FLAC3D在巖土工程中的用(西安.1.7)

1、flac3d在巖土工程中的應(yīng)用在巖土工程中的應(yīng)用中國科學(xué)院計算所教育中心徐幫樹 系主任/副教授山東大學(xué)巖土與結(jié)構(gòu)工程研究中心山東大學(xué)城市地下空間工程系2012年1月7-9日 西安2主要內(nèi)容v軟件介紹軟件介紹v快速入門快速入門v基本原理基本原理v靜力計算靜力計算vfish語言語言v接觸面單元接觸面單元v結(jié)構(gòu)單元及應(yīng)用結(jié)構(gòu)單元及應(yīng)用v流固耦合分析流固耦合分析v非線性動力分析非線性動力分析v自定義本構(gòu)模型自定義本構(gòu)模型3軟件介紹vfast lagrangian analysis of continuav美國美國itasca咨詢公司開發(fā)咨詢公司開發(fā)2d程序程序(1986)v1990年代初引入中國年代初

2、引入中國v有限差分法有限差分法(fdm)vdos版版2.0 2.1 3.0 3.1軟件介紹使用特征命令驅(qū)動模式命令驅(qū)動模式：界面操作：界面操作/人機(jī)交互人機(jī)交互 專一性專一性: 專為巖土工程而開發(fā)專為巖土工程而開發(fā)l 本構(gòu)模型本構(gòu)模型 12個（個（1個空個空/3個彈性個彈性/8個塑性）個塑性）l 計算模式計算模式 5種（靜力種（靜力/動力動力/蠕變?nèi)渥?滲流滲流/溫度）溫度）l 結(jié)構(gòu)單元結(jié)構(gòu)單元 6種（梁種（梁/錨桿錨桿/樁樁/殼殼/格柵格柵/襯砌）襯砌）l 界面單元界面單元 節(jié)理節(jié)理/斷層斷層/虛擬物理邊界虛擬物理邊界l 機(jī)理分析機(jī)理分析 繪圖繪圖/時步函數(shù)時步函數(shù) 開放性開放性：命令驅(qū)動模

3、式命令驅(qū)動模式/fish/c+軟件介紹計算特征 混合離散法混合離散法 離散集成法離散集成法 動態(tài)松弛法動態(tài)松弛法：完全動態(tài)運(yùn)動方程在模擬物理上的不穩(wěn)完全動態(tài)運(yùn)動方程在模擬物理上的不穩(wěn)定過程不存在數(shù)值上的障礙定過程不存在數(shù)值上的障礙 顯式差分法顯式差分法:非線性非線性/大變形大變形/剛度矩陣剛度矩陣6軟件介紹應(yīng)用范圍v巖土工程巖土工程/采礦工程采礦工程 土木建筑土木建筑 /交通交通/地質(zhì)地質(zhì)/石油石油/環(huán)境環(huán)境/核電核電/水利工程水利工程 巖土體漸進(jìn)破壞和崩坍現(xiàn)象巖土體漸進(jìn)破壞和崩坍現(xiàn)象 斷層結(jié)構(gòu)影響和加固系統(tǒng)斷層結(jié)構(gòu)影響和加固系統(tǒng) 固結(jié)過程固結(jié)過程 流變現(xiàn)象流變現(xiàn)象 地下存儲效果地下存儲效果

4、變形局部化剪切帶演化變形局部化剪切帶演化 動力穩(wěn)定分析動力穩(wěn)定分析 巖土體與結(jié)構(gòu)相互作用分析巖土體與結(jié)構(gòu)相互作用分析 振動液化現(xiàn)象振動液化現(xiàn)象v不足之處不足之處 求解時間受網(wǎng)格尺寸的影響很大求解時間受網(wǎng)格尺寸的影響很大 某些模式下的計算求解時間很長某些模式下的計算求解時間很長 前處理功能較弱前處理功能較弱 可以克服！可以克服！!軟件介紹8主要內(nèi)容v軟件介紹軟件介紹v快速入門快速入門v基本原理基本原理v靜力計算靜力計算vfish語言語言v接觸面單元接觸面單元v結(jié)構(gòu)單元及應(yīng)用結(jié)構(gòu)單元及應(yīng)用v流固耦合分析流固耦合分析v非線性動力分析非線性動力分析v自定義本構(gòu)模型自定義本構(gòu)模型快速入門圖形界面快速入門

5、分析的基本組成部分生成網(wǎng)格單元設(shè)置邊界條件定義材料性質(zhì)設(shè)置初始條件初始地應(yīng)力平衡加載及連續(xù)建模求解輸出計算結(jié)果建立分析模型模擬求解快速入門簡單分析命令概要功能功能命令命令功能功能命令命令清除清除/調(diào)用調(diào)用命令文件命令文件newcall初始平衡初始平衡計算求解計算求解step/solveset mech/grav生成網(wǎng)格生成網(wǎng)格generateimpgrid/expgrid執(zhí)行變更執(zhí)行變更model/propertyapply/fix定義本構(gòu)定義本構(gòu)關(guān)系關(guān)系/性質(zhì)性質(zhì)modelproperty計算結(jié)果保計算結(jié)果保存及應(yīng)用存及應(yīng)用saverestore定義邊界定義邊界/初始條件初始條件apply/

