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1、第二部分：,FLAC3D软件学习+实例操作,学习内容,1、基础知识2、建模、划分网格3、本构模型及参数4、边界条件、初始条件及加载5、初始地应力的生成方法及初 始平衡求解6、求解及结果输出,1、基础知识,1.1 通用菜单(界面，菜单，术语)1.2一个简单分析计算样例 建模、划分网格 定义材料模型和参数 初始条件及边界条件 求解 结果分析,2、建模、划分网格,在FLAC3D程序中建立计算网格主要采用gen命令，该命令可生成点(point)、面(surface)和单元(zone)。由于点和面在三维计算程序中应用相对较少，此处主要介绍单元(zone)的生成和组合方法。主要命令：brick gen z
2、one+关键词cshell-radcyl,对于任何形状的单元体，其建立单元模型时关键点的描述需遵从一定的顺序，如建立一规则的六面体，其命令如下：,gen zone brick p0*p1*p2*&p3*size*rat*,当然，对于不规则的六面体我们需要指定全所有关键点的坐标，即从p0至p7所有点的坐标。,同时，关键词size还可配合ratio来进行运用，使得各单元间的长度按照一定的比率逐渐增大或减小。gen zone radcyl size 5 10 6 12&ratio 1 1 1 1.2,建立比较复杂的计算模型，即通过生成这些基本的单元来进行“拼凑”。如建立一个马蹄形断面的隧道,gen
3、zone radcyl size 5 10 6 12&ratio 1 1 1 1.2 p0 0,0,0 p1 100,0,0&p2 0,200,0 p3 0,0,100 gen zone radtun size 5 10 5 12&ratio 1 1 1 1.2 p0 0,0,0 p1 0,0,-100&p2 0,200,0 p3 100,0,0 这是通过radtun和 radcyl来组合生成所需要的模型。它们两者的生成关键点的描述存在较大的区别。,对于这两种基本的网格，其公共面上的关键点的对应关系更需校核好，否则将出现杂乱错误的网格。,对此马蹄形隧道，其公共面处，p0 p0,p1p3,p2p
4、2,p4p5,p8p9,p10 p11,对于对称的模型也可以采用镜像命令：,gen zone reflect norm-1 0 0&origin 0,0,0,网格单元间的连接,采用FLAC3D进行计算，所建立的模型需是一个连续的整体，否则计算结果将出现较大的误差甚至无法进行计算。对于在建立模型时，各关键点的坐标是准确无误输入且各公共面的网格数和大小均完全一致的模型，无需进行任何操作，模型即自动完成相互间的连接。此处所讨论的是公共面上网格的大小和划分的份数不一致或者两相邻面间存在间隙的问题。对于公共面上网格的大小和划分的份数不一致，主要采用attach命令来进行连接，而对两相邻面间存在间隙的问题
5、，则采用gen merge 命令来进行连接的操作。,需要指出：只有网格数之间存在整数倍的关系，才能采用attach命令来进行连接，否则连接会失败或仅能连接部分节点。,1.2634e6,1.2822e6,Gen zone brick size 4 4 4Gen zone brick size 4 4 4 p0 4.1 0 0 p1 8 0 0 p2 4.1 4 0 p3 4.1 0 4Gen merge 0.1,尺寸和份数要求为？,注意：,为了避免边界效应的影响，模型的外边界尺寸最小应为应为地下开挖洞室直径的35倍。为了保证计算结果的准确性，洞室周围的网格划分应密集一些，但也不宜过细，否则会影响
6、计算速度。同时，单元体的边长比值要控制在一定的范围内，尽量避免比较狭长的单元体出现。为了保证网格的连续性，应保证相邻边界节点的匹配，例如，相邻网格有相同的单元体数和一致的单元体几何变化率。,3、本构模型及参数,FLAC3D中为岩土工程问题的求解开发了特有的本构模型，总共包含了11种力学材料模型：1.开挖模型null;2.3个弹性模型（各向同性，横观各向同性和正 交各向异性弹性模型）;3.7个塑性模型（Drucker-Prager模型、Mohr-Coulomb模型、应变硬化/软化模型、霍克-布朗模型、遍布节理模型、双线性应变硬化/软化遍布节理模型和修正的cam粘土模型）.对所计算的模型选择合理的
