FLAC數(shù)值模擬介紹

1、FLAC-3D(Three Dimensional Fast Lagrangian Analysis of Continua) 是美國(guó) 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 .FLAC3D分析的使用領(lǐng)域根據(jù)手冊(cè)總結(jié)如下 :(1) 承受荷載能力與變形分析 : 用于邊坡穩(wěn)定和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)(2) 漸進(jìn)破壞與坍塌反演 : 用于硬巖采礦和隧道設(shè)計(jì)(3) 斷層構(gòu)造的影響研究 : 用于采礦設(shè)計(jì)(4) 施加于地質(zhì)體錨索支護(hù)

2、所提供的支護(hù)力研究 : 巖錨和土釘?shù)脑O(shè)計(jì)(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: 擋土墻結(jié)構(gòu)的地下水流動(dòng) , 和土體固結(jié)研究(6) 粘性材料的蠕變特性 : 用于碳酸鉀鹽礦設(shè)計(jì)(7) 陡滑面地質(zhì)結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)加載 : 用于地震工程和礦山巖爆研究(8) 爆炸荷載和振動(dòng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng) : 用于隧道開挖和采礦活動(dòng)(9) 結(jié)構(gòu)的地震感應(yīng) : 用于土壩設(shè)計(jì)(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 : 用于研究糧倉(cāng)谷物流動(dòng)和放礦的礦石流動(dòng)10 種材料本構(gòu)模型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)

3、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 )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中的網(wǎng)格生成器gen,通過匹配

4、、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)生交岔結(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, 這就提供了比較靈活的 產(chǎn)生和定義三維空間參數(shù) .五種計(jì)算模式(1) 靜力模式：這是FLAC-3D默認(rèn)模式，通過動(dòng)態(tài)松弛方法得靜態(tài)解(2) 動(dòng)力模式 : 用戶可以直接輸人加速度、速度或應(yīng)力波作為系統(tǒng)的邊界條件或 初始條件 , 邊界可以固定邊界和自由邊界 . 動(dòng)力計(jì)算可以與滲流問題相藕合 .(3) 蠕變模式 ： 有五種蠕變本構(gòu)模型可供選擇以模擬材料的應(yīng)力-應(yīng)變-時(shí)間關(guān)系 :Maxwell 模型、雙指數(shù)模型、參考蠕變模型、

5、粘塑性模型、脆鹽模型.(4) 滲流模式: 可以模擬地下水流、孔隙壓力耗散以及可變形孔隙介質(zhì)與其間的 粘性流體的耦合 . 滲流服從各向同性達(dá)西定律 , 流體和孔隙介質(zhì)均被看作可變 形體 . 考慮非穩(wěn)定流 , 將穩(wěn)定流看作是非穩(wěn)定流的特例 . 邊界條件可以是固定 孔隙壓力或恒定流 , 可以模擬水源或深井 . 滲流計(jì)算可以與靜力、 動(dòng)力或溫度計(jì) 算耦合 , 也可以單獨(dú)計(jì)算 .(5) 溫度模式: 可以模擬材料中的瞬態(tài)熱傳導(dǎo)以及溫度應(yīng)力 . 溫度計(jì)算可以與靜 力、動(dòng)力或滲流計(jì)算藕合 , 也可單獨(dú)計(jì)算 .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) FI

6、AC-3D 包含有四種結(jié)構(gòu)單元 : 梁?jiǎn)卧?、錨單元、樁單元、殼單元 . 可用來 模擬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) FLAC-3D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 .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嵌語言 FISHFLAC-3D

7、具有強(qiáng)大嵌語言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HSHf故以下事情：(1) 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 . 用戶可以自己設(shè)計(jì)FLAC-3D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)分析利用FLAC-3D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 .FLAC-3D前后處理功能FLAC-3D具有強(qiáng)大的自動(dòng)三維網(wǎng)

8、格生成器，部定義了多種單元形態(tài)，用戶還可 以利用FISH自定義單元形態(tài)，通過組合基本單元，可以生成非常復(fù)雜的三維網(wǎng) 格, 比如交叉隧洞等 .在計(jì)算過程中的任何時(shí)刻用戶都可以用高分辨率的彩色或灰度圖或數(shù)據(jù)文件輸 出結(jié)果 , 以對(duì)結(jié)果進(jìn)行實(shí)時(shí)分析 , 圖形可以表示網(wǎng)格、 結(jié)構(gòu)以及有關(guān)變量的等值 線圖、矢量圖、曲線圖等 , 可以給出計(jì)算域的任意截面上的變量圖或等直線圖 計(jì)算域可以旋轉(zhuǎn)以從不同的角度觀測(cè)計(jì)算結(jié)果 .FLAC3D計(jì)算分析一般步驟與大多數(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 . 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