6、fixinital圖形繪制及圖形繪制及結(jié)果輸出結(jié)果輸出plothist快速入門文件類型v.dat 命令文件命令文件 call 記事本記事本v.fis 二次開發(fā)二次開發(fā) call 記事本記事本v.tmp 臨時文件臨時文件 自動消失自動消失v.sav 結(jié)果文件結(jié)果文件 restorev.log 日志文件日志文件 記事本記事本v.flac3d 網(wǎng)格文件網(wǎng)格文件 impgrid 記事本記事本快速入門成果輸出圖片輸出圖片輸出記錄結(jié)果輸出記錄結(jié)果輸出hist keyword x y zhist keyword id=nhist write nhist1 記事本編輯記事本編輯14快速入門一個最簡單的例子ge

7、n zon bri size 3 3 3 ;建立網(wǎng)格建立網(wǎng)格(前處理前處理)model elas ;材料參數(shù)材料參數(shù)prop bulk 3e6 shear 1e6ini dens 2000 ;初始條件初始條件fix z ran z -.1 .1 ;邊界條件邊界條件fix x ran x -.1 .1fix x ran x 2.9 3.1fix y ran y -.1 .1fix y ran y 2.9 3.1set grav 0 0 -10solve ;求解求解app nstr -10e4 ran z 3 x 1 2 y 1 2solveplo con zd ;后處理后處理切片功能切片功能ru

8、n flac3d例2.1快速入門收斂標(biāo)準(zhǔn)和變量解釋v常用標(biāo)準(zhǔn)常用標(biāo)準(zhǔn) 不平衡力比不平衡力比10exp(-5)/不平衡力不平衡力/典型內(nèi)力典型內(nèi)力v自定義標(biāo)準(zhǔn)自定義標(biāo)準(zhǔn) v不平衡力不平衡力v網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)速度網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)速度v塑性區(qū)標(biāo)識塑性區(qū)標(biāo)識 shear-n/ shear-p tension-n/ tension-pv歷時曲線歷時曲線例2.116主要內(nèi)容v軟件介紹軟件介紹v快速入門快速入門v基本原理基本原理v靜力計算靜力計算vfish語言語言v接觸面單元接觸面單元v結(jié)構(gòu)單元及應(yīng)用結(jié)構(gòu)單元及應(yīng)用v流固耦合分析流固耦合分析v非線性動力分析非線性動力分析v自定義本構(gòu)模型自定義本構(gòu)模型17基本原理v 有限差分

9、法有限差分法v lagrangian網(wǎng)格網(wǎng)格v 空間混合離散技術(shù)空間混合離散技術(shù)v lagrangian格式動量平衡方程格式動量平衡方程v flac3d的求解過程的求解過程v flac3d的本構(gòu)模型的本構(gòu)模型18基本原理有限差分法v古老的方法古老的方法(上世紀(jì)上世紀(jì)40年代年代)v用差分格式轉(zhuǎn)化控制方程中的微商格式用差分格式轉(zhuǎn)化控制方程中的微商格式v流體力學(xué)；土工滲流問題；固結(jié)流體力學(xué)；土工滲流問題；固結(jié)vfdm & fem的混合求解的混合求解vfdm的新進(jìn)展的新進(jìn)展19基本原理lagrangian網(wǎng)格v源自流體力學(xué)中的拉格朗日法源自流體力學(xué)中的拉格朗日法 跟蹤流體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動狀態(tài) 跟蹤

10、固體力學(xué)中結(jié)點(diǎn)，按時步用lagrangian法研究網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動v節(jié)點(diǎn)和單元隨材料移動，邊界和接觸節(jié)點(diǎn)和單元隨材料移動，邊界和接觸面與單元的邊緣一致面與單元的邊緣一致v固體力學(xué)大變形理論固體力學(xué)大變形理論法國數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家拉格朗日 20基本原理空間混合離散技術(shù)+/2=21基本原理lagrangian格式動量平衡方程f(t)dufm amdtijiijdugdtx, ,u u u m牛頓運(yùn)動定律對于連續(xù)體在靜力平衡條件下，加速度項(xiàng)為0，方程變?yōu)槠胶夥匠?2基本原理flac3d的求解過程平衡方程(動量方程)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系(本構(gòu)模型)gauss定律單元積分應(yīng)變率速度節(jié)點(diǎn)力新的應(yīng)力對所有的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)對所

11、有單元23基本原理flac3d中的本構(gòu)模型v開挖模型開挖模型null v3個彈性模型個彈性模型 各向同性彈性 橫觀各向同性彈性 正交各向同性彈性 v8個彈塑性模型個彈塑性模型 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、雙屈服面塑性模型、修正劍橋模型和胡克布朗模型24基本原理flac3d中的本構(gòu)模型25主要內(nèi)容v軟件介紹軟件介紹v快速入門快速入門v基本原理基本原理v靜力計算靜力計算vfish語言語言v接觸面單元接觸面單元v結(jié)構(gòu)單元及應(yīng)用結(jié)構(gòu)單元及應(yīng)用v流固耦合分析流固耦合分析v非線性動力分析非線性動力分析v

