數(shù)值模擬簡介3D(老孟)

1、FLAC3D數(shù)值模擬技術(shù)內(nèi)容提要 FLAC3D簡介 FLAC3D語法 FLAC3D基本模塊 FLAC3D應(yīng)用實例一、FLAC3D簡介1、概述 FLAC3D(Fast Lagrangian Analysis of Continua in 3 Dimentions)是美國明尼蘇達(dá)大學(xué)和美國Itasca Consulting Group Inc.開發(fā)的三維有限差分計算機程序 。 該程序主要適用模擬計算地質(zhì)材料和巖土工程的力學(xué)行為 特別是材料達(dá)到屈服極限后產(chǎn)生的塑性流動 可計算地質(zhì)類材料的高度非線性(包括應(yīng)變硬化/軟化)、不可逆剪切破壞和壓密、粘彈(蠕變)、孔隙介質(zhì)的固流藕合、熱力藕合以及動力學(xué)行為等

2、。 FLAC3D是在二維FLAC程序基礎(chǔ)上建立起來的。 可以模擬土層，巖石或其它材料承受塑性流變的三維結(jié)構(gòu)行為。 用戶可以根據(jù)目標(biāo)物的形狀來劃分三維網(wǎng)格，這些網(wǎng)格單元就構(gòu)成FLAC3D計算的依據(jù)。 另外， FLAC3D程序設(shè)有界面單元，可以模擬斷層、節(jié)理和摩擦邊界的滑動、張開和閉合行為。 FLAC還可以模擬支護(hù)結(jié)構(gòu)，如砌襯、錨桿、可縮性支架或板殼等與圍巖的相互作用。 同時，用戶可根據(jù)需要在FLAC中創(chuàng)建自己的本構(gòu)模型，進(jìn)行各種特殊修正和補充。 FLAC3D程序是建立在拉格朗日算法基礎(chǔ)上，特別適合模擬大變形和扭曲。 顯現(xiàn)的Lagrangian計算系統(tǒng)和混合離散化數(shù)據(jù)區(qū)域技術(shù)被引用到FLAC3D中

3、，這使得可精細(xì)地模擬塑性變形和流變 FLAC采用顯式算法來獲得模型全部運動方程(包括內(nèi)變量)的時間步長解，從而可以追蹤材料的漸進(jìn)破壞和垮落，這對研究采礦設(shè)計是非常重要的。（1）機械加載能力和變形 邊坡穩(wěn)定性和地基設(shè)計；（2）漸變和坡斷的演變 用于硬巖開采和隧道設(shè)計；（3）斷裂構(gòu)造影響評估 礦井設(shè)計；（4）地質(zhì)體錨桿支護(hù)控制 巖石錨固、回填和土層固定；（5）充分飽和的流體和孔隙壓力建立及排水或不排水條件下的孔隙壓力擴散、地下水流、固土結(jié)構(gòu)研究；（6）不同材料隨時間的蠕變行為 鹽礦和鉀鹽礦開采設(shè)計；（7）有滑動傾向的地質(zhì)構(gòu)造的動力加載 地震工程和礦井巖石突出研究；（8）爆炸加載和振動的動力作用 隧

4、道開挖或礦井開采設(shè)計；（9）構(gòu)筑物的地震激發(fā) 土壩設(shè)計；（10）因熱力影響產(chǎn)生的荷載引起變形和機械失穩(wěn) 地下存儲高輻射廢料倉庫的影響評價；（11）分析強變形材料 倉中和礦石開采中材料膨脹流變研究。 FLAC-3D可能應(yīng)用的范圍 FLAC模型（FLAC MODEL ） FLAC模型是用戶為了模擬實際問題而創(chuàng)建的。 用戶可使用FLAC的一系列命令，用數(shù)據(jù)方法定義問題的條件。 單元（ZONE）有些差分單元是最小的幾何空間，評估這個小區(qū)域的現(xiàn)象的變化（如壓力與張力），不同形狀的多面體區(qū)域（如塊狀、楔狀、尖塔形（角錐）和四面體形狀）用來創(chuàng)建模型，并且可用繪圖工具顯出來。每個多面體區(qū)域包含一組或兩組重疊的