7、本构关系，采用Model命令来进行指定，如定义计算模型为摩尔-库仑模型，则命令流为：Model mohr（可简写为：m m）,确定了合理的本构计算模型后，即赋予模型相应的材料属性，主要采用roperity命令执行，同时对于不同的本构模型，其材料参数各异，如对于摩尔-库仑本构模型：prop bulk*shear*fric*coh*ten*dilation*对于体积模量和剪切模量，其和弹性模量之间存在一转化公式：,或,对于材料的密度(干密度、湿密度等)则采用initial命令来设置，即：ini density*(range-)材料若考虑密度，则必须设置重力加速度，重力加速度的设置采用set命令，即
8、：set gravity 0 0 10 若重力方向为沿Z轴正向，则为10，若沿Z轴负向，则为-10，若沿Y轴负向，则应设置为：set gravity 0 10 0,注意:,材料的本构模型必须先定义，严格按照本构模型所要求的材料参数关键字赋予材料参数，否则会导致命令流出错。若本构模型需要的材料参数没有指定值时，系统使用默认值，默认值为0。数值模拟的计算参数与现场勘测值并不完全一致，需要进行适当的调试，使其计算结果与真实情况更为符合。考虑材料密度时，施加重力加速度要注意坐标轴的方向。,4、边界条件及初始条件,在FLAC3D中，包含多种边界条件，边界方位可以任意变化，边界条件可以是速度边界、应力边界
9、，单元内部可以给定初始应力，节点可以给定初始位移、速度等，还可以给定地下水位以计算有效应力等。这众多的边界条件主要通过apply或fix命令来进行设置。而初始条件则主要通过initial命令来执行，对所提的这两个命令必须严格区分并了解其差异。通常我们所计算的模型均采用力学边界，初始条件也基本是初始地应力的输入，对此两种不同的力，其设置存在差别，同时在计算过程中，该二者的变化情况也各不相同。,Apply 命令施加的边界力，其在计算过程中保持不变，且任意时刻均存在，除非再次执行apply命令进行修改或网格移除，如地表超载等；而ini命令施加的初始地应力，在计算过程中，随着计算模型位移的产生，其内部
10、的应力将不断进行调整和重分配。其基本格式为：apply szz*range z 60.1 59.9(施加在边界面上)ini szz*range z 0 60(施加于体上)同时可配合gradient施加线形变化的荷载，如：apply sxx-10e6 gradient 0,0,1e5,apply sxx-10e6 gradient 0,0,1e5 range z-100,0 上述命令流所施加的荷载值为：其具体求解方法为：如对于z=-50处，sxx=-10e6+1e5*(-50)=-15e6 对于存在多个不同变化梯度的初始应力的设置，必须保证在梯度变化处的应力值相等，若出现应力的跳跃将会产生较大的
11、误差，其计算结果将不可取。,对于位移边界，通常情况下是设置固定边界，即约束各边界在法线方向不发生任何位移，采用fix命令进行设置，例如：fix x range x 49.9 50.1(平面x=50处)若在计算过程中，需对原先约束的平面接触约束，则采用free命令进行设置。对于速度边界，则相应可理解为间接位移边界，设置的边界节点的速度，将随着计算时步产生相应的位移，对于日常生产中的伺服控制以及一些常规的试验，如单轴三轴实验等可采用速度边界来进行较准确的位移控制和定位。,速度边界设置主要采用apply命令进行设置，相应的可设置的速度变量为xvel、yvel、zvel，例如：apply xvel 2
12、e-7 range x 0.1 0.1 其表示将x=0面上所有的节点速度均设置为2e-7，若随着计算，需移除初始边界，则采用apply remove 命令进行删除操作。在进行速度边界设置时，速度的取值是关键，若已知固定时间内的位移，速度的求解为：速度=位移/计算时步 再者，进行速度和位移清零时，则可采用ini命令，即：,ini xvel 0 yvel 0 zvel 0 xdisp 0&ydisp 0 zdisp 0,注意：,要特别注意fix x y z range z 与fix z range z 之间的差别，前者是x、y、z三方向的位移全被限制，后者只限制了z方向的位移。范围要准确。ini命