12、自定義本構(gòu)模型自定義本構(gòu)模型26前后處理v基本前后處理基本前后處理 命令操作 菜單操作v外界模型的導(dǎo)入外界模型的導(dǎo)入v復(fù)雜模型的網(wǎng)格檢查復(fù)雜模型的網(wǎng)格檢查27菜單驅(qū)動(前處理/計算模式)命令欄28flac3d的前后處理v命令驅(qū)動命令驅(qū)動(推薦推薦) 程序控制 圖形界面接口 計算模型輸出 指定本構(gòu)模型及參數(shù) 指定初始條件及邊界條件，指定結(jié)構(gòu)單元 指定接觸面 指定自定義變量及函數(shù)(fish) 求解過程的變量跟蹤 進(jìn)行求解 模型輸出前后處理功能的優(yōu)點(diǎn)v13種種zone類型類型v后處理快捷、方便、豐富后處理快捷、方便、豐富v計算過程中的計算過程中的hist變量動態(tài)顯示變量動態(tài)顯示vfish可進(jìn)行參數(shù)化

13、模型設(shè)計可進(jìn)行參數(shù)化模型設(shè)計v單元狀態(tài)的可編程單元狀態(tài)的可編程v計算暫停時的后處理與可保存計算暫停時的后處理與可保存前后處理功能的缺點(diǎn)v復(fù)雜模型的建模功能不強(qiáng)復(fù)雜模型的建模功能不強(qiáng) 可以編程導(dǎo)入其他軟件形成的網(wǎng)格(比如：ansys、adina、abqus、geocad)v無等值線的后處理功能無等值線的后處理功能(3d) 可編程將.sav文件寫入tecplot/surfer等其他后處理軟件v全命令操作，學(xué)習(xí)困難全命令操作，學(xué)習(xí)困難v鼠標(biāo)功能單一鼠標(biāo)功能單一(雙擊取擊點(diǎn)坐標(biāo)雙擊取擊點(diǎn)坐標(biāo))flac3d 網(wǎng)格模型網(wǎng)格模型flac3d 網(wǎng)格模型網(wǎng)格模型flac3d的建模功能不是很強(qiáng)大，一般用ansys

14、/abqus建模，然后導(dǎo)入flac3d，可以通過編寫接口程序?qū)崿F(xiàn)。flac3d grid generation with ansys+autocad33外界模型的導(dǎo)入v 復(fù)雜網(wǎng)格的生成難度大復(fù)雜網(wǎng)格的生成難度大v 接口編寫接口編寫 不同軟件之間的精度差異 group的定義 采用.flac3d的文件格式v .flac3d文件的格式文件的格式 g 1 1.0e+00 1.0e+00 1.0e+00 z b8 1 2 3 4 5 6 7 8 zgroup soil1 2 3v impgrid & expgrid 僅限于網(wǎng)格flac3d 網(wǎng)格單元數(shù)據(jù)形式 l5.1例5.335外界模型導(dǎo)入實(shí)例v

15、autocad輔助建模輔助建模vansys建模建模vansys模型數(shù)據(jù)導(dǎo)出模型數(shù)據(jù)導(dǎo)出 ansys_command-ywd.dat/apdl flieread input from 生成node-01.dat和elem-02.datv 數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換 myansytoflac2.exe 得到flaczone.flac3dv 得到得到flac3d模型模型 flieimport grid flaczone.flac3d sav geo.sav后處理查看分析結(jié)果v云圖、矢量圖、曲線、數(shù)據(jù)和動畫云圖、矢量圖、曲線、數(shù)據(jù)和動畫v等值線圖等值線圖 tecplot/surfervplot 命令格式

16、命令格式/快捷鍵快捷鍵n 分組： plot block group/界面方式n 出色背景：ctrl+g/界面方式n 快捷鍵：縮放/旋轉(zhuǎn)/平移v圖形輸出到文檔（圖形輸出到文檔（word）n 圖形窗口：【edit】/【copy to clipboard】（建議使用：矢量圖）n 命令窗口：【file】/【print type】/【jpg file】 【file】/【print setup】/【jpg file】 【file】/【print 】/【1base 0】例6.1set plot jpgset plo quality 100pot hard file 1.jpg后處理查看分析結(jié)果后處理查看分析

17、結(jié)果v初始地應(yīng)力結(jié)果后處理初始地應(yīng)力結(jié)果后處理 plo con/bconn 應(yīng)力云圖plot con szz/界面方式界面方式 n plo con/bconplot con szz ou on ;顯示網(wǎng)格顯示網(wǎng)格plot con szz ef on ;有效應(yīng)力有效應(yīng)力plot con szz inter 1e4 ;改變云圖顯示增量改變云圖顯示增量plot con szz max -10e3 ;改變應(yīng)力最大值改變應(yīng)力最大值plot bcon szz plot con 節(jié)點(diǎn)節(jié)點(diǎn)/單元單元（插值）（插值） plot bcon 單元單元（檢查）（檢查）plot bcon prop bu 例6.1后處理