9、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,FLAC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 .后處理( 一) 用 tecplot 繪制曲線(

10、1) 第一主應(yīng)力(2) xdisp 、 ydisp 、zdisp 、 disp ( 二 ) 用 excel 做曲線隧道(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)力(6)顯示 state( 找塑性區(qū) )基坑(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)力(4)顯示 state( 找塑性區(qū) )邊坡(1)做安全系數(shù)和應(yīng)變圖模型最優(yōu)化 用FLAC3D軍決問題時(shí),為了得到最有效的分析使模型最優(yōu)化是很重要的(1) 檢查模型運(yùn)行時(shí)間 :一個(gè)FLAC3D例子的運(yùn)行

11、時(shí)間是區(qū)域數(shù)的4/3倍.這個(gè)規(guī)則適用于平衡條件下的 彈性問題 . 對(duì)于塑性問題 , 運(yùn)行時(shí)間會(huì)有點(diǎn)改變 , 但是不會(huì)很大 , 但是如果發(fā) 生塑性流動(dòng) , 這個(gè)時(shí)間將會(huì)大的多 . 對(duì)一個(gè)具體模型檢查自己機(jī)子的計(jì)算速度 很重要 . 一個(gè)簡(jiǎn)單的方法就是運(yùn)行基準(zhǔn)測(cè)試 . 然后基于區(qū)域數(shù)的改變 , 用這個(gè) 速度評(píng)估具體模型的計(jì)算速度 .(2) 影響運(yùn)行時(shí)間的因素 :FLAC3D有時(shí)會(huì)需要較長(zhǎng)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 . 這些尺寸差異越大編碼就越無效 . 在做詳細(xì)分析 前應(yīng)該研究剛度差異的影響 .

12、例如, 一個(gè)荷載作用下的剛性板 , 可以用一系列 頂點(diǎn)固定的網(wǎng)格代替，并施以等速度(記住FIX命令確定速度，而不是位移.) 地下水的出現(xiàn)將使體積模量發(fā)生明顯的增加 (流體-固體相互作用 ).(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 .FLAC3D應(yīng)用常應(yīng)變區(qū)域,因?yàn)楫?dāng)用多的少節(jié)點(diǎn)單元與用比較少的多節(jié)點(diǎn)單元模 擬塑性流動(dòng)時(shí)相比更準(zhǔn)確 .應(yīng)盡可能保持網(wǎng)格 , 尤其是重要區(qū)域網(wǎng)格的統(tǒng)一 . 避免長(zhǎng)細(xì)比大于 5：1 的細(xì)長(zhǎng) 單元,并避免單元尺寸跳躍式變化(即應(yīng)使用平滑

13、的網(wǎng)格).應(yīng)用GENERAT命令 中的比率關(guān)鍵詞 , 使細(xì)劃分區(qū)域平滑過渡到粗劃分區(qū)域 .(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)與其中最大的不平衡力的量級(jí)的比率小于 1*10 時(shí), 認(rèn)為達(dá)到了平衡狀態(tài) . 注意一個(gè)網(wǎng)格頂點(diǎn)的力由力 (例如, 由于重力)和外力(例 如, 由于所加的應(yīng)力邊界條件 )共同引起. 因?yàn)楸嚷适菦]有尺寸的 , 所以對(duì)于有 不同的單元體系的模型 , 在大多數(shù)情況下 , 不平衡力和所加力比率的限制給靜 力平衡提供了一個(gè)精確的限制 .同時(shí)還提供了其他的比率限制 ; 可以用 SET rati

14、o 命令施加 . 如果默認(rèn)的比率限 制不能為靜力平衡提供一個(gè)足夠精確的限制 , 那么應(yīng)考慮可供選擇的比率限制 . 默認(rèn)的比率限制同樣可用于熱分析和流體分析的穩(wěn)定狀態(tài)求解 . 對(duì)于熱分析 , 是對(duì)不平衡熱流量和所加的熱流量量級(jí)進(jìn)行評(píng)估 , 而不是力 . 對(duì)于流體分析 , 對(duì)不平衡流度和所加流度量級(jí)進(jìn)行評(píng)估 .(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 (見 Cundall 1987).如果在求