13、令赋予梯度应力要注意初始值的计算。,5、初始地应力的生成方法及初始平衡求解,求解分两种类型，一类是初始平衡求解，另一类是进行了相应操作后(如开挖)的计算求解。对于任何三维数值计算模型，其初始平衡计算必不可少，待模型建立完成后，设置了本构和材料参数以及相应的边界条件和初始应力后，即可进行初始平衡求解，其目的是为了建立和原始地层所处环境相接近的计算模型，以此可进行相应的后续操作。初始平衡的求解，最关心的问题是初始地应力的获得，这里介绍两种常用的方法去获得初始地应力(基于无现场地应力测试资料)。,方法一：重力自动分配法 该法仅指定材料的密度和重力加速度，边界进行合理约束的情况下，由程序自身计算和分配
14、应力，以得到连续的三向地应力场，采用命令solve elastic执行。其缺点是：求解速度慢，检错性弱，前期变形大。方法二：手动设置法 该法即手动进行初始地应力的设置，若有充足的勘察资料，即可按实际资料进行详细设置，若无现场资料，则垂直应力按土层自重设置，水平应力与垂直应力间考虑侧压力系数，可按v/1-v(v为泊松比)进行选择，采用solve命令。优点：求解速度快，检错性强，前期变形合理。,初始地应力的生成,为什么要单独列出？分析过程出现的很多问题都与初始应力是否合理有关手册中的例子五花八门生成方法弹性求解更改强度参数的弹塑性求解设置初始应力的弹塑性求解存在水压力的初始应力生成水下建筑的初始应
15、力生成,弹性求解：,gen zon bri size 1 1 2m elasprop bulk 3e7 shear 1e7fix z ran z 0fix x ran x 0fix x ran x 1fix y ran y 0fix y ran y 1ini dens 2000set grav 0 0-10solve,Step=162sz=-40e3sx=-21.54e3,更改强度参数的弹塑性求解：,gen zon bri size 1 1 2model mohrprop bulk 3e7 shear 1e7 c 1e10 f 15 ten 1e10fix z ran z 0fix x ran
16、 x 0fix x ran x 1fix y ran y 0fix y ran y 1ini dens 2000set grav 0 0-10solveprop bulk 3e7 shear 1e7 c 10e3 f 15 ten 0solve,Step=163sz=-40e3sx=-21.54e3,设置初始应力的弹塑性求解：,gen zon bri size 1 1 2model mohrprop bulk 3e7 shear 1e7 c 10e3 f 15 ten 0fix z ran z 0fix x ran x 0fix x ran x 1fix y ran y 0fix y ran
17、y 1ini dens 2000ini szz-40e3 grad 0 0 20e3 ran z 0 2ini syy-20e3 grad 0 0 10e3 ran z 0 2ini sxx-20e3 grad 0 0 10e3 ran z 0 2set grav 0 0-10solve,Step=0sz=-40e3sx=-20e3,存在水压力的初始应力生成：,gen zon bri size 1 1 2model mprop bulk 3e7 shear 1e7 c 10e10 f 15 ten 1e10fix z ran z 0fix x ran x 0fix x ran x 1fix y