18、施加荷載后的計算結(jié)果n 變形云圖：變形云圖：plo con zd/szz 動態(tài)顯示動態(tài)顯示 plo sk magf 20 n 變形矢量圖：變形矢量圖：plo sk dis n 塑性區(qū)分布：塑性區(qū)分布：plot block state print zone state n 變量監(jiān)測變量監(jiān)測: plot hist 2 根據(jù)坐標(biāo)指定 /根據(jù)id號指定 set hist_rep 1 監(jiān)測數(shù)據(jù)導(dǎo)出 hist write 7 vs 8 file 6-3hist.txtn 結(jié)果輸出結(jié)果輸出: print apply, fish, gp, group, history, model, zone等？ set l

19、og on / set logfile 6-1.logn 切片操作切片操作(插值插值)：plo set plane ori 0 1.5 0 norm 0 1 0 plo con zd plane/ plo add ske, dis plane, axen 動畫制作動畫制作例6.2 6.3 6.4 6.540tecplot的slice切片功能.和cad一樣,可以任意切剖面出圖.最大優(yōu)點(diǎn)是可以幾個剖面同時出圖.tecplot的切片功能的切片功能41sufer的后處理的后處理42復(fù)雜網(wǎng)格的檢查vflac3d生成的復(fù)雜網(wǎng)格生成的復(fù)雜網(wǎng)格 attach face 無接觸面時檢查整體模型是否存在sub-g

20、rid 有接觸面時給定范圍進(jìn)行檢查v其他軟件導(dǎo)入的復(fù)雜模型其他軟件導(dǎo)入的復(fù)雜模型 網(wǎng)格劃分的檢查 gen merge 彈性模型model elastic求解 “獨(dú)立”節(jié)點(diǎn) “畸形”單元例6.143模型的檢查vflac3d本身的本身的check功能十分有限功能十分有限 錯誤提示很少 十分開放的工作平臺 檢查的基本步驟 網(wǎng)格檢查(如前所述) 邊界條件檢查 速度約束條件 plo gpfix red sk 荷載條件 plo fap red sk 模型檢查 模型賦值plo block model 參數(shù)賦值plo block prop * 初始應(yīng)力檢查(如后所述)例6.144初始應(yīng)力的生成v為什么要單獨(dú)列

21、出？為什么要單獨(dú)列出？ 得到所關(guān)注分析階段之前巖土體已經(jīng)存在的應(yīng)力狀態(tài) 分析過程中出現(xiàn)的很多問題都與初始應(yīng)力是否合理有關(guān) 手冊中的例子五花八門v生成方法生成方法 彈性求解 更改強(qiáng)度參數(shù)的彈塑性求解 設(shè)置初始應(yīng)力的彈塑性求解 存在水壓力的初始應(yīng)力生成 水下建筑的初始應(yīng)力生成45彈性求解模型尺模型尺寸寸單元數(shù)單元數(shù)量量密度密度kgu112 (m3)112200030mpa10mpa0.35gen 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

22、 y ran y 1ini dens 2000set grav 0 0 -10solvestep = 162 z = -40e3 x = -21.54e3例7.1淺埋和地表工程淺埋和地表工程無屈服區(qū)域無屈服區(qū)域46更改強(qiáng)度參數(shù)的彈塑性求解模型模型尺寸尺寸單元單元數(shù)量數(shù)量密度密度kgct tf fu112 (m3)112200030mpa10mpa10(10 ) kpa0(10 )mpa1500.35gen zon bri size 1 1 2model mohrprop bulk 3e7 shear 1e7 c 1e10 f 15 ten 1e10fix z ran z 0fix x ran

23、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 0solvestep = 163 z = -40e3 x = -21.54e3例7.274可能存在屈服區(qū)域可能存在屈服區(qū)域計算時間長計算時間長47設(shè)置初始應(yīng)力的彈塑性求解模型模型尺寸尺寸單元單元數(shù)量數(shù)量密度密度kgcf fu112 (m3)112200030mpa10mpa10kpa150.35gen zon bri size 1 1 2model mohrprop

24、 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 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 -10solvestep = 0 z = -40e3 x = -20e3例7.4加速平衡時間加速平衡時間k0不適用深埋工程

25、不適用深埋工程48存在靜水壓力的初始應(yīng)力生成模型模型尺寸尺寸單元單元數(shù)量數(shù)量飽和飽和密密度度kgcf fu水位線水位線孔隙率孔隙率112(m3)112200030mpa10mpa10kpa150.351m0.5gen 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 1ini dens 1500 ran z 1 2ini szz -3

26、5e3 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 10e3 grad 0 0 -10e3 ran z 0 1set grav 0 0 -10step = 83 z = -33.75e3 x = -

