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基础学问介绍FLAC3D
一、概述()由美国公司FLAC Fast Lagrangian Analysis of ContinuaItasca开发的目前,有二维和三维计算程序两个版本,二维计算程序FLAC以前的为版本,版本仅仅能够运用计算机的基本内存)V
3.0DOS V
2.564K,所以,程序求解的最大结点数仅限于个以内年,已20001995FLAC2D升级为的版本,其程序能够运用护展内存因此,大大发护展了计V
3.3算规模是一个三维有限差分程序,目前已发展到版本FLAC3D V
3.0的输入和一般的数值分析程序不同,它可以用交互的方式,FLAC3D从键盘输入各种叮嘱,也可以写成叮嘱(集)文件,类似于批处理,由文件来驱动因此,接受程序进行计算,必需了解各种叮嘱关键FLAC词的功能,然后,依据计算依次,将叮嘱按先后,依次排列,形成可以完成确定计算任务的叮嘱文件是二维的有限差分程序的护展,能够进行土质、岩FLAC3D FLAC2D石和其它材料的三维结构受力特性模拟和塑性流淌分析调整三维网格中的多面体单元来拟合实际的结构单元材料可接受线性或非线性本构模型,在外力作用下,当材料发生屈服流淌后,网格能够相应发生变形和移动(大变形模式)接受的显式拉格朗日算法和混合-离散FLAC3D分区技术,能够特殊精确的模拟材料的塑性破坏和流淌由于无须形成刚度矩阵,因此,基于较小内存空间就能够求解大范围有时会须要较长时间才可以收敛主要发生在下列状况FLAC3D下材料本身刚度变异或材料与结构及接触面之间的刚度差异很大a划分的区域尺寸相差很大b这些尺寸差异越大编码就越无效在做详细分析前应当探讨刚度差异的影响例如,一个荷载作用下的刚性板,可以用一系列顶点固定的网格代替,并施以等速度记住叮嘱确定速度,而不是位移地FIX下水的出现将使体积模量发生明显的增加一见理论卷第三章流体-固体相互作用分析.考虑网格划分的密度3运用常应变单元假如应力/应变曲线倾斜度比较高,那么FLAC3D你将须要许多区域来代表多变的分区通过运行划分密度不同的同一个问题来检查影响应用常应变区域,因为当用多的少节点单元与FSC3D用比较少的多节点单元模拟塑性流淌时相比更精确应尽可能保持网格,尤其是重要区域网格的统一避开长细比大于的瘦长单元,并避开单元尺寸跳动式变更即应运用平滑的网格应5:1用叮嘱中的比率关键词,使细划分区域平滑过渡到粗划分区GENERATE域.自动发觉平衡状态4默认状况下,当执行叮嘱时,系统将自动发觉力的平衡当SOLVE模型中全部网格顶点中全部力的平均量级与其中最大的不平衡力的量级的比率小于时,认为达到了平衡状态留意一个网格顶点的力由内1*10力(例如,由于重力)和外力(例如,由于所加的应力边界条件)共同引起因为比率是没有尺寸的,所以对于有不同的单元体系的模型,在大多数状况下,不平衡力和所加力比率的限制给静力平衡供应了一个精确的限制同时还供应了其他的比率限制;可以用叮嘱施加假如SET ratio默认的比率限制不能为静力平衡供应一个足够精确的限制,那么应考虑可供选择的比率限制默认的比率限制同样可用于热分析和流体分析的稳定状态求解对于热分析,是对不平衡热流量和所加的热流量量级进行评估,而不是力对于流体分析,对不平衡流度和所加流度量级进行评估.考虑选择阻尼5对于静力分析,默认的阻尼是局部阻尼,对于消退大多数网格顶点的速度重量周期性为零时的动能很有效这是因为质量的调整过程依靠于速度的变更局部阻尼对于求解静力平衡是一个特殊有效的计算法则且不会引入错误的阻尼力(见)Cundall1987o假如在求解最终状态,重要区域的网格海疆的速度重量不为零,那么说明默认的阻尼对于达到平衡状态是不够的有另外一种形式的阻尼,叫组合阻尼,相比局部阻尼可以使稳定状态达到更好的收敛,这时网格将发生明显的刚性移动例如,求解轴向荷载作用下桩的承载力或模拟蠕变时都可能发生运用叮嘱来调用组SETmechanical dampcombined合阻尼组合阻尼对于减小动能方面不如局部阻尼有效,所以应留意使系统的动力激发最小化(见例)可以用
