(dǎo)

拱圈上下游的坐標(biāo)主要是根據(jù)密切圓包絡(luò)線法得到，以中軸線上的點(diǎn)為圓心，再根據(jù)相應(yīng)中心角，以及相對(duì)應(yīng)的厚度為直徑，當(dāng)這些密切圓足夠多足夠緊密時(shí)，可以擬合出上下游拱圈[5]，如圖3所示。

圖3 心形線包絡(luò)圓擬合拱圈的圖形

再由拱圈通用公式確定拱圈上下游面的坐標(biāo)[4]，其中左半拱為：

右半拱：

式中， xu， yu為拱圈上游面的坐標(biāo)； xd， yd為拱圈下游面的坐標(biāo)；t為拱圈的厚度。

經(jīng)驗(yàn)表明，拱座的彎矩一般大于拱冠的彎矩，因此，拱座的應(yīng)力通常大于拱冠，為了節(jié)省混凝土，壩體厚度應(yīng)由拱冠向拱座逐漸增加，這種厚度的變化是漸變的，厚度 t隨角度φ變化的方程為：

式中， tc， tAR， tAL分別為拱冠、右拱座、左拱座的厚度；γ 為指數(shù)。

根據(jù)以上拱圈每一角度對(duì)應(yīng)的厚度，以及中軸線的坐標(biāo)，即可得出上下游的坐標(biāo)，進(jìn)而得到上下游曲線，如圖4所示。

圖4 拱圈上下游坐標(biāo)圖形

3 拱壩三維實(shí)體模型的編程與實(shí)現(xiàn)

3.1 C++編程的主要代碼

通過(guò)以上方程的推導(dǎo)，如果用一般方法計(jì)算是相當(dāng)繁瑣的[6]。尤其是在拱圈要求擬合的非常平滑過(guò)程中，更是要對(duì)中心角進(jìn)行0.1°的劃分，這樣計(jì)算的復(fù)雜性與重復(fù)性將是手動(dòng)無(wú)法完成的，因此只能用程序化來(lái)實(shí)現(xiàn)最終圖形。現(xiàn)利用C++語(yǔ)言編制心形線雙曲變厚拱壩程序，其主要程序代碼如下：

3.2 CAD生成三維實(shí)體模型

根據(jù)以上C++程序，首先生成后綴為scr的文件，然后將文件導(dǎo)入AutoCAD平臺(tái)中，這樣就可以自動(dòng)生成拱壩線框模型，如圖5所示。

圖5 心形線雙曲拱壩的線框模型

但這僅僅是拱圈的線框模型，為了更好的模擬拱壩體型，以及在實(shí)際工程中進(jìn)行應(yīng)力與應(yīng)變的分析模擬測(cè)試，需要對(duì)這些線框模型在 CAD中進(jìn)行放樣來(lái)生成三維實(shí)體模型。但由于每一層拱圈都是以0.1°來(lái)劃分取點(diǎn)的，這就導(dǎo)致拱圈的點(diǎn)相對(duì)較多，圖形的數(shù)據(jù)量會(huì)很大，軟件處理起來(lái)會(huì)相對(duì)較慢，由于計(jì)算機(jī)本身的限制，本次計(jì)算機(jī)模擬只能一層一層的進(jìn)行放樣；又因?yàn)槊恳粚庸叭λ鶎?duì)應(yīng)的中心角是不同的，這就導(dǎo)致了上一層拱圈與下一層拱圈上的點(diǎn)數(shù)不一致的情況，這就要求在放樣的過(guò)程中需要注意調(diào)節(jié)與控制，避免出現(xiàn)圖形的扭曲。拾取上一層拱圈與下一層拱圈的點(diǎn)盡量相同，可以取得比較理想的三維形體。本次放樣主要拾取的是左半拱圈的下游起點(diǎn)，這樣就可能減少不必要的扭曲，最終得到三維實(shí)體模型，如圖6所示。再通過(guò)不同視角的渲染輸出，就可得到拱壩的渲染圖形，如圖7所示。

圖6 心形線雙曲拱壩的實(shí)體模型

圖7 心形線雙曲拱壩三維渲染模型

4 結(jié) 論

心形線在拱壩線形中的理論研究與實(shí)際應(yīng)用之前都沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)，本文尚屬第一次，因此，為了更合理的、更充分的說(shuō)明其在拱壩線形中應(yīng)用的合理性，嘗試了在相同的地形參數(shù)，中心角參數(shù)的情況下，心形線作為拱圈中軸線與拋物線作為拱圈中軸線的對(duì)比，如圖8所示。