27、23.21e3 d = s ns w例7.5apply/inip10849水下建筑的初始應(yīng)力生成模型模型尺寸尺寸單元單元數(shù)量數(shù)量飽和飽和密密度度kgcf fu水位線水位線112(m3)112200030mpa10mpa10kpa150.353mgen 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 gr

28、ad 0 0 20e3 ran z 0 2ini syy -30e3 grad 0 0 10e3 ran z 0 2ini sxx -30e3 grad 0 0 10e3 ran z 0 2ini pp 30e3 grad 0 0 -10e3 ran z 0 2app nstress -10e3 ran z 2set grav 0 0 -10solvestep = 83 z = -50e3 x = -32.1e3例7.6頂部靜水壓力頂部靜水壓力50深埋工程的初始應(yīng)力生成例7.7，7.8v構(gòu)造應(yīng)力場和自重應(yīng)力場的疊加構(gòu)造應(yīng)力場和自重應(yīng)力場的疊加v無真正的位移邊界條件和力邊界條件無真正的位移邊界條

29、件和力邊界條件v模型內(nèi)應(yīng)力重分布是應(yīng)力與自重應(yīng)力相平衡的結(jié)果，模型內(nèi)應(yīng)力重分布是應(yīng)力與自重應(yīng)力相平衡的結(jié)果，初始應(yīng)力場即自重應(yīng)力場初始應(yīng)力場即自重應(yīng)力場v李仲奎李仲奎/戴榮（戴榮（2002）提出快速應(yīng)力邊界法（）提出快速應(yīng)力邊界法（s-b法）法）模型模型尺寸尺寸單元單元數(shù)量數(shù)量密度密度kgxx=yyzz60*60*120(m3)6*6*10250010e10pa10e10pa1000mpa100mpa51初始應(yīng)力檢查辦法v初始應(yīng)力的計算時間不會初始應(yīng)力的計算時間不會“非常長非常長”v經(jīng)常檢查模型的響應(yīng)經(jīng)常檢查模型的響應(yīng) plo con szz (syy, sxx)應(yīng)力場 plo con zdi

30、s (ydis, xdis)位移場 plo blo sta屈服狀態(tài) plo gpfix red sk速度約束條件 plo fap red sk體力 plo hist (unbal)不平衡力 plo interface nstress (sstress)接觸面單元學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)和建議v了解了解flac3d的使用范圍、優(yōu)點(diǎn)和局限性的使用范圍、優(yōu)點(diǎn)和局限性v由簡到繁，循序漸進(jìn)由簡到繁，循序漸進(jìn)v充分利用手冊充分利用手冊v了解計算中每條語句的含義了解計算中每條語句的含義v多做數(shù)值試驗(yàn)多做數(shù)值試驗(yàn)v夯實(shí)知識基礎(chǔ)夯實(shí)知識基礎(chǔ)v相互交流，取長補(bǔ)短相互交流，取長補(bǔ)短53主要內(nèi)容v軟件介紹軟件介紹v快速入門快速入門v

31、基本原理基本原理v靜力計算靜力計算vfish語言語言v接觸面單元接觸面單元v結(jié)構(gòu)單元及應(yīng)用結(jié)構(gòu)單元及應(yīng)用v流固耦合分析流固耦合分析v非線性動力分析非線性動力分析v自定義本構(gòu)模型自定義本構(gòu)模型54fish語言簡介v 軟件自帶的編程語言軟件自帶的編程語言 v 是否一定要學(xué)？是否一定要學(xué)？ 視情況而定，需要時查詢fish變量即可v 語法簡單（語法簡單（變量變量/函數(shù)函數(shù)/運(yùn)算符運(yùn)算符/浮點(diǎn)數(shù)浮點(diǎn)數(shù)/字符串等字符串等）xxxend_xxxv 注意事項(xiàng)注意事項(xiàng) 語法嚴(yán)謹(jǐn)，保留字不可縮寫 變量可不定義，因此注意檢查程序 print fish table, extra等命令使用 文本文件，后綴.txt .f

32、is例8.1fish基本概念v函數(shù)和變量函數(shù)和變量n 二者都要在二者都要在fish中賦值：與常規(guī)語言類似，按運(yùn)算符優(yōu)先級先后順中賦值：與常規(guī)語言類似，按運(yùn)算符優(yōu)先級先后順序執(zhí)行序執(zhí)行n 數(shù)據(jù)類型規(guī)則：類型對應(yīng)數(shù)據(jù)類型規(guī)則：類型對應(yīng)n 命名規(guī)則：不能以數(shù)字開頭，不含中文，且不能包含下列符號命名規(guī)則：不能以數(shù)字開頭，不含中文，且不能包含下列符號 n 變量變量/函數(shù)名不能與保留字相沖突：不用簡單的單詞（函數(shù)名不能與保留字相沖突：不用簡單的單詞（p4）n 不能遞歸調(diào)用不能遞歸調(diào)用n 作用全局：避免在不同的函數(shù)中有相同的變量作用全局：避免在不同的函數(shù)中有相同的變量n 命令命令：print/history