3.14o叮嘱转换到默认阻尼SET mechanicaldamp local.检查模型反应6显示了一个相试的物理系统是怎样变更的做一个简洁的FLAC3D试验证明你在做你认为你在做的事情例如,假如荷载和实体在几何尺寸上都是对称的,当然反应也是对称的变更了模型以后,执行几个时步(假如,或步),证明初始反应是正确的,并且发生的位置是正510确的对应力或位移的期望值做一个估计,与的输出结果作比FLAC3D较假如你对模型施加了一个猛烈的冲击,你将会得到猛烈的反应假o如你对模型作了一些看起来不合理的事情,你确定要等待惊异的结果假如在分析的一个给定阶段,得到了意外值,那么回顾到这个阶段所用的时步在进行模拟前很关键的是检查输出结果例如,除了一个角点速度很大外,一切都很合理,那么在你理解缘由前不要接着下去这种状况小,你可能没有给定适当的网格边界.初始化变量7在模拟基坑开挖过程时,在达到目的前通常要初始化网格顶点位移因为计算次序法则不要求位移,所以可以初始化位移,这只是由网格顶点的速度确定,并有益于用户初始化速度却是一件难事假如设定网格顶点的速度为一常数,那么这些点在设置否则前保持不变所以,不要不要为了清除这些网格的速度而简洁的初始化它们为零这将影响模拟结果然而,有时设定速度为零是有用的(例如,消退全部的动能).最小化静力分析的瞬时效应8对于连续性静力分析,经过许多阶段逐步接近结果是很重要的—即,当问题条件突然变更时,通过最小化瞬时波的影响,使结果更加静力〃使解决方法更加静态的方法有两种FLAC3D().当突然发生一个变更时(例如,通过使区域值为零模拟开1挖),设定强度性能为很高的值以得到静力平衡然后为了确保不平衡力很低,设定性能为真实值,再计算,这样,由瞬时现象引起的失败就不会发生了(),当移动材料时,用函数或表格记录来逐步削减荷载(见2FISH节中的例子)
1.
2.变更模型材料9对一个模拟中所用的材料数没有限制这个准则已经尺寸FLAC3D化,允许用户在自己所用版本的中最大尺寸网格的每个区域(假FLAC3D如设定的)运用不同的材料.运行在现场原位应力和重力作用下的问题10有许多问题在建模时须要考虑现场原位应力和重力的作用这种问题的一个例子是深层矿业开挖一一回填,此时大多数岩石受很高的原位应力区的影响(即,自重应力由于网孔尺寸的限制可以忽视不计),但是回填桩的放置使自重应力发展导致岩石在荷载作用下可能坍塌在这些模拟中要留意的重点(因为任何一种模拟都有重力的作用)是网格的至少三个点在空间上应固定——否则,整个网格在重力作用下将转动假如你曾经留意到整个网格在重力加速度矢量方向发生转动,那么你可能遗忘在空间上固定网格了(见例)
3.16
八、算例在某隧道工程开挖支护中的应用.叮嘱流FLAC3D
3.
0.datnewset logonset logfilewang.loggen zonradcyl pO000pl
9.000p20500p3008size42064dim6565rat1111group围岩gen zoncshell pO000pl
6.000p20500p
3005.0size42064dim
5.
64.
65.
64.6rat1111group初期支护gen zoncshell pO000pl
5.600p20500p
3004.6size42064dim
5.
04.
05.
04.0rat1111group二次衬砌fill group原岩gen zonradcyl pO000pl00-
8.0p20500p
39.000size42064dim3636rat1111group围岩2gen zoncshell pO000pl00-
3.0p20500p
36.000size42064dim
2.
65.
62.
