【正文】 FLAC3D在巖土工程中的應(yīng)用 中國科學院計算所教育中心 徐幫樹 系主任 /副教授 山東大學巖土與結(jié)構(gòu)工程研究中心 山東大學城市地下空間工程系 2022年 1月 79日 西安 2 主要內(nèi)容 ?軟件介紹 ?快速入門 ?基本原理 ?靜力計算 ?FISH語言 ?接觸面單元 ?結(jié)構(gòu)單元及應(yīng)用 ?流固耦合分析 ?非線性動力分析 ?自定義本構(gòu)模型 3 軟件介紹 ?Fast Lagrangian Analysis of Continua ?美國 Itasca咨詢公司開發(fā) 2D程序 (1986) ?1990年代初引入中國 ?有限差分法 (FDM) ?DOS版 → → → → 軟件介紹 —使用特征 ?命令驅(qū)動模式 ：界面操作 /人機交互 ?專一性 : 專為巖土工程而開發(fā) ? 本構(gòu)模型 12個（ 1個空 /3個彈性 /8個塑性） ? 計算模式 5種（靜力 /動力 /蠕變 /滲流 /溫度） ? 結(jié)構(gòu)單元 6種（梁 /錨桿 /樁 /殼 /格柵 /襯砌） ? 界面單元 節(jié)理 /斷層 /虛擬物理邊界 ? 機理分析 繪圖 /時步函數(shù) ?開放性 ： 命令驅(qū)動模式 /fish/C++ 軟件介紹 —計算特征 混合離散法 離散集成法 動態(tài)松弛法 ： 完全動態(tài)運動方程在模擬物理上的不穩(wěn)定過程不存在數(shù)值上的障礙 顯式差分法 :非線性 /大變形 /剛度矩陣 6 軟件介紹 —應(yīng)用范圍 ?巖土工程 /采礦工程 土木建筑 /交通 /地質(zhì) /石油 /環(huán)境 /核電 /水利工程 ? 巖土體漸進破壞和崩坍現(xiàn)象 ? 斷層結(jié)構(gòu)影響和加固系統(tǒng) ? 固結(jié)過程 ? 流變現(xiàn)象 ? 地下存儲效果 ? 變形局部化剪切帶演化 ? 動力穩(wěn)定分析 ? 巖土體與結(jié)構(gòu)相互作用分析 ? 振動液化現(xiàn)象 ?不足之處 求解時間受網(wǎng)格尺寸的影響很大 某些模式下的計算求解時間很長 前處理功能較弱 可以克服??！ ! 軟件介紹 8 主要內(nèi)容 ?軟件介紹 ?快速入門 ?基本原理 ?靜力計算 ?FISH語言 ?接觸面單元 ?結(jié)構(gòu)單元及應(yīng)用 ?流固耦合分析 ?非線性動力分析 ?自定義本構(gòu)模型 快速入門 —圖形界面 快速入門 —分析的基本組成部分 生成網(wǎng)格單元 設(shè)置邊界條件 定義材料性質(zhì) 設(shè)置初始條件 初始地應(yīng)力平衡 加載及連續(xù)建模 求解 輸出計算結(jié)果 建立分析模型 模擬 求解 快速入門 —簡單分析命令概要 功能 命令 功能 命令 清除 /調(diào)用命令文件 New Call 初始平衡 計算求解 Step/Solve Set mech/grav 生成網(wǎng)格 Generate Impgrid/Expgrid 執(zhí)行變更 Model/Property Apply/Fix 定義本構(gòu)關(guān)系 /性質(zhì) Model Property 計算結(jié)果保存及應(yīng)用 Save Restore 定義邊界 /初始條件 Apply/Fix Inital 圖形繪制及結(jié)果輸出 Plot Hist 快速入門 —文件類型 ?.dat 命令文件 call 記事本 ?.fis 二次開發(fā) call 記事本 ?.tmp 臨時文件 自動消失 ?.sav 結(jié)果文件 restore ?.log 日志文件 記事本 ?.flac3d 網(wǎng)格文件 Impgrid 記事本 快速入門 —成果輸出 ?圖片輸出 ?