33、/setv數(shù)據(jù)類型：數(shù)據(jù)類型：整型整型/浮點(diǎn)型浮點(diǎn)型/字符型（以字符型（以為分界符）為分界符）/指針型指針型fish主要語句v選擇選擇 caseof 表達(dá)式表達(dá)式 . case n1 . case n2 . endcasev條件條件 if 條件表達(dá)式條件表達(dá)式 then . else . endif k+4/3g) 濕法：耦合體系的短期行為（必須滲流模式） 使用排水的k, c, 若set fluid off, biot_mod(fmod)真實(shí)例12.5v實(shí)例：載荷引起的地基土體的起孔隙水壓力實(shí)例：載荷引起的地基土體的起孔隙水壓力 地基土的寬度為20m，高度為10m，采用彈性模型。地基土表面為透

34、水邊界條件，孔壓固定為0。地基土表面3m的范圍內(nèi)緩慢施加40kpa，載荷。計算土體超孔隙水壓力孔壓分布圖、節(jié)點(diǎn)荷載v plot con pp plane ou onv plot add fap red plane垂直位移、位移矢量圖v plot con zdis out on planev plot add dis plane例12.5115流-固耦合計算v config fluid; m(kf); k(滲透系數(shù)滲透系數(shù)) 真實(shí)，則真實(shí)，則flac3d默認(rèn)默認(rèn)耦合計算耦合計算 pev evpv 預(yù)估流預(yù)估流/力特征時間，力學(xué)擾動可認(rèn)為瞬時發(fā)生力特征時間，力學(xué)擾動可認(rèn)為瞬時發(fā)生v 耦合計算前先達(dá)

35、到一個平衡狀態(tài)耦合計算前先達(dá)到一個平衡狀態(tài) set fluid on mech off; set fluid off mech on; step set mech force; set mech substep n auto; set fluid substep m (=1) step:滲流步足夠小116流固耦合的計算方法v手動調(diào)整的手動調(diào)整的step求解求解set fluid on mech offstep n1set fluid off mech onstep n2v主從進(jìn)程的主從進(jìn)程的solve求解求解set mech forceset mech substep n auto (從進(jìn)程)

36、set fluid substep m(主進(jìn)程)solve agev自動自動step求解求解step/slove117滲流問題(config fluid)分析步驟v時間比例時間比例(ts, tc) 穩(wěn)態(tài) 不排水狀態(tài) 相當(dāng)v擾動類型擾動類型 力學(xué)擾動 孔壓擾動v流固剛度比流固剛度比rk 是否1v完全耦合模式完全耦合模式 時間比例相當(dāng)；力學(xué)擾動118心墻土壩的滲流 (1)網(wǎng)格模型初始孔壓例12.6v 問題描述：土壩中存在一道粘土心墻，心墻滲透系數(shù)遠(yuǎn)底于土體的滲透系數(shù)，可認(rèn)為是不透水材料。v 分三步進(jìn)行：第1步，水位未上升時的應(yīng)力場、孔壓場119心墻土壩的滲流 (2)第二步：水位上升對模型應(yīng)力影響。

37、滲流場關(guān)閉豎向應(yīng)力沉降例12.7120心墻土壩的滲流 (3)第三步：施加孔壓邊界，升高迎水面的孔壓值，并在背水面設(shè)置透水的孔壓邊界條件。例12.8孔隙水壓力、矢量圖121真空預(yù)壓的簡單模擬v孔壓邊界條件孔壓邊界條件vtstc 長期分析(排水)vrk1 骨架很軟v孔壓擾動孔壓擾動 進(jìn)行biot_mod調(diào)整砂層軟土層粘土層pvd2m8m10m例12.8真空預(yù)壓的簡單模擬粘土層表面沉降，約5cm地表沉降，約30cm沉降歷時曲線孔壓云圖123主要內(nèi)容v軟件介紹軟件介紹v快速入門快速入門v基本原理基本原理v靜力計算靜力計算vfish語言語言v接觸面單元接觸面單元v結(jié)構(gòu)單元及應(yīng)用結(jié)構(gòu)單元及應(yīng)用v流固耦合分

38、析流固耦合分析v非線性動力分析非線性動力分析v自定義本構(gòu)模型自定義本構(gòu)模型概述vconfig dynamicv與其他場的耦合與其他場的耦合 結(jié)構(gòu)單元耦合 流體計算耦合 熱力學(xué)計算耦合v大變形模式大變形模式v外部和內(nèi)部荷載外部和內(nèi)部荷載 外部：地震 內(nèi)部：爆破脈沖荷載；落錘沖擊荷載；交通荷載等125完全非線性的動力分析v動力荷載動力荷載v動力邊界條件動力邊界條件v力學(xué)阻尼與滯回阻尼力學(xué)阻尼與滯回阻尼v地震波的調(diào)整地震波的調(diào)整動力載荷v 模型邊界或內(nèi)部節(jié)點(diǎn)施加動載荷：加速度時程；速度里程；模型邊界或內(nèi)部節(jié)點(diǎn)施加動載荷：加速度時程；速度里程；應(yīng)力（壓力）時程；集中力時程應(yīng)力（壓力）時程；集中力時程加