65.6rat1111group仰拱初期支护gen zoncshell pO000pl00-
2.6p20500p
35.600size42064dim2525rat1111group仰拱二次衬砌fillgroup仰拱原岩gen zonereflect normal-100gen zoneradtun pO000pl4500p20500p30020size320312dim9898rat
1111.1group围岩3genzon reflect dip0ori000range x09y050z820gen zonreflect dip0ori000range x945y050z020gen zonreflect dip90dd270ori000rangex09y050z820gen zonreflect dip90dd270ori000range x09y050z-8-20gen zonreflectdip90dd270ori000range x945y050z-2020gen zonbrick pO-450-20pl-450-40p2-4550-20p3450-20size5206rat
1.111group围岩4save tun_model.sav;假设围岩岩体符合mohr-coulomb本构模型,给围岩赋参数叮嘱流如下,;mohr-coulomb modelmodelmohr defderive smodl=E modl/
2.0*
1.0+p_ratiolb_modl=E_modl/
3.0*
1.0-
2.0*p_ratiol s_mod2=E_mod2/⑵0*
1.0+p_ratio2b_inod2=E_mod2/⑶0*
1.0-
2.0*p_ratio2end setE_modl=
0.6e9p_ratiol=
0.27E_mod2=
0.8e9p_ratio2=
0.26deriveprop bulkb_modl shear s_modl cohe
1.8e6tens
0.8e6fric30range z
4.520prop bulkb_mod2shears_mod2cohe
2.8e6tens
1.0e6fric35range z-
404.5ini dens=2300set grav00-10;boundary andinitial conditionsapplyszz-
1.4e6range z
19.
920.1fix zrange z-
40.1-
39.1fix xrange x-
45.1-
44.9fix xrange x
44.
945.1fix yrange y
49.
950.1hist unbalhist gp xdis
6.0,0,0hist gpzdis0,0,5hist gpxdis
6.0,50,0histgpzdis0,50,5plot hist3solvesave tun_nature.sav;对后面计算而言,模型建立时岩体在开挖前认为位移已经终了,因此须要对位移进行“清零”,而应力可以保留假设隧道先开挖上断面,中间不设支护,直到进尺50m,那么此时位移和应力的分布状况可用如下叮嘱流ini xdis=0ydis=0zdis=0plot remodel null range group原岩model nullrange group二次衬砌model nullrange group初期支护set largehist unbalplot hist3solvesave tunextl.sav;假如在开挖后适时对隧道进行锚喷混凝土初期支护,该叮嘱流如下:restore tunnature,sav inixdis=0ydis=0zdis=0plot remodel nullrange group初期支护model nullrange group二次衬砌modelnullrange group原岩step100histunbalplothist3mo elrange group初期支护prop bulk
1.33e9shear
0.8e9cohe
2.2e6tens
1.2e6fric32range z
4.
57.0x-
7.
07.0prop bulk
10.9e9shear
8.9e9dens2500rangegroup初期支护set largesolvesave tunext