記錄結(jié)果輸出 hist id nh nstep=nkeyword … x y z hist id nh nstep=nkeyword … id=n hist write nhist1 nhist2… nhistn key word 記事本編輯 14 快速入門 —一個最簡單的例子 gen zon bri size 3 3 3 。建立網(wǎng)格 (前處理 ) model elas 。材料參數(shù) prop bulk 3e6 shear 1e6 ini dens 2022 。初始條件 fix z ran z .1 。邊界條件 fix x ran x .1 fix x ran x fix y ran y .1 fix y ran y set grav 0 0 10 solve 。求解 app nstr 10e4 ran z 3 x 1 2 y 1 2 solve plo con zd 。后處理 切片功能 RUN FLAC3D 例 快速入門 —收斂標準和變量解釋 ?常用標準 不平衡力比 10exp(5)/不平衡力 /典型內(nèi)力 ?自定義標準 ?不平衡力 ?網(wǎng)格節(jié)點速度 ?塑性區(qū)標識 shearn/ shearp tensionn/ tensionp ?歷時曲線 例 16 主要內(nèi)容 ?軟件介紹 ?快速入門 ?基本原理 ?靜力計算 ?FISH語言 ?接觸面單元 ?結(jié)構(gòu)單元及應(yīng)用 ?流固耦合分析 ?非線性動力分析 ?自定義本構(gòu)模型 17 基本原理 ? 有限差分法 ? Lagrangian網(wǎng)格 ? 空間混合離散技術(shù) ? Lagrangian格式動量平衡方程 ? FLAC3D的求解過程 ? FLAC3D的本構(gòu)模型 18 基本原理 —有限差分法 ?古老的方法 (上世紀 40年代 ) ?用差分格式轉(zhuǎn)化控制方程中的微商格式 ?流體力學；土工滲流問題；固結(jié) ?FDM amp。 FEM的混合求解 ?FDM的新進展 19 基本原理 —Lagrangian網(wǎng)格 ?源自流體力學中的拉格朗日法 ? 跟蹤流體質(zhì)點的運動狀態(tài) ? 跟蹤固體力學中結(jié)點，按時步用Lagrangian法研究網(wǎng)格節(jié)點的運動 ?節(jié)點和單元隨材料移動，邊界和接觸面與單元的邊緣一致 ?固體力學大變形理論 法國數(shù)學家、物理學家拉格朗日 20 基本原理 —空間混合離散技術(shù) + /2 = 21 基本原理 —Lagrangian格式動量平衡方程 F(t) duF m a mdt? ? ? ?ijiijdu gd t x???????,uuum 牛頓運動定律 對于連續(xù)體 在靜力平衡條件下，加速度項為 0，方程變?yōu)槠胶夥匠? 22 基本原理 —FLAC3D的求解過程 平衡方程 (動量方程 ) 應(yīng)力 —應(yīng)變關(guān)系 (本構(gòu)模型 ) Gauss定律 單元積分 應(yīng)變率 速度 節(jié)點力 新的應(yīng)力 對所有的網(wǎng)格節(jié)點 對所有單元 23 基本原理 —FLAC3D中的本構(gòu)模型 ?開挖模型 null ?3個彈性模型 ? 各向同性彈性 ? 橫觀各向同性彈性 ? 正交各向同性彈性 ?8個彈塑性模型 ? DruckerPrager模型、 MorhCoulomb模型、應(yīng)變硬化 /軟化模型、遍布節(jié)理模型、雙線性應(yīng)變硬化 /軟化遍布節(jié)理模型、雙屈服面塑性模型、修正劍橋模型和胡克布朗模型 24 巖石各向同性的巖石材料胡克 布朗模型粘土變形和抗剪強度是體變的函數(shù)修正劍橋模型輕膠結(jié)的粒狀材料，在壓力作用下導致永久體積減小雙屈服面塑性模型層狀材料破壞后研究具有非線性材料硬化或軟化的層狀材料雙線性應(yīng)變硬化 / 軟化遍布解理模型松散沉積地層中的開挖具有強度各向異性的層狀材料 ( 即板巖 )遍布解理模型破壞后研究 ( 失穩(wěn)過程，立柱屈服，頂板崩落 )存在非線性硬化或軟化的粒狀材料應(yīng)變硬化 / 軟化摩爾 