巖土工程計(jì)算軟件FLAC3D基本原理與在工程上的應(yīng)用[權(quán)威資料]

巖土工程計(jì)算軟件 FLAC3D 基本原理與在工程上的應(yīng)用 本文檔格式為 WORD,感謝你的閱讀。 摘要：本文介紹了巖土工程計(jì)算軟件 FLAC3D 背景、理論依據(jù)和軟件優(yōu)缺點(diǎn)，詳細(xì)講解 FLAC3D 軟件的理論模型計(jì)算分析的一般步驟以及方法技巧，說明了 FLAC3D 計(jì)算軟件可廣泛用于廣泛巖土工程領(lǐng)域。 關(guān)鍵詞：巖土工程，計(jì)算軟件，基本原理，應(yīng)用 G623.58 A 一、 FLAC 軟件背景介紹 FLAC（ Fast Lagrangian Analysis of Continua）由Itasca 公司開發(fā)的。目前，有二、三維兩個(gè)版本，二維 V3.0以前的為 DOS 版本， V2.5 版本僅能夠使用計(jì)算機(jī)的基本內(nèi)存64K），所以，程序求解的最大結(jié)點(diǎn)數(shù)僅限于 2000 個(gè)以內(nèi)。1995 年， FLAC2D 升為 V3.3 版本，程序能夠使用護(hù)展內(nèi)存。 FLAC-3D(Three Dimensional Fast Lagrangian Analysis of Continua)也 Itasca Consulting Goup lnc 開發(fā)的三維快速拉格朗日分析 程序，該程序能較好地模擬地質(zhì)材料在達(dá)到強(qiáng)度極限或屈服極限時(shí)發(fā)生的破壞或塑性流動(dòng)的力學(xué)行為，特別適用于分析漸進(jìn)破壞和失穩(wěn)以及模擬大變形。它包含 10 種彈塑性材料本構(gòu)模型，有靜力、動(dòng)力、蠕變、滲流、溫度五種計(jì)算模式，各種模式間可以互相藕合，可以模擬多種結(jié)構(gòu)形式，如巖體、土體或其他材料實(shí)體，梁、錨元、樁、殼以及人工結(jié)構(gòu)如支護(hù)、襯砌、錨索、巖栓、土工織物、摩擦樁、板樁、界面單元等，可以模擬復(fù)雜的巖土工程或力學(xué)問題。 FLAC3D 的輸入和一般的數(shù)值分析程序不同，它可以用交互的方式，從鍵盤輸入各種命令，也可以寫成命令（集） 文件，類似于批處理，由文件來驅(qū)動(dòng)。 二、 FLAC3D 計(jì)算軟件的理論依據(jù) FLAC3D 是 FLAC2D 的擴(kuò)展，能夠進(jìn)行土質(zhì)、巖石和其它材料的三維結(jié)構(gòu)受力特性模擬和塑性流動(dòng)分析。單元材料可采用線性或非線性本構(gòu)模型，在外力作用下，當(dāng)材料發(fā)生屈服流動(dòng)后，網(wǎng)格能夠相應(yīng)發(fā)生變形和移動(dòng)（大變形模式）。三維是基于三維顯式有限差分法的數(shù)值分析方法，可以模擬巖土或其他材料的三維力學(xué)行為。三維快速拉格朗日分析將計(jì)算區(qū)域劃分為若干四面體單元，每個(gè)單元在給定的邊界條件下遵循指定的線性或非線性本構(gòu)關(guān)系，如果單元應(yīng)力使 得材料屈服或產(chǎn)生塑性流動(dòng)，則單元網(wǎng)格可以隨著材料的變形而變形，這就是所謂的拉格朗日算法，這種算法非常適合于模擬大變形問題?？梢詼?zhǔn)確地模擬材料的屈服、塑性流動(dòng)、軟化直至大變形，尤其在材料的彈塑性分析、大變形分析以及模擬施工過程等領(lǐng)域有獨(dú)到的優(yōu)點(diǎn)。 1、 FLAC3D 計(jì)算軟件的優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn)：（ 1）對(duì)模擬塑性破壞和塑性流動(dòng)采用的是 “ 混合離散法 ” 。 （ 2）即使模擬的系統(tǒng)是靜態(tài)的，仍采用了動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)方程，這使得 FLAC3D 在模擬物理上的不穩(wěn)定過程不存在數(shù)值上的障礙。 （ 3） 采用了一個(gè) “ 顯式解 “ 方案。因此，顯式解方案對(duì)非線性的應(yīng)力 -應(yīng)變關(guān)系的求解所花費(fèi)的時(shí)間，幾互與線性本構(gòu)關(guān)系相同，模擬大變形問題幾互并不比小變形問題多消耗更多的計(jì)算時(shí)間。 缺點(diǎn)：（ 1）對(duì)于線性問題的求解， FLAC3D 比其他有限元程序運(yùn)行得要慢； （ 2）用 FLAC3D 求解時(shí)間取決于最長的自然周期和最短的自然周期之比。 2、 Flac3D 應(yīng)用范圍 Flac3D 中為巖土工程問題的求解開發(fā)了特有的本構(gòu)模型，總共包含了 10 種材料模型： （ 1）開挖模型 null （ 2） 3 個(gè)彈性模型（各向同性，橫觀各向同性和正交各向同性彈性模型） （ 3） 6 個(gè)塑性模型（ Drucker-Prager 模型、 Morh-Coulomb 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)理模型和修正的 cam 粘土模型）。 Flac3D 網(wǎng)格中的每個(gè)區(qū)域可以給以不同的材料模型，并且還允許指定材料參數(shù)的統(tǒng)計(jì)分布和變化梯度。 還包含了節(jié)理單元，也稱為界面單元，能夠模擬兩種或多種材料界面不同材料性質(zhì)的間斷特性。節(jié)理允許發(fā)生滑動(dòng)或分離，因此可以用來模擬巖體中的斷層、節(jié)理或 摩擦邊界。 Flac3D 中一共有五種計(jì)算模式： (l)靜力模式； (2)動(dòng)力模式； (3)蠕變模式； (4)滲流模式 ； (5)溫度模式 Flac3D 可以模擬多種結(jié)構(gòu)形式： (l)對(duì)于通常的巖體、土體或其他材料實(shí)體，用八節(jié)點(diǎn)六面體單元模擬。 (2)FIAC3D 包含有四種結(jié)構(gòu)單元 :梁?jiǎn)卧?、錨單元、樁單元、殼單元?？捎脕砟M巖土工程中的人工結(jié)構(gòu)如支護(hù)、襯砌、錨索、巖栓、土工織物、摩擦樁、板樁等。 (3)FLAC3D 的網(wǎng)格中可以有界面，這種界面將計(jì)算網(wǎng)格分割為 若干部分，界面兩邊的網(wǎng)格可以分離，也可以發(fā)生滑動(dòng)，因此，界面可以模擬節(jié)理、斷層或虛擬的物理邊界。 Flac3D 有多種邊界條件，邊界方位可以任意變化，邊界條件可以是速度邊界、應(yīng)力邊界，單元內(nèi)部可以給定初始應(yīng)力，節(jié)點(diǎn)可以給定初始位移、速度等，還可以給定地下水位以計(jì)算有效應(yīng)力、所有給定量都可以具有空間梯度分布。 FLAC-3D 內(nèi)嵌語言 FISH： FLAC-3D 具有強(qiáng)大內(nèi)嵌語言 FISH，使得用戶可以定義新的變量或函數(shù)，以適應(yīng)用戶的特殊需要，例如，利用 HSH做以下事情 : (l)用戶可以自定義材料的空間分布規(guī)律，如非線性分布等。 (2)用戶可以定義變量，追蹤其變化規(guī)律并繪圖表示或打印輸出。 (3)用戶可以自己設(shè)計(jì) FLAC-3D 內(nèi)部沒有的單元形態(tài)。 (4)在數(shù)值試驗(yàn)中可以進(jìn)行伺服控制。 (5)用戶可以指定特殊的邊界條件。 (6)自動(dòng)進(jìn)行參數(shù)分析。 (7)利用 FLAC-3D 內(nèi)部定義的 Fish 變量或函數(shù)，用戶可以獲得計(jì)算過程中節(jié)點(diǎn)、單元參數(shù)，如坐標(biāo)、位移、速度、材料參數(shù)、應(yīng)力、應(yīng)變、不平衡力等。 三、 FLAC3D 的理論 模型計(jì)算分析的一般步驟以及方法技巧 與大多數(shù)程序采用數(shù)據(jù)輸入方式不同， FLAC 采用的是命令驅(qū)動(dòng)方式。建立 FLAC 計(jì)算模型須進(jìn)行以下工作： （ 1）有限差分網(wǎng)格 ；（ 2）本構(gòu)特性與材料性質(zhì) ；（ 3）邊界條件與初始條件 方法技巧： 用 FLAC3D 解決問題時(shí)，為了得到最有效的分析使模型最優(yōu)化是很重要的。這個(gè)章節(jié)對(duì)改進(jìn)模型的運(yùn)行提供了一些方法建議。同時(shí)，準(zhǔn)備計(jì)算時(shí)需要避免的一些通常出現(xiàn)的缺陷也列了出來。 1.檢查模型運(yùn)行時(shí)間 ； 2.影響運(yùn)行時(shí)間的因素 FLAC3D 有時(shí)需較長時(shí)間才可以收斂主要發(fā)生在下列情況下： (a)材料本身剛度變異或材料與結(jié)構(gòu)及接觸面之間的剛度差異很大。 (b)劃分的區(qū)域尺寸相差很大。 3.考慮網(wǎng)格劃分的密度 FLAC3D 使用常應(yīng)變單元。如果應(yīng)力 /應(yīng)變曲線傾斜度比較高，那么你將需要許多區(qū)域來代表多變的分區(qū)。通過運(yùn)行劃分密度不同的同一個(gè)問題來檢查影響。 4.自動(dòng)發(fā)現(xiàn)平衡狀態(tài) 默認(rèn)情況下，當(dāng)執(zhí)行 SOLVE 命令時(shí)，系統(tǒng)將自動(dòng)發(fā)現(xiàn)力的平衡。當(dāng)模型中所有網(wǎng)格頂點(diǎn)中所有力的平均量級(jí)與其中最大不平衡力的量 級(jí)的比率小于1*10 時(shí)，認(rèn)為達(dá)到平衡狀態(tài)。注意一個(gè)網(wǎng)格頂點(diǎn)的力由內(nèi)力（例如重力）和外力共同引起。 5.考慮選擇阻尼對(duì)于靜力分析，默認(rèn)的阻尼是局部阻尼，對(duì)于消除大多數(shù)網(wǎng)格頂點(diǎn)的速度分量周期性為零時(shí)的動(dòng)能很有效。這是因?yàn)橘|(zhì)量的調(diào)節(jié)過程依賴于速度的改變。局部阻尼對(duì)于求解靜力平衡是一個(gè)非常有效的計(jì)算法則且不會(huì)引入錯(cuò)誤的阻尼力。 6.檢查模型反應(yīng) FLAC3D 顯示了一個(gè)相試的物理系統(tǒng)是怎樣變化的。做一個(gè)簡(jiǎn)單的試驗(yàn)證明你在做你認(rèn)為你在做的事情。 7.初始化變量在模擬基坑開挖過程時(shí)，在達(dá) 到目的前通常要初始化網(wǎng)格頂點(diǎn)位移。因?yàn)橛?jì)算次序法則不要求位移，所以可以初始化位移，這只是由網(wǎng)格頂點(diǎn)的速度決定，并有益于用戶初始化速度卻是一件難事。如果設(shè)定網(wǎng)格頂點(diǎn)的速度為一常數(shù)，那么這些點(diǎn)在設(shè)置否則前保持不變。 8.