15、解最后狀態(tài) , 重要區(qū)域的網(wǎng)格海域的速度分量不為零 , 那么說明默認(rèn) 的阻尼對(duì)于達(dá)到平衡狀態(tài)是不夠的 . 有另外一種形式的阻尼 , 叫組合阻尼 , 相 比局部阻尼可以使穩(wěn)定狀態(tài)達(dá)到更好的收斂 , 這時(shí)網(wǎng)格將發(fā)生明顯的剛性移動(dòng) . 例如, 求解軸向荷載作用下樁的承載力或模擬蠕變時(shí)都可能發(fā)生 . 使用 SETmechanical damp combined 命令來調(diào)用組合阻尼 . 組合阻尼對(duì)于減小動(dòng)能方 面不如局部阻尼有效 , 所以應(yīng)注意使系統(tǒng)的動(dòng)力激發(fā)最小化 . 可以用 SET mechanical damp local 命令轉(zhuǎn)換到默認(rèn)阻尼 .(6) 檢查模型反應(yīng) :FLAC3D顯示了一個(gè)相試的

16、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 . 例如, 如果荷載和實(shí)體在幾何尺寸上都是對(duì)稱的 , 當(dāng) 然反應(yīng)也是對(duì)稱的 . 改變了模型以后 , 執(zhí)行幾個(gè)時(shí)步 (假如, 5 或 10步), 證明 初始反應(yīng)是正確的 , 并且發(fā)生的位置是正確的 . 對(duì)應(yīng)力或位移的期望值做一個(gè) 估計(jì),與FLAC3D的輸出結(jié)果作比較.如果你對(duì)模型施加了一個(gè)猛烈的沖擊 , 你將會(huì)得到猛烈的反應(yīng) . 如果你對(duì)模型 作了一些看起來不合理的事情 , 你一定要等待奇怪的結(jié)果 . 如果在分析的一個(gè) 給定階段 , 得到了意外值 , 那么回顧到這個(gè)階段所用的時(shí)步 . 在進(jìn)行模擬前很關(guān)鍵的是檢查輸出結(jié)果 . 例

17、如, 除了一個(gè)角點(diǎn)速度很大外 , 一 切都很合理 , 那么在你理解原因前不要繼續(xù)下去 . 這種情況下 , 你可能沒有給 定適當(dāng)?shù)木W(wǎng)格邊界 .(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 . 所以, 不要為了清除這些網(wǎng)格的速度而簡(jiǎn) 單的初始化它們?yōu)榱?. . . 這將影響模擬結(jié)果 . 然而, 有時(shí)設(shè)定速度為零是有用 的(例如, 消除所有的動(dòng)能 ).(8) 最

18、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” . 使 FLAC3D 解決辦法更加靜態(tài)的方法有兩種 .(a) 當(dāng)突然發(fā)生一個(gè)變化時(shí) ( 例如, 通過使區(qū)域值為零模擬開挖 ), 設(shè)定強(qiáng)度性 能為很高的值以得到靜力平衡 . 然后為了確保不平衡力很低 , 設(shè)定性能為真實(shí) 值, 再計(jì)算, 這樣, 由瞬時(shí)現(xiàn)象引起的失敗就不會(huì)發(fā)生了 .(b) 當(dāng)移動(dòng)材料時(shí) , 用 FISH 函數(shù)或表格記錄來逐步減少荷載 .(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.

19、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)格的每個(gè)區(qū)域(假如設(shè)定的)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 . 這種問題的一個(gè)例 子是深層礦業(yè)開挖 :回填. 此時(shí)大多數(shù)巖石受很高的原位應(yīng)力區(qū)的影響 (即, 自 重應(yīng)力由于網(wǎng)孔尺寸的限制可以忽略不計(jì) ), 但是回填樁的放置使自重應(yīng)力發(fā)展 導(dǎo)致巖石在荷載作用下可能坍塌 . 在這些模擬中要注意的重點(diǎn) (因?yàn)槿魏我环N模 擬都有重力的作用 )是網(wǎng)格的至少三個(gè)點(diǎn)在空間上應(yīng)固定 . . . 否則, 整個(gè)網(wǎng)格 在重力作用下將轉(zhuǎn)動(dòng) . 如果你曾經(jīng)注意到整