18、 ran y 0fix y ran y 1ini dens 2000 ran z 0 1ini dens 1500 ran z 1 2ini szz-35e3 grad 0 0 20e3 ran z 0 1ini syy-17.5e3 grad 0 0 10e3 ran z 0 1ini sxx-17.5e3 grad 0 0 10e3 ran z 0 1ini szz-15e3 grad 0 0 15e3 ran z 1 2ini syy-7.5e3 grad 0 0 7.5e3 ran z 1 2ini sxx-7.5e3 grad 0 0 7.5e3 ran z 1 2ini pp 10
19、e3 grad 0 0-10e3 ran z 0 1set grav 0 0-10,Step=83sz=-33.75e3sx=-23.21e3,水下建筑的初始应力生成：,gen zon bri size 1 1 2model mprop bulk 3e7 shear 1e7 c 10e10 f 15 ten 1e10fix z ran z 0fix x ran x 0fix x ran x 1fix y ran y 0fix y ran y 1ini dens 2000 ran z 0 2ini szz-50e3 grad 0 0 20e3 ran z 0 1ini syy-30e3 grad
20、 0 0 10e3 ran z 0 1ini sxx-30e3 grad 0 0 10e3 ran z 0 1ini pp 30e3 grad 0 0-10e3 ran z 0 2app nstress-10e3 ran z 2set grav 0 0-10solve,Step=111sz=-50e3sx=-44.4e3,平衡后的模型可进行任何岩土工程施工工序的模拟，此处介绍基本的“开挖”的操作模拟。采用FLAC3D进行岩土工程的开挖，主要采用model null命令，选择一定的开挖区域则可配合关键词range，例如开挖区域为：x向:2-5;y向:0-1.5;z向:0-4。相应的命令流为：mo
21、del null range x 2 5 y 0 1.5 z 0 4 对于开挖后的施工，如喷射初衬、架网、打锚杆、超前注浆管、二衬等等，甚至旋喷桩、灌注桩、地下连续墙等，均可采用相应的结构单元或近似处理方法来进行较合理的模拟。,6,求解及结果输出,FLAC3D在岩土工程中的应用,报告人：陈育民导 师：刘汉龙河海大学岩土工程研究所,主要内容,FLAC3D软件简介FLAC3D的基本原理FLAC3D的前后处理流-固耦合分析接触单元与应用完全非线性的动力分析自定义本构模型的基本方法结构单元及应用,主要内容,FLAC3D软件简介FLAC3D的基本原理FLAC3D的前后处理流-固耦合分析接触单元与应用完全
22、非线性的动力分析自定义本构模型的基本方法结构单元及应用,FLAC3D简介,Fast Lagrangian Analysis of Continua美国Itasca咨询公司开发2D程序(1986)1990年代初引入中国有限差分法(FDM)DOS版2.0 2.1 3.0Itasca其他软件,FLAC3D简介,应用：岩土力学分析，例矿体滑坡、煤矿开采沉陷预测、水利枢纽岩体稳定性分析、采矿巷道稳定性研究等岩土工程、采矿工程、水利工程、地质工程 特色：大应变模拟完全动态运动方程使得FLAC3D在模拟物理上的不稳定过程不存在数值上的障碍 显示求解具有较快的非线性求解速度,主要内容,FLAC3D软件简介FL
23、AC3D的基本原理FLAC3D的前后处理流-固耦合分析接触单元与应用完全非线性的动力分析自定义本构模型的基本方法结构单元及应用,基本原理,有限差分法Lagrangian网格空间混合离散技术Lagrangian格式动量平衡方程FLAC3D的求解过程FLAC3D的本构模型,有限差分法,古老的方法(上世纪40年代)用差分格式转化控制方程中的微商格式流体力学；土工渗流问题；固结FDM&FEM的混合求解FDM的新进展,Lagrangian网格,源自流体力学中的拉格朗日法跟踪流体质点的运动状态跟踪固体力学中结点，按时步用Lagrangian法研究网格节点的运动节点和单元随材料移动，边界和接触面与单元的边缘一致固体力学大变形理论,法国数学家、物理学家拉格朗日,空间混合离散技术,结构域离散为可由四面体单元组合形成的五面体或六面体等单元以 为基本单元(常应力、常应变)体应变的计算：偏应变的计算：,