5、5個四面體區(qū)域。默認(rèn)情況下，兩組重疊的5個四面體對解決問題精度更高。區(qū)域的另一個術(shù)語是單元（element） 網(wǎng)格點（GRINPOINT）網(wǎng)格點是有限差分單元各角的連接點。根據(jù)單元形狀，有個、個、個或個點與每個多面體連接。每個網(wǎng)格點都有一組x、y、z坐標(biāo)，這樣就可以確定有限差分單元的確切位置。網(wǎng)格點的另外術(shù)語是節(jié)和節(jié)點。 有限差分網(wǎng)格（FINITE DIFFERENCE GRID） 有限差分網(wǎng)格是由通過欲分析的物體范圍的一個或多個有限差分單元而組成的集合?！癵rid”的另一術(shù)語是“mesh（網(wǎng)格）”。有限差分網(wǎng)格和具體位置也是固定的。在FLAC程序運行中，網(wǎng)格點位置儲存著所有向量（如力、速度、

6、位移）。而標(biāo)量和張量（如應(yīng)力和材料特征）儲存在單元中心位置。 模型邊界（MODE BOUNDARY） 模型邊界是有限差分單元的周邊界，內(nèi)部邊界（如網(wǎng)格中的洞）也是模型邊界。 邊界條件（BOUNDARY CONDITION） 邊界條件是沿模型邊界的一個約束或控制條件的規(guī)定（如力學(xué)問題中的固定位移或壓力，地下水流問題中的不能滲透邊界，熱傳導(dǎo)問題中的熱絕緣邊界）。 初始條件（INITIAL CONDIONS）基本（或材料）模型代表FLAC模型中單元變形和承受力行為的限制。FLAC中提供了幾種基本模型來模擬地質(zhì)學(xué)材料的不同類型的行為表現(xiàn)。FLAC-3D程序本構(gòu)模型1)空單元模型(null model)

7、 (可用來模擬地下硐室的開挖和煤層開采2)彈性模型（elastic model）3)各向同性彈性材料模型(isotropic elastic model)；4)正交各向異性彈性模型（elastic orthotrpic model）5)Drucker-prager plasticity model 6)莫爾-庫侖彈塑材料模型(mohr-coulomb plasticity model) ；7)應(yīng)變軟化/硬化塑性材料模型（strain hardening softening plasticity model）；8)遍布節(jié)理材料模型(ubiquitous joint plasticity mode

8、l)；9)雙線性應(yīng)變軟化/硬化遍布節(jié)理塑性材料模型（bilinear strain hardening softening ubiquitous joint plasticity model）；10)modified cam-clay plasticity model 空元（NULL ZONE） 空元代表有限差分網(wǎng)格是空的（如沒有材料存在）。 亞網(wǎng)格（SUB-GRID） 有限差分網(wǎng)格可以由一些亞網(wǎng)格組成。亞網(wǎng)格可以用來創(chuàng)建模型中不同形狀的區(qū)域。 接觸面（attracted faces） 接觸面是分離的亞網(wǎng)格的網(wǎng)格面，這些亞網(wǎng)格面可以接觸或連接在一起。接觸面必須是共同的接觸面。但是，在每個面上的

9、網(wǎng)格點不一定必須對稱。不同密度的亞網(wǎng)格單元可以接觸。 不連續(xù)面（INTERFACE） 不連續(xù)面是計算過程中可以分離的亞網(wǎng)格之間的連接。不連續(xù)面代表物體不連續(xù)，如斷層、接觸面，或兩種不同材料之間的界面。 范圍（range） FLAC模型中的范圍是對特定的空間體積的限制。范圍設(shè)定了命令作用的范圍，范圍或范圍要素由x、y、z坐標(biāo)值來表示， 即使模型是運動的，這些坐標(biāo)點在空間中也是固定的，它與單元和網(wǎng)格點沒有關(guān)系。 組（group） FLAC模型的組是指被唯一命名的單元的集合。組可以用來限制某個FLAC命令的范圍，如“MODEL”命令，指定材料模型為已命名的組。任何命令指出了組名，就暗示這個命令在這個