20、個(gè)網(wǎng)格在重力加速度矢量方向發(fā)生 轉(zhuǎn)動(dòng), 那么你可能忘記在空間上固定網(wǎng)格了 .FLAC3吐要適明模擬計(jì)算地質(zhì)材料和巖土上程的力學(xué)行為。特別是材枓達(dá)到屈 服極限后產(chǎn)生的塑性流動(dòng)、 材料通過單元和區(qū)域表示， 根據(jù)計(jì)算對(duì)象的形狀構(gòu)成 相應(yīng)的網(wǎng)格。 每個(gè)單元在外載和邊界約束條件下， 按照約定的線性或非線性應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系產(chǎn)生力學(xué)響應(yīng)。由于 FLAC3D?序主要是為巖上工程應(yīng)用而開發(fā)的巖 石力學(xué)計(jì)算程序， 程序中包括了反映地質(zhì)材料力學(xué)效應(yīng)的特殊計(jì)算功能， 可計(jì)算 地質(zhì)類材料的高度非線性 (包括應(yīng)變硬化 / 軟化) 、不可逆剪切破壞和壓密、粘彈 ( 蠕變)、孔隙介質(zhì)的應(yīng)力滲流耦合、熱力耦合以及動(dòng)力學(xué)行為等；FL

21、AC3D程序設(shè)有多種本構(gòu)模型：(1) 各向同性彈性材料模型；(2) 橫觀各向同性彈性材枓模型；(3) 莫爾庫(kù)侖彈塑材料模型；(4) 應(yīng)變軟化 / 硬化塑性材科模型；(5) 雙屈服塑性材料模型；(6) 遍布節(jié)理材料模型；(7) 空單元模型，可用來模擬地下硐室的開挖和煤層開采； 另外，程序設(shè)有界面單元，可以模擬斷層、節(jié)理和摩擦邊界的滑動(dòng)、開和閉合行 為。支護(hù)結(jié)構(gòu)如砌襯、錨桿、可縮性支架或板殼等與圍巖的相互作用也可以在 FLAC3D中進(jìn)行模擬。同時(shí)、用戶可根據(jù)需要在 FLAC3沖創(chuàng)建自己的本構(gòu)模型， 進(jìn)行各種特殊修正和補(bǔ)充。FLAC3D1序建立在拉格朗日算法基礎(chǔ)上，特別適合模擬大變形和扭曲。FLAC

22、3D采用顯式算法來獲得模型全部運(yùn)動(dòng)方程 (包括變量) 的時(shí)間步長(zhǎng)解， 從而可以追 蹤材料的漸進(jìn)破壞和垮落， 這對(duì)研究采礦設(shè)計(jì)是非常重要的。 此外，程序允許輸 入多種材枓類型， 亦可在計(jì)算過程中改變某個(gè)局部的材料參數(shù)， 增強(qiáng)了程序使甲 的靈活性。極大地方便了在計(jì)算上的處理。FLAC3D?序具有強(qiáng)大的后處理功能， 用戶可以直接在屏幕上繪制或以文件形式創(chuàng)建和輸出打印多種形式的圖形。 用戶 還可根據(jù)需要， 將若干個(gè)變量合并在同一幅圖形中進(jìn)行研究分析。 基于上述計(jì)算 功能與特點(diǎn)。本研究應(yīng)用FLAC3D?序計(jì)算分析付村煤礦209工作面山上開采對(duì) 山下回采巷道圍巖變形的影響。FLAC(Fast Lagran

23、gian Analysis of Continua)是一個(gè)利用顯式有限差分方法求解的巖土、采礦工程師進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)的二維連續(xù)介質(zhì)程序， 主要用來模擬土、 巖、或其他材料的非線性力學(xué)行為， 可以解決眾多有限元程序難以模擬的復(fù)雜的 工程問題，例如大變形、大應(yīng)變、非線性及非穩(wěn)定系統(tǒng)(甚至大面積屈服/ 失穩(wěn)或完全塌方)等問題。FLAC的基本功能和特征為：? 允許介質(zhì)出現(xiàn)大應(yīng)變和大變形；? Interface 單元可以模擬連續(xù)介質(zhì)中的界面，并允許界面發(fā)生滑動(dòng)和開 裂；? 顯式計(jì)算方法， 能夠?yàn)榉欠€(wěn)定物理過程提供穩(wěn)定解， 直觀反映巖土體工程 中的破壞；? 地下水流動(dòng)與力學(xué)計(jì)算完全耦合 (包括負(fù)孔隙水壓，