39、速度時程曲線作用在炮孔壁上的爆破脈沖荷載時程曲線 6c20bb18rpdr動力荷載v兩種加載方式：兩種加載方式：fish函數(shù)；函數(shù)；table表。表。def xxxxxx=.dytimeendapp xvel=1.0 hist xxx rangefish函數(shù)函數(shù)y列均勻間隔的表列均勻間隔的表第1列：表的名稱第2列：數(shù)據(jù)對的個數(shù) 空格 時間間隔第3列 ：y列的第1個數(shù)據(jù)第4列 ：y列的第2個數(shù)據(jù)空行分別給出分別給出x, y數(shù)據(jù)對的表數(shù)據(jù)對的表第1列：表的名稱第2列：x1 空格 y1第3列：x2 空格 y2空行動力時間步v臨界時間步臨界時間步v不建議放大不建議放大v動態(tài)多步動態(tài)多步 set dyn

40、 multi onv材料密度必須設(shè)置材料密度必須設(shè)置vfish函數(shù)和變量名必須一致函數(shù)和變量名必須一致v案例：動態(tài)時步案例：動態(tài)時步v問題描述：土體的深度為問題描述：土體的深度為10m，擋土墻的高度為，擋土墻的高度為5m。例11.1130quiet邊界v 靜態(tài)靜態(tài)(quiet,粘性粘性)邊界邊界 lysmer and kuhlemeyer(1969) 模型邊界法向和切向設(shè)置獨(dú)立的阻尼器v性能性能 對于法向p波和s波能很好的吸收 對于傾斜入射的波和rayleigh波也有所吸收，但存在反射 人工邊界仍應(yīng)當(dāng)足夠遠(yuǎn)131quiet邊界應(yīng)用v內(nèi)部振動內(nèi)部振動(如隧道中的列車振動問題如隧道中的列車振動問題

41、/爆破爆破) 動力荷載直接施加在節(jié)點(diǎn)上 使用quiet邊界減小人工邊界上的反射 不需要ff邊界v外部荷載的底部邊界外部荷載的底部邊界 軟土地基上的地震荷載不適合用加速度或速度邊界條件 使用應(yīng)力條件t = -2csvsv地震底部輸入的側(cè)向邊界地震底部輸入的側(cè)向邊界 扭曲了入射波quietquietquietv案例：案例：靜態(tài)邊界的例子v問題描述：問題描述：一根豎直的彈性桿，高50，寬1。桿的底部設(shè)置靜態(tài)邊界條件，桿的頂部為自由表面，桿的底部施工水平方向的應(yīng)力沖擊載荷。例11.2樁的動力學(xué)響應(yīng)134free-field邊界v cundall et al. (1980)v 自由場網(wǎng)格與主體網(wǎng)格的耦合

42、粘性阻尼器，自由場網(wǎng)格的不自由場網(wǎng)格與主體網(wǎng)格的耦合粘性阻尼器，自由場網(wǎng)格的不平衡力施加到主體網(wǎng)格邊界上平衡力施加到主體網(wǎng)格邊界上v 設(shè)置條件設(shè)置條件 底部水平，重力方向?yàn)閦向 側(cè)面垂直，法向分別為x, y向 其他邊界條件在apply ff之前去掉模型底部靜力約束條件施加靜態(tài)邊界條件施加動力荷載施加自由場邊界條件例11.3135力學(xué)阻尼v瑞利瑞利(rayleigh)阻尼阻尼 假設(shè)阻尼與質(zhì)量、剛度的線性關(guān)系 參數(shù)確定簡單(等價平均應(yīng)變=60%*emax) 中心頻率(共振計算，地震平均頻率) 臨界阻尼比（0.5%） 計算速度慢v局部局部(local)阻尼阻尼 flac3d的靜力分析阻尼 參數(shù)簡單

43、適合簡單情況/高頻噪聲例11.4136滯回阻尼(hysteretic damping)v 模擬巖土介質(zhì)的動模量衰減曲線模擬巖土介質(zhì)的動模量衰減曲線v initial damp hysteretic name sig3 (3參數(shù)) sig4 (4參數(shù)) hardin(1參數(shù)) (哈丁模型) default（2參數(shù))v 優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn) 直接采用模量降級曲線 阻尼比不會影響時間步v 缺點(diǎn)缺點(diǎn) 輸出的曲線會不一致137主要內(nèi)容v軟件介紹軟件介紹v快速入門快速入門v基本原理基本原理v靜力計算靜力計算vfish語言語言v接觸面單元接觸面單元v結(jié)構(gòu)單元及應(yīng)用結(jié)構(gòu)單元及應(yīng)用v流固耦合分析流固耦合分析v非線性動力分析