10、單元組中運行。 識別號（IDNUMBER）FLAC模型中每個獨立單元都有一個明確的識別號。模型要素有識別號：不連續(xù)面、網(wǎng)格點、單元、體積、參照點、歷史、表、圖形細(xì)節(jié)和結(jié)構(gòu)單元實體（即梁（beam）、錨 （cable）、樁（pile）、骨架（shell）。 結(jié)構(gòu)單元（structure element）FLAC中有兩種結(jié)構(gòu)單元。兩個節(jié)的線性單元代表梁、錨 和樁。三個節(jié)的平坦三角形單元代表骨架。結(jié)構(gòu)單元用來模擬土層或巖體的結(jié)構(gòu)力的相互作用。非線形材料的性質(zhì)可以在單元內(nèi)模擬。 步長（step）典型問題的解一般2000至4000步內(nèi)就能達(dá)到要求，復(fù)雜的問題需要上萬步才能達(dá)到要求。解決動力學(xué)問題時，步長

11、是指實際的時間步長。步長的其他術(shù)語是時間步長和循環(huán)（timestep cycle）。 靜態(tài)解（static solution） 當(dāng)模型中的變化速度值可以忽略不記時，就得到靜態(tài)解。 不均衡力（unbalanced force）當(dāng)每個網(wǎng)格點的靜節(jié)點力向量為0時，模型是實際平衡的。FLAC3D中控制最大且不均衡力的變化，當(dāng)使用STEP和SLOVE命令時，最大不均衡力會顯示在屏幕上。 基本命令表 功 能 命 令 網(wǎng)格生成 gen 材料模型和特征 model properly 邊界/初始條件 apply fix initial set grravity 初始平衡 step solve 執(zhí)行修改 mode

12、l property apply fix ree set cable 保存/重建狀態(tài) save restor簡單網(wǎng)格生成 generate命令和其他一些關(guān)鍵字形成網(wǎng)格。關(guān)鍵詞定義模型單元數(shù)和適合某些問題的網(wǎng)格形狀確定。網(wǎng)格生成器中提供了幾種適合簡單形狀問題的網(wǎng)格，包括塊狀(brick)，楔狀(wedge)，尖錐狀(pyramid)和圓柱體(cylinder)，命令gen zone brick size 6, 8, 8 回車表示創(chuàng)建一個塊狀網(wǎng)格，這個網(wǎng)格包括x方向個單元，y,z方向個單元 單元數(shù)目由關(guān)鍵詞size確定，選擇模型的單元數(shù)目時一定要小心，因為單元數(shù)目影響到計算精度和解算速度 最簡單的

13、形式，generate命令可提供網(wǎng)格新的坐標(biāo)， 如，假設(shè)模型的現(xiàn)實坐標(biāo)為x方向為-10.0至10.0y方向為-10.0至10.0，z方向為-20.0至0.0如下命令：gen zone brick size 6 , 8, 8 & p0 -10 , -10 , -20 & p1 10 , -10 , -20 & p2 -10 , 10 , -20 & p3 -10 , -10 , 0 回車 brick meshp5n 2 , r 2p0n3,r3p2p3n1,r1p1p4p6p7二、FLAC3D語法規(guī)則 FLAC的輸入和一般的數(shù)值模擬程序不一樣，它可以用交互的方式從鍵盤輸入各個命令，也可以寫成命令

14、文件，類似于批處理，由文件來驅(qū)動。 FLAC命令大小寫一樣，所有的命令可以附帶若干個關(guān)鍵詞和有關(guān)的數(shù)值。數(shù)值間可以用空格隔開，空格的數(shù)目不限，也可以用下面的分隔符隔開：（），/ = command keyword value 表示可選的參數(shù)，輸入時括號不用輸入 表示可以有任意個參數(shù) 由( ;)號開始到行末為注釋行，F(xiàn)LAC在執(zhí)行時不于理會。 一個輸入行,包括注釋在內(nèi),允許80個字符.如果一行超過80個字符,就必須在行尾加 &( ampersand )符號.每個命令后最多允許有1024個字符。FLAC3D語言及主要命令 程序控制NEW CALL filenameQUITSAVE filename