庫侖模型巖土力學通用模型 ( 邊坡穩(wěn)定性分析，地下開挖 )松散或膠結(jié)的粒狀材料：土，巖石，混凝土摩爾 庫侖模型與隱式有限元程序相比的常用模型極限分析，底摩擦角的軟粘土德魯克 普拉格模型不超過強度極限的層壓材料橫觀各向同性彈性 ( 即板巖 )橫觀各向同性彈性不超過強度極限的柱狀玄武巖正交各向同性材料正交各向同性彈性低于強度極限的人工材料 ( 如鋼鐵 ) ；安全系數(shù)計算均勻各向同性的線形本構(gòu)關(guān)系線彈性模型孔洞，開挖，后續(xù)施工材料 ( 如回填 )空空模型實際應(yīng)用材料特性模型巖石各向同性的巖石材料胡克 布朗模型粘土變形和抗剪強度是體變的函數(shù)修正劍橋模型輕膠結(jié)的粒狀材料，在壓力作用下導致永久體積減小雙屈服面塑性模型層狀材料破壞后研究具有非線性材料硬化或軟化的層狀材料雙線性應(yīng)變硬化 軟化遍布解理模型松散沉積地層中的開挖具有強度各向異性的層狀材料 即板巖遍布解理模型破壞后研究 失穩(wěn)過程，立柱屈服，頂板崩落存在非線性硬化或軟化的粒狀材料應(yīng)變硬化 軟化摩爾 庫侖模型巖土力學通用模型 邊坡穩(wěn)定性分析，地下開挖松散或膠結(jié)的粒狀材料：土，巖石，混凝土摩爾 庫侖模型與隱式有限元程序相比的常用模型極限分析，底摩擦角的軟粘土德魯克 普拉格模型不超過強度極限的層壓材料橫觀各向同性彈性 即板巖橫觀各向同性彈性不超過強度極限的柱狀玄武巖正交各向同性材料正交各向同性彈性低于強度極限的人工材料 如鋼鐵 ；安全系數(shù)計算均勻各向同性的線形本構(gòu)關(guān)系線彈性模型孔洞，開挖，后續(xù)施工材料 如回填空空模型實際應(yīng)用材料特性模型基本原理 —FLAC3D中的本構(gòu)模型 25 主要內(nèi)容 ?軟件介紹 ?快速入門 ?基本原理 ?靜力計算 ?FISH語言 ?接觸面單元 ?結(jié)構(gòu)單元及應(yīng)用 ?流固耦合分析 ?非線性動力分析 ?自定義本構(gòu)模型 26 前后處理 ?基本前后處理 ? 命令操作 ? 菜單操作 ?外界模型的導入 ?復雜模型的網(wǎng)格檢查 27 菜單驅(qū)動 (前處理 /計算模式 ) 命令欄 28 FLAC3D的 前后處理 ?命令驅(qū)動 (推薦 ) ? 程序控制 ? 圖形界面接口 ? 計算模型輸出 ? 指定本構(gòu)模型及參數(shù) ? 指定初始條件及邊界條件，指定結(jié)構(gòu)單元 ? 指定接觸面 ? 指定自定義變量及函數(shù) (FISH) ? 求解過程的變量跟蹤 ? 進行求解 ? 模型輸出 前后處理功能的優(yōu)點 ?13種 zone類型 ?后處理快捷、方便、豐富 ?計算過程中的 hist變量動態(tài)顯示 ?FISH可進行參數(shù)化模型設(shè)計 ?單元狀態(tài)的可編程 ?計算暫停時的后處理與可保存 前后處理功能的缺點 ?復雜模型的建模功能不強 ? 可以編程導入其他軟件形成的網(wǎng)格 (比如： Ansys、 Adina、 ABQUS、 GeoCAD) ?無等值線的后處理功能 (3D) ? 可編程將 .sav文件寫入 TecPlot/Surfer等其他后處理軟件 ?全命令操作，學習困難 ?鼠標功能單一 (雙擊取擊點坐標 ) FLAC3D 網(wǎng)格模型 FLAC3D 網(wǎng)格模型 FLAC3D的建模功能不是很強大，一般用 ANSYS/ABQUS建模，然后導入 FLAC3D，可以通過編寫接口程序?qū)崿F(xiàn)。 FLAC3D Grid Generation with ANSYS+AutoCAD 33 外界模型的導入 ?復雜網(wǎng)格的生成難度大 ?接口編寫 ? 不同軟件之間的精度差異 ? Group的定義 ? 采用 .flac3d的文件格式 ? .flac3d文件的格式 ? G 1 +00 +00 +00 ? Z B8 1 2 3 4 5 6 7 8 ? ZGROUP Soil 1 2 3 ? impgrid