2.sav的三维问题三维快速拉格朗日法是一种基于三维显式有限差分法的数值分析方法,它可以模拟岩土或其他材料的三维力学行为三维快速拉格朗日分析将计算区域划分为若干四面体单元,每个单元在给定的边界条件下遵循指定的线性或非线性本构关系,假如单元应力使得材料屈服或产生塑性流淌,则单元网格可以随着材料的变形而变形,这就是所谓的拉格朗日算法,这种算法特殊适合于模拟大变形问题三维快速拉格朗日分析接受了显式有限差分格式来求解场的限制微分方程,并应用了混合单元离散模型,可以精确地模拟材料的屈服、塑性流淌、软化直至大变形,尤其在材料的弹塑性分析、大变形分析以及模拟施工过程等领域有其独到的优点FLAC-3DThree DimensionalFastLagrangianAnalysisofContinue是美国开发的三维快速拉格朗日分析程序,Itasca ConsultingGoup Inc该程序能较好地模拟地质材料在达到强度极限或屈服极限时发生的破坏或塑性流淌的力学行为,特殊适用于分析渐进破坏和失稳以及模拟大变形它包含种弹塑性材料本构模型,有静力、动力、蠕变、渗流、温10度五种计算模式,各种模式间可以相互藕合,可以模拟多种结构形式,如岩体、土体或其他材料实体,梁、锚元、桩、壳以及人工结构如支护、衬砌、锚索、岩栓、土工织物、摩擦桩、板桩、界面单元等,可以模拟困难的岩土工程或力学问题接受语言编写的FLAC3D ANSIC++
二、的优点与不足FLAC3D有以下几个优点:FSC3D对模拟塑性破坏和塑性流淌接受的是混合离散法:这种方法比1有限元法中通常接受的离散集成法更为精确、合理即使模拟的系统是静态的,仍接受了动态运动方程,这使得2在模拟物理上的不稳定过程不存在数值上的障碍FUXC3D接受了一个显式解方案因此,显式解方案对非线性的应力3-应变关系的求解所花费的时间,几互与线性本构关系相同,而隐式求解方案将会花费较长的时间求解非线性问题面且,它没有必要存储刚度矩阵,这就意味着,接受中等容量的内存可以求解多单元结构;模拟大变形问题几互并不比小变形问题多消耗更多的计算时间,因为没有任何刚度矩阵要被修改当然,它也存在以下几个不足之处对于线性问题的求解,比其他有限元程序运行得要慢;1FLAC3D但是,当进行大变形非线性问题或模拟实际可能出现不稳定问题时,是最有效的工具FLAC3D用求解时间取决于最长的自然周期和最短的自然周期2FSC3D之比
三、的特点FLAC3D工、应用范围广泛包含材料本构模型
1.110中为岩土工程问题的求解开发了特有的本构模型,总共Flac3D包含了种材料模型:10开挖模型
1.null个弹性模型(各向同性,横观各向同性和正交各向同性弹性模
2.3型)(个塑性模型模型、模型、应
3.6Drucker-Prager Morh-Coulomb变硬化/软化模型、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粘土模型)cam网格中的每个区域可以给以不同的材料模型,并且还允许指Flac3D定材料参数的统计分布和变更梯度还包含了节理单元,也称为界面单元,能够模拟两种或多种材料界面不同材料性质的间断特性节理允许发生滑动或分别,因此可以用来模拟岩体中的断层、节理或摩擦边界中的网格生成器通过匹配、连接由网格生成器生成局FLAC3D gen,部网格,能够便利地生成所须要的三维结构网格还可以自动产生交岔结构网格(比如说相交的巷道),三维网格由整体坐标系系统所确x,y,z定,这就供应了比较灵敏的产生和定义三维空间参数有五种计算模式
4.2)静力模式这是默认模式,通过动态松弛方法得静态FLAC-3D解()动力模式用户可以干脆输人加速度、速度或应力波作为系统2的边界条件或初始条件,边界可以固定边界和自由边界动力计算可以与渗流问题相藕合蠕变模式有五种蠕变本构模型可供选择以模拟材料的应力-应3变-时间关系:模型、双指数模型、参考蠕变模型、粘塑性模型、Maxwell脆盐模型渗流模式可以模拟地下水流、孔隙压力耗散以及可变形孔隙介4质与其间的粘性流体的耦合渗流听从各向同性达西定律,流体和孔隙介质均被看作可变形体考虑非稳定流,将稳定流看作是非稳定流的特例边界条件可以是固定孔隙压力或恒定流,可以模拟水源或深井渗流计算可以与静力、动力或温度计算耦合,也可以单独计算温度模式可以模拟材料中的瞬态热传导以及温度应力温度计5算可以与静力、动力或渗流计算藕合,也可单独计算可以模拟多种结构形式