圖8 心形線與拋物線作為中軸線的對(duì)比

從圖8中我們可以清楚地看到，心形線的線形明顯要比拋物線的線形要扁平，這必然會(huì)使得拱壩兩邊壩肩的應(yīng)力方向更加向山里的巖基偏轉(zhuǎn)，從而減少壩肩向下游滑動(dòng)的因素；同時(shí)，由于心形線的弧長(zhǎng)也小于拋物線的弧長(zhǎng)，這也將有利于減少澆筑拱壩混凝土的體積。

在結(jié)合已建工程的基礎(chǔ)上，嘗試了心形線雙曲變厚拱壩的創(chuàng)新設(shè)計(jì)與研究，并且通過(guò)數(shù)學(xué)幾何建模，C++語(yǔ)言編程，AutoCAD三維建模，最終得到了心形線雙曲變厚拱壩三維實(shí)體模型。該模型可以作為有限元分析軟件的原始模型，為下一步實(shí)現(xiàn)應(yīng)力分析與體型優(yōu)化奠定基礎(chǔ)[7]。心形線在拱壩上的應(yīng)用還沒(méi)出現(xiàn)，包括其在工程上的應(yīng)用也相對(duì)不多，但作為一種參數(shù)化的優(yōu)美曲線，其本身具備數(shù)學(xué)建模以及聯(lián)系工程實(shí)際的特性，因此，心形線雙曲變厚拱壩的提出及體型優(yōu)化將為新的拱壩研究與發(fā)展提供理論基礎(chǔ)和科學(xué)依據(jù)。

[1] 潘家錚. 拱壩[M]. 北京: 水利電力出版社, 1982: 21-25.

[2] 朱伯芳. 中國(guó)拱壩的建設(shè)的成就[J]. 水利發(fā)電, 1999, 45(10): 38-40.

[3] 朱伯芳, 高季章, 陳祖煜, 厲易生. 拱壩設(shè)計(jì)與研究[M].北京: 中國(guó)水利水電出版社, 2002: 52-56.

[4] 周 偉, 葉 林, 李蒲建, 宋衛(wèi)峰. 對(duì)數(shù)螺旋線與對(duì)數(shù)螺旋型拱壩研究[J]. 電網(wǎng)與水力發(fā)電進(jìn)展, 2008, (3): 66-69.

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[6] 林繼鏞. 水工建筑物[M]. 北京: 中國(guó)水利水電出版社, 2009: 143-146.

[7] 陳曉年, 常曉林. 拱壩體形優(yōu)化研究進(jìn)展[J]. 湖北水利發(fā)電, 2008, 76(3): 31-35.

3D Modeling of Cardioid Dome Dam

Zhao Haifeng1, Du Tingna1, Ye Rongbo2, Zhao Haibo3
(1. Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, China; 2. Tong Xingxuan Engineering Survey and Design Limited Company, Chengdu Sichuan 610000, China; 3. Construction Survey and Design Institute of Anhui Province, Beijing Branch, Beijing 100039, China)

As the most beautiful and the most romantic curve, the cardioid is designed and applied in arch dam for the first time. In researching the geometric characteristics of cardioid, we find a length of very flat curve in it, which is suitable as the axle wire of arch dam, for it can make the resultant force direction of arch dam deflect to the mountain. Therefore, it has a certain applicable value to research cardioid as a new line type of arch dam. Based on researching various parameters of cardioid dome dam, this article establishes mathematical equations of cardioid dome dam, and adopts 3D modeling. It will provide an accurate model for finite element analysis in next step. And it will also provide more selections and meaningful reference for arch dam designing.

computer application; cardioid; axle wire; dome dam; 3D modeling

TP 339

A

2095-302X (2014)02-0195-05

2013-03-10；定稿日期：2013-03-26

重慶交通大學(xué)國(guó)家內(nèi)河航道整治工程技術(shù)研究中心開(kāi)放基金資助項(xiàng)目（SLK2010A01）

趙海峰（1987-），男，河南安陽(yáng)人，碩士研究生。主要研究方向?yàn)樗こ獭-mail：robbert378@sohu.com