15、 RESTORE filenameRETURNSTOP 計算模式說明 CONFIG AXisymmetric, p-stress Creep,dynamic ,extra, gwflow, thermal 幾何模型的建立 GENERATE ZONE meshname coordinate ratio ATTACH face 本構(gòu)模型參數(shù)輸入 MODEL null,mohr-coulomb,elastic,isotropic elastic, elastic orthotrpic ,ubiquitous-joint, strain hardening softening plasticity F

16、LAC3D程序本構(gòu)模型1)空單元模型(null model) (可用來模擬地下硐室的開挖和煤層開采2)彈性模型（elastic model）3)各向同性彈性材料模型(isotropic elastic model)；4)正交各向異性彈性模型（elastic orthotrpic model）5)Drucker-pragor plasticity model 6)莫爾-庫侖彈塑材料模型(mohr-coulomb plasticity model) ；7)應(yīng)變軟化/硬化塑性材料模型（strain hardening softening plasticity model）；8)遍布節(jié)理材料模型(ub

17、iquitous joint plasticity model)；9)雙線性應(yīng)變軟化/硬化遍布節(jié)理塑性材料模型（bilinear strain hardening softening ubiquitous joint plasticity model）；10)modified cam-clay plasticity model 初始條件說明INITIAL pp, sxx, sxy, sxz, syy, szz, xdis, ydis, zdis,yvel zvel xvel, SET large, small, 3D-damping, clock,creeptime, dytime, flow

18、, force, gravity , tension ,thermal,stepWATER table 邊界條件輸入APPLY mechnical boundary-ff, Pressure, sxx, syy , szz, sxy, xf, yf, zf, groundwater boundary-pp,dischange thermal boundary-convention ,flux, raditionFIX pp, Saturation, temperatrue, x ,yFREE pp ,Saturation, temperatrue, x y命令作用INITIAL xdis網(wǎng)格點

19、 X方向位移初始化INITIAL xvel網(wǎng)格點 X方向位速度始化INITIAL ydis網(wǎng)格點 Y方向位移初始化INITIAL yvel網(wǎng)格點 Y方向位速度始化INITIAL zdis網(wǎng)格點 Z方向位移初始化INITIAL zvel網(wǎng)格點 Z方向位速度始化INITIAL density單元物體密度初始化INITIAL sxx單元內(nèi) xx方向應(yīng)力分量初始化INITIAL sxy單元內(nèi) xy方向應(yīng)力分量初始化INITIAL sxz單元內(nèi) xz方向應(yīng)力分量初始化INITIAL syy單元內(nèi) yy方向應(yīng)力分量初始化INITIAL syz單元內(nèi) yz 方向應(yīng)力分量初始化INITIAL szz單元內(nèi) z

20、z方向應(yīng)力分量初始化初始條件說明命令作用Apply xforce作用在邊界網(wǎng)格點上的 x 方向力的分量Apply xvelocity作用在邊界網(wǎng)格點上的 x 方向的速度Apply yforce作用在邊界網(wǎng)格點上的 y 方向力的分量Apply yvelocity作用在邊界網(wǎng)格點上的 y 方向的速度Apply zforce作用在邊界網(wǎng)格點上的 z 方向力的分量Apply velocity作用在邊界網(wǎng)格點上的 z 方向的速度Apply sxx作用在邊界面上總應(yīng)力張量的 xx 分量Apply sxy作用在邊界面上總應(yīng)力張量的 xy分量Apply sxz作用在邊界面上總應(yīng)力張量的 xz 分量Apply

21、syy作用在邊界面上總應(yīng)力張量的 yy分量Apply syz作用在邊界面上總應(yīng)力張量的 yz 分量Apply szz作用在邊界面上總應(yīng)力張量的 zz 分量Fix x固定在邊界網(wǎng)格點的 x方向速度Fix y固定在邊界網(wǎng)格點的 y方向速度Fix z固定在邊界網(wǎng)格點的 z方向速度邊界條件輸入 支護(hù)結(jié)構(gòu)特性STRUCTUR beam cable support angle,begin,delete, end ,remove, width prop,segment,tension,delete node, fix, free, load, pin, slave, unslave prop Area, d

22、ensity ,e, i, kn 交界面說明INTERFACE cohesion, friction, glued, kn, ks ,tbond, unglued 用戶定義函數(shù)DEFINE function0nameEND 計算過程監(jiān)視HISTORY pp sig1,sig2,sxx,sxy ,syy,szz,temp thtime,unblance, write,xdis,ydis,xvel,yvelTRACK line, list, write 計算與求解SOLVE age ,dytime,force,temperatureSTEP n 模型輸出MOVIE file,off,on ,vie