5.3对于通常的岩体、土体或其他材料实体,用八节点六面体单元模I拟包含有四种结构单元:梁单元、锚单元、桩单元、壳单2FIAC-3D元可用来模拟岩土工程中的人工结构如支护、衬砌、锚索、岩栓、土工织物、摩擦桩、板桩等的网格中可以有界面,这种界面将计算网格分割为若干3FU\C-3D部分,界面两边的网格可以分别,也可以发生滑动,因此,界面可以模拟节理、断层或虚拟的物理边界可以有多种边界条件
6.4边界方位可以随意变更,边界条件可以是速度边界、应力边界,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、全部给定量都可以具有空间梯度分布内嵌语言2FLAC-3D FISH具有强大内嵌语言使得用户可以定义新的变量或函FLAC-3D FISH,数,以适应用户的特殊须要,例如,利用做以下事情HSH用户可以自定义材料的空间分布规律,如非线性分布等I用户可以定义变量,追踪其变更规律并绘图表示或打印输出2用户可以自己设计内部没有的单元形态3FUXC-3D在数值试验中可以进行伺服限制4用户可以指定特殊的边界条件5自动进行参数分析6利用内部定义的变量或函数,用户可以获得计算过7FSC-3D Fish程中节点、单元参数,如坐标、位移、速度、材料参数、应力、应变、不平衡力等具有强大的前后处理功能3FLAC-3D具有强大的自动三维网格生成器,内部定义了多种单元形FLAC-3D态,用户还可以利用自定义单元形态,通过组合基本单元,可以生FISH成特殊困难的三维网格,比如交叉隧洞等在计算过程中的任何时刻用户都可以用高辨别率的彩色或灰度图或数据文件输出结果,以对结果进行实时分析,图形可以表示网格、结构以及有关变量的等值线图、矢量图、曲线图等,可以给出计算域的随意截面上的变量图或等直线图,计算域可以旋转以从不同的角度观测计算结果
四、做计算分析的一般步骤FLAC3D与大多数程序接受数据输入方式不同,接受的是叮嘱驱动方式FLAC叮嘱字限制着程序的运行在必要时,尤其是绘图,还可以启动用户交互式图形界面为了建立FLAc计算模型,必需进行以下三个方面的工作FU\C有限差分网格
1.本构特性与材料性质
2.边界条件与初始条件
3.完成上述工作后,可以获得模型的初始平衡状态,也就是模拟开挖前的原岩应力状态然后,进行工程开挖或变更边界条件来进行工程的响应分析,类似于的显式有限差分程序的问题求解与传统的隐式求FSC解程序不同,接受一种显式的时间步来求解代数方程进行一系列FLAC计算步后达到问题的解在中,达到问题所需的计算步能够通过程序或用户加以限制,FLAC但是,用户必需确定计算步是否已经达到问题的最终的解
五、分析的运用领域FLAC3D依据手册中所说,总结如下承受荷载实力与变形分析用于边坡稳定和基础设计1渐进破坏与坍塌反演用于硬岩采矿和隧道设计2断层构造的影响探讨用于采矿设计3施加于地质体锚索支护所供应的支护力探讨岩锚和土钉的设计4排水和不排水加载条件下全饱和流体流淌和孔隙压力扩散探讨挡土墙5结构的地下水流淌和土体固结探讨粘性材料的蠕变特性用于碳酸钾盐矿设计6陡滑面地质结构的动态加载用于地震工程和矿山岩爆探讨7爆炸荷载和振动的动态响应用于隧道开挖和采矿活动8结构的地震感应用于土坝设计9由于温度诱发荷载所导致的变形和结构的不稳定10大变形材料分析用于探讨粮仓谷物流淌和放矿的矿石流淌12
六、后处理用绘制曲线tecplot.第一主应力
1、
2.xdisp ydispzdisp^disp用做曲线excel隧道做地表沉降槽1zdisp地表横向位移2xdisp隧道中线竖向沉降曲线3zdisp提取位移矢量图,4显示初期支护结构内力5显示(找塑性区)6state基坑(做地表沉降槽)1zdisp提取位移矢量图,2显示初期支护结构内力3显示(找塑性区)4state边坡做平安系数和应变图
七、模型最优化用解决问题时,为了得到最有效的分析使模型最优化是很FLAC3D重要的这个章节对改进模型的运行供应了一些方法建议同时,准备计算时须要避开的一些通常出现的缺陷也列了出来.检查模型运行时间1一个例子的运行时间是区域数的倍这个规则适用于FLAC3D4/3平衡条件下的弹性问题对于塑性问题,运行时间会有点变更,但是不会很大,但是假如发生塑性流淌,这个时间将会大的多对一个详细模型检查自己机子的计算速度很重要一个简洁的方法就是运行节所给
5.1的基准测试然后基于区域数的变更,用这个速度评估详细模型的计算速度.影响运行时间的因素2。