巖土工程軟件FLAC3D的基本知識介紹.doc

巖土工程軟件FLAC3D的基本知識介紹巖土工程結(jié)構(gòu)的數(shù)值解是建立在滿足基本方程（平衡方程、幾何方程、本構(gòu)方程）和邊界條件下推導(dǎo)的。由于基本方程和邊界條件多以微分方程的形式出現(xiàn)，因此，將基本方程近假發(fā)改用差分方程（代數(shù)方程）表示，把求解微分方程的問題改換成求解代數(shù)方程的問題，這就是所謂的差分法。差分法由來已久，但差分法需要求解高階代數(shù)方程組，只有在計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，才使該法得以實(shí)施和發(fā)展。 一、FLAC3D簡介FLAC3D（Fast Lagrangian Analysis of Continua）由美國Itasca公司開發(fā)的。目前，F(xiàn)LAC有二維和三維計(jì)算程序兩個(gè)版本，二維計(jì)算程序V3.0以前的為DOS版本，V2.5版本僅僅能夠使用計(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，F(xiàn)LAC2D已升級為V3.3的版本，其程序能夠使用護(hù)展內(nèi)存。因此，大大發(fā)護(hù)展了計(jì)算規(guī)模。FLAC3D是一個(gè)三維有限差分程序，目前已發(fā)展到V2.1版本。 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)。因此，采用FLAC程序進(jìn)行計(jì)算，必須了解各種命令關(guān)鍵詞的功能，然后，按照計(jì)算順序，將命令按先后，依次排列，形成可以完成一定計(jì)算任務(wù)的命令文件。 FLAC3D是二維的有限差分程序FLAC2D的護(hù)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。調(diào)整三維網(wǎng)格中的多面體單元來擬合實(shí)際的結(jié)構(gòu)。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)變形和移動(dòng)（大變形模式）。FLAC3D采用的顯式拉格朗日算法和混合-離散分區(qū)技術(shù)能夠非常準(zhǔn)確發(fā)模擬材料的塑性破壞和流動(dòng)。由于無須形成剛度矩陣，因此，基于較小內(nèi)存空間就能夠求解大范圍的三維問題。FLAC3D采用ANSI C+語言編寫的。 二、優(yōu)缺點(diǎn)FLAC3D有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)： 1 對模擬塑性破壞和塑性流動(dòng)采用的是“混合離散法“。這種方法比有限元法中通常采用的“離散集成法“更為準(zhǔn)確、合理。 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，而隱式求解方案將會(huì)花費(fèi)較長的時(shí)間求解非線性問題。面且，它沒有必要存儲剛度矩陣，這就意味著采用中等容量的內(nèi)存可以求解多單元結(jié)構(gòu)；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，因?yàn)闆]有任何剛度矩陣要被修改。 FLAC3D的不足之處1 對于線性問題的求解，F(xiàn)LAC3D比有限元程序運(yùn)行得要慢；因此，當(dāng)進(jìn)行大變形非線性問題或模擬實(shí)際可能出現(xiàn)不穩(wěn)定問題時(shí)，F(xiàn)LAC3D是最有效的工具。 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。但某些問題對模型是無效的。 三、本構(gòu)模型FLAC3D中包括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)理模型和修正的劍橋模型）。 四、單元與網(wǎng)格生成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。而且，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中的網(wǎng)格生成器gen，通過匹配、連接由網(wǎng)格生成器生成局部網(wǎng)格，能夠方便地生成所需要的三維結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。還可以自動(dòng)產(chǎn)生交叉結(jié)構(gòu)網(wǎng)格（比如說相交的巷道），三維網(wǎng)格由整體坐標(biāo)系x,y,z系統(tǒng)所確定，不同于FLAC程序是由行列方式確定。這就提供了比較靈活的產(chǎn)生和定義三維空間參數(shù)。五、邊界條件和初始條件：定義方式與FLAC相同。在邊界區(qū)域可以指定速度（位移）邊界條件或應(yīng)力（力）邊界條件。也可以給出初始應(yīng)力條件，包括重力荷載以及地下水位線。所有的條件都充許指定變化梯度。 FLAC3D還包含了模擬區(qū)域地下水流動(dòng)、孔隙水壓力的擴(kuò)散以及可形的多孔隙固體和在孔隙內(nèi)粘性流動(dòng)流體的相互耦合。流體被認(rèn)為是服從各向同性的達(dá)西定律。流體和孔隙固體中的顆粒是可變形的，將穩(wěn)態(tài)流處理為紊態(tài)流可以模擬非穩(wěn)態(tài)流。同時(shí)能夠考慮固定的孔隙壓力和常流的邊界條件，也能模擬源和井。流體模型可以與結(jié)構(gòu)的力學(xué)分析獨(dú)立進(jìn)行。 六、計(jì)算步驟與大多數(shù)程序采用數(shù)據(jù)輸入方式不同，F(xiàn)LAC采用的是命令驅(qū)動(dòng)方式。命令字控制著程序的運(yùn)行。在必要時(shí)，尤其是繪圖，還可以啟動(dòng)FLAc用戶交互式圖形界面。為了建立FLAC計(jì)算模型，必須進(jìn) 行以下三個(gè)方面的工作：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 完成上述工作后，可以獲 得模型的初始平衡狀態(tài)，也就是模擬開挖前的原巖應(yīng)力狀態(tài)。然后，進(jìn)行工程開挖或改變邊界條件來進(jìn)行工程的響應(yīng)分析，類似于FLAC的顯式有限差分程序的問題求解。與傳統(tǒng)的隱式求解程序不同，F(xiàn)LAC采用一種顯式的時(shí)間步來求解代數(shù)方程。進(jìn)行一系列計(jì)算步后達(dá)到問題的解。在FLAC中，達(dá)到問題所需的計(jì)算步能夠通過程序或用戶加以控制，但是，用戶必須確定計(jì)算步是否已經(jīng)達(dá)到問題的最終的解。 END：Summary of New Features in FLAC3D Version 2.1： 1. New fluid-flow logic with phreatic surface calculation 2. Addition of double-yield constitutive model for volumetric yielding 3. User-defined constitutive models in C+, loaded at run-time 4. Conversion to Visual C+ compiler 5. Linking FLAC3D to other Itasca codes via TCP/IP connection 6. New printing/output facilities (BMP, JPEG, DXF, PCX) 7. New SOLVE FOS command automatically performs factor-of-safety calculations for slopes and similar problems 8. Modification to Finn model for dynamic pore pressure generation 9. Implementation of Von Neumann and Landshoff artificial viscosity terms 10. Addition of liner and geogrid structural elements 11. Improvement of calculation for stress resultants in Structural Elements upgrade to facilitate use of structural elements, including additional example applications in manual 12. Extension to pile elements to simulate effect of rockbolt reinforcement 13. Additional FISH functions to assist access to FLAC3D variables 14. Revised a