最小化靜力分析的瞬時(shí)效應(yīng)對(duì)于連續(xù)性靜力分析，經(jīng)過許多階段逐步接近結(jié)果是很重要的 即，當(dāng)問題條件突然改變時(shí)，通過最小化瞬時(shí)波的影響，使結(jié)果更加 “ 靜力 ” 。 9.改變模型材料 FLAC3D 對(duì)一個(gè)模擬中所用的材料數(shù)沒有限制，這個(gè)準(zhǔn)則已經(jīng)尺寸化，允許用戶在自己所用版本的FLAC3D 中 最大尺寸網(wǎng)格每個(gè)區(qū)域使用不同的材料。 10.運(yùn)行在現(xiàn)場(chǎng)原位應(yīng)力和重力作用下的問題有很多問題在建模時(shí)需要考慮現(xiàn)場(chǎng)原位應(yīng)力和重力的作用。 四、 FLAC3D 計(jì)算軟件現(xiàn)階段使用的領(lǐng)域 根據(jù)手冊(cè)中所說，總結(jié)如下： （ 1）承受荷載能力與變形分析（ 2）漸進(jìn)破壞與坍塌反演（ 3） 斷層構(gòu)造的影響研究（ 4）施加于地質(zhì)體錨索支護(hù)所提供的支護(hù)力研究（ 5）排水和不排水加載條件下全飽和流體流動(dòng)和孔隙壓力擴(kuò)散研究（ 6） 粘性材料的蠕變特性（ 7）陡滑面地質(zhì)結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)加載（ 8）爆炸荷載和振動(dòng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)（ 9）結(jié)構(gòu)的地震感應(yīng)（ 10）由于溫度誘發(fā)荷載所導(dǎo)致的變形和結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定 （ 11）大變形材料分析。 隧道方面：（ 1）做地表沉降槽（ zdisp）（ 2）地表橫向位移（ xdisp）（ 3）隧道中線豎向沉降曲線（ zdisp）（ 4）提取位移矢量圖（ 5）顯示初期支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力（ 6）顯示state（找塑性區(qū)） 基坑方面：（ 1）做地表沉降槽（ zdisp） （ 2）提取位移矢量圖（ 3）顯示初期支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力（ 4）顯示 state（找塑性區(qū)） 四、 FLAC3D 計(jì)算軟件在實(shí)際工程當(dāng)中的應(yīng)用 以邊坡在地 震作用下的模擬為例： 圖 1.邊坡變形矢量圖 圖 2.邊坡變形云圖 圖 3. 計(jì)算過程變量 1 的變化 圖 4. 計(jì)算過程變量 1 6 的變化 圖 5. 邊坡位移場(chǎng)云圖 圖 6. 邊坡應(yīng)力云圖 文檔資料：巖土工程計(jì)算軟件 FLAC3D 基本原理與在工程上的應(yīng)用 完整下載 完整閱讀 全文下載 全文閱讀 免費(fèi)閱讀及下載 閱讀相關(guān)文檔 :巖體力學(xué)發(fā)展史與新技術(shù)展望的綜述 提高電力工程管理的措施分析 信息時(shí)代的網(wǎng)絡(luò)安全問題 新形勢(shì)下建筑工程施工管理之我見 土建施工 技術(shù)在高層建筑中的應(yīng)用 新時(shí)期水利工程施工的相關(guān)技術(shù)與管理 現(xiàn)代性背景下的城市特色文化營造策略 小區(qū)域 GPS 數(shù)據(jù)優(yōu)化處理探索 談建筑工程管理中如何控制施工成本 現(xiàn)代建筑幕墻設(shè)計(jì)中的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)解析 現(xiàn)代建筑裝飾工程管理的重要性探