44、非線性動力分析v自定義本構(gòu)模型自定義本構(gòu)模型138自定義本構(gòu)模型的基本方法v必要性必要性 試驗(yàn)總結(jié)的本構(gòu)模型 特定條件下的本構(gòu)模型 交叉學(xué)科的本構(gòu)模型v二次開發(fā)環(huán)境二次開發(fā)環(huán)境v自定義本構(gòu)模型的功能自定義本構(gòu)模型的功能v自定義本構(gòu)模型的基本方法自定義本構(gòu)模型的基本方法139二次開發(fā)環(huán)境vflac3d采用面向?qū)ο蟮恼Z言標(biāo)準(zhǔn)采用面向?qū)ο蟮恼Z言標(biāo)準(zhǔn)c+編寫編寫v本構(gòu)模型都是以動態(tài)連接庫文件本構(gòu)模型都是以動態(tài)連接庫文件(.dll文件文件)的形式的形式提供提供vvc+2005或更高版本的開發(fā)環(huán)境或更高版本的開發(fā)環(huán)境v優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn) 自定義的本構(gòu)模型和軟件自帶的本構(gòu)模型的執(zhí)行效率處在同一個水平 自定義本構(gòu)模型(

45、.dll文件)適用于高版本的flac(2d)、3dec、udec等其他itasca軟件中140自定義本構(gòu)模型的功能v 主要功能：對給出的應(yīng)變增量得到新的應(yīng)力主要功能：對給出的應(yīng)變增量得到新的應(yīng)力v 輔助功能：輔助功能： 模型名稱、版本 讀寫操作v 模型文件的編寫模型文件的編寫 基類(class constitutive model)的描述 成員函數(shù)的描述 模型的注冊 模型與flac3d之間的信息交換 模型狀態(tài)指示器的描述 141自定義本構(gòu)模型的基本方法v頭文件頭文件(usermodel.h)中進(jìn)行新的本構(gòu)模型派生類的聲中進(jìn)行新的本構(gòu)模型派生類的聲明明 修改模型的id(100)、名稱和版本 修改

46、派生類的私有成員vc+文件文件(usermodel.cpp)中修改模型結(jié)構(gòu)中修改模型結(jié)構(gòu) (usermodel:usermodel(bool bregister): constitutivemodel)vconst char *usermodel:properties()函數(shù)函數(shù) 模型的參數(shù)名稱字符串vconst char *usermodel:states()函數(shù)函數(shù) 計算過程中的狀態(tài)指示器142自定義本構(gòu)模型的基本方法vdouble usermodel:getproperty()和和void usermodel: setproperty()函數(shù)函數(shù)vconst char * usermod

47、el:initialize()函數(shù)函數(shù) 參數(shù)和狀態(tài)指示器的初始化，并對派生類聲明中定義的私有變量進(jìn)行賦值vconst char * usermodel:run() 函數(shù)函數(shù) 由應(yīng)變增量計算得到應(yīng)力增量，從而獲得新的應(yīng)力vconst char * usermodel:saverestore()函數(shù)函數(shù) 對計算結(jié)果進(jìn)行保存。v程序的調(diào)試程序的調(diào)試 在vc+的工程設(shè)置中將flac3d軟件中的exe文件路徑加入到程序的調(diào)試范圍中，并將flac3d自帶的dll文件加入到附加動態(tài)鏈接庫(additional dlls)中，然后在initialize()或run()函數(shù)中設(shè)置斷點(diǎn)，進(jìn)行調(diào)試； 在程序文件中加

48、入return()語句，這樣可以將希望得到的變量值以錯誤提示的形式在flac3d窗口中得到。143一個例子(duncan-chang)144其他成功的例子v南京水科院雙屈服面模型南京水科院雙屈服面模型145學(xué)習(xí)方法v 如何快速入門？如何快速入門？ getting started ; problem solving with flac 做小例子熟悉基本命令和操作v 如何提高？如何提高？ 細(xì)看需求的計算模塊 了解理論 多討論v 需要多長時間？需要多長時間？ 1week可以入門 花更多的時間才能提高 more times, more gains.146邊坡安全系數(shù)求解v強(qiáng)度折減法：數(shù)值模擬方法強(qiáng)度折減法：數(shù)值模擬方法/安全系數(shù)法安全系數(shù)法v80年代出現(xiàn)，年代出現(xiàn)，90年代末成為熱點(diǎn)年代末成為熱點(diǎn)v邊坡臨界破壞時，巖土體抗剪強(qiáng)度的折減程度邊坡臨界破壞時，巖土體抗剪強(qiáng)度的折減程度v失穩(wěn)判據(jù)：失穩(wěn)判據(jù)： 數(shù)值計算收斂性 特征部位位移突變特征部位位移突變 塑性區(qū)貫通塑性區(qū)貫通v自編強(qiáng)度折減法自編強(qiáng)度折減法例14.1例14.2案例1煙臺五卒山隧道施工工法優(yōu)化研究案例1煙臺五卒山隧道施工工法優(yōu)化研究案例1煙臺五卒山隧道施工工法優(yōu)化研究案例1煙臺五卒山隧道施