23、wPLOT app, at, he, bo, c, cf, den, mark ,unmark, sxx, sxy, syy, szz,dif, sig1,sig2,fix,grid,plas,xv,yv,xdis, ydis, vis, pPRINT P,AT,be, bo, den ,mark unmark, sxx,sxy,syy,szz,sdif,sigl,sig2,fix, grid, plas, xv,yv,xdis,ydis, TITLE name 與操作系統(tǒng)有關(guān)命令copy, delete, dir, rename,type, exithelp三、FLAC3D基本模塊名 稱 關(guān)

24、鍵字1、Brick brick2、degenerate brick dbrick3、wedge wedge4、pyramid pyramid5、tetrahedron tetrhedron6、cylinder cylinder7、radial brick radbrick8、radial tunnel radtunnel9、radial cylinder radcylinder10、cylindrical shell cshell11、cylinder intersection cylint12、tunnel intersection tunint Generate zone meshname

25、 p0 (x0 y0 z0) p1(x1,y1 z1) p2 (x2 y2 z2) p3(x3 y3 z3) dim (d1 d2 d3 d4) size (n1 n2 n3 n4.) ratio (r1 r2 r3 r4) plot add surface color plot add axes plot showRadially graded mesh around parallelepiped-shaped tunneln 3 , r 3p8p0d1n1,r1n4,r4n2,r2p12d2p9d3p2d4p3p11p5p1p10p4p13p6p7brick meshp5n2,r2p0n3

26、,r3p2p3n1,r1p1p4p6p7generate zone brick p0 0 0 0 p1 10 0 0 p2 0 10 0 p3 0 0 10 size 10 10 10 ratio 1 1 1plot add surface blueplot showp0p1p2p3n1,r1p5p2n2,r2p0n3,r3p3p1p4Degenerate brick meshp6 gen zon dbrick p0 0 0 0 p1 10 0 0 p2 0 10 0 p3 0 0 10 size 10 10 10 plot add surface blue plot add axes red

27、 plot showp0p1p2p3p1p2p3n1,r1p0n3,r3n2,r2p3wedge meshp1p2p4p5 gen zon wedge p0 0 0 0 p1 10 0 0 p2 0 10 0 p3 0 0 10 size 10 10 10 ratio 1 1 1 plot add sur yellow plot add axes red plot showp0p1p2p3p0p1p3Pyramid meshn1,r1n3,r3p0n2,r2p3p4p2p1gen zon pyramid p0 0 0 0 p1 10 0 0 p2 0 10 0 p3 0 0 10 size 1

28、0 10 10plot add sur blueplot add axes red plot showp1p0p2p3p0p1p2p0n3,r3p3n2,r2n2,r2Tetrahedronn1,r2p1p2 gen zon tet p0 0 0 0 p1 10 0 0 p2 0 10 0 p3 0 0 10 size 10 10 10 plot add surface green plot add axes red plot showp0p1p2p3p0p1p2p3n2,r2n3,r3p0p3cylindern1,r1p2p1p4p4 gen zon cylinder p0 0 0 0 p1

29、 10 0 0 p2 0 20 0 p3 0 0 10 size 10 20 10 plot add sur red plot add axes blue plot showp1p2p3p0p1p2p3Radially graded mesh around brickn2,r2d2p0n1,r1d1p8p10n3,r3d3p13p9p12p3n4,r4p1p2p11p14p4p6p5p7 gen zon radbrick p0 0 0 0 p1 20 0 0 p2 0 20 0 p3 0 0 20 dim 10 10 10 size 10 10 10 10 plot add sur yellow plot add axes red plot showp1p2p3Radially graded mesh around parallelepiped-shaped tunneln3,r3p8p0d1n1,r1n4,r4n2,r2p12d2p9d3p2d4p3p11p5p1p10p4p13p6p7 gen zon radtunnel p0 0 0 0 p1 20 0 0 p2 0 20 0 p3 0 0 20 dim 10 10 10 10 size 10 20 10 10 plot add su