24、非飽和流及相界面計(jì) 算)；? 采用結(jié)構(gòu)加固單元模擬加固措施，例如襯砌、錨桿、樁基等；? 材料模型庫(kù)(例如：彈性模型、莫爾庫(kù)侖塑性模型、任意各向異性模型、 雙屈服模型、粘性及應(yīng)變軟化模型)；? 預(yù)定義材料性質(zhì)， 用戶也可增加用戶自己的材料性質(zhì)設(shè)定并儲(chǔ)存到數(shù)據(jù)庫(kù) 中；? 一系列可選擇模塊，包括：熱力學(xué)模塊、流變模塊、動(dòng)力學(xué)模塊、二相流 模塊等，用戶還可用C+建立自己的模型；? 邊坡穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算滿足邊坡設(shè)計(jì)的要求；?用戶可用部語言（FISH）增加自己定義的各種特性（如：新的本構(gòu)模型， 新變量或新命令）；FLAC軟件的優(yōu)勢(shì)：? 連續(xù)體大應(yīng)變模擬? 界面單元用已代表不連續(xù)接觸界面可能出現(xiàn)的完全不連續(xù)性質(zhì)

25、的開和滑 動(dòng)，因此可以模擬斷層、節(jié)理和摩擦邊界等? 顯式求解模式可以獲得不穩(wěn)定物理過程的穩(wěn)定解? 材料模型 :o “空（ null ）” 模型；o 三種彈性模型（各向同性、橫觀各向異性、和正交各向異性）；o 七種非線性模型 （ Drucker-Prager 、 Mohr-Coulomb、 應(yīng)變硬化及 應(yīng)變軟化、 節(jié)理化、雙線性應(yīng)變硬化 / 軟化節(jié)理化、雙屈服、 修 正的 Cam-clay 模型）? 任何參數(shù)指標(biāo)的連續(xù)變化或統(tǒng)計(jì)分布的模擬?外接口編程語言 （FISH）允許用戶添加用戶自定義功能? 方便的邊界定義和初始條件定義方式? 可定義水位線 / 面進(jìn)行有效應(yīng)力計(jì)算? 地下水滲流計(jì)算以及完全的

26、應(yīng)力場(chǎng)滲流場(chǎng)偶合計(jì)算 （含負(fù)孔隙壓力、 非飽 和流、井）? 結(jié)構(gòu)單元如隧道襯砌、樁、殼、梁錨桿、錨索、土工織物及其組合，可以 模擬不同的加固手段及其與圍巖（土體）的相互作用? 自選模塊包括 :o 熱和熱力學(xué)分析模塊；o 流變計(jì)算模塊；o 動(dòng)力分析模塊實(shí)現(xiàn)真時(shí)間歷程的瞬時(shí)動(dòng)力響應(yīng)模擬；o用C+編寫的用戶自定義本構(gòu)模塊o開挖直立坡的噴射混凝土墻加土釘加固的模擬加（下）和不加（上）土工織物土坡的潛在破壞特征抗脅樁吏護(hù)碼頭的土FLACd（ Three Dimensional Fast Lagrangian Analysis ofContinua ）是美國(guó) Itasca Consulting Goup

27、Inc開發(fā)的三維快速拉格朗日分析程序，是二維的有限差分程序FLAC2D勺擴(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。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。FLAC3D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)生變形和移動(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)確的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，基于較小存空間就能夠求

28、解大圍的三維問題。FLACD采用ANSI C+語言編寫的。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。flaCd的優(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”。這種 方法比有限元法常采用的”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 FLAC3匪模擬物理上的不穩(wěn)定過程不存在數(shù)值上的障礙。3. 采用了一

29、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，而隱式求解方案將會(huì)花費(fèi)較長(zhǎng)的時(shí)間求解非線性問題。面且，它沒有必要存儲(chǔ)剛度矩陣，這就意味著，采用中等容量的存可以求解多單元結(jié)構(gòu)； 模擬大變形問題幾乎 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。槽形開挖PjFi A 匸呂 n ?.io-ioa Alphd 151 - View oilpile掙 File Ediit Settings Plottern WindowFLAC3D勺功能和特征: 1、包含10材料本構(gòu)模型Flac3D 中為巖土工程問題的求解開發(fā)了特有的本

30、構(gòu)模型，總共包 含了 10 種材料模型：? 開挖模型 null ；? 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）? 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。2、

31、有五種計(jì)算模式?靜力模式。這是FLAC-3D默認(rèn)模式，通過動(dòng)態(tài)松弛方法得到 靜態(tài)解。? 動(dòng)力模式。用戶可以直接輸人加速度、 速度或應(yīng)力波作為系 統(tǒng)的邊界條件或初始條件，邊界可以固定邊界和自由邊界。 動(dòng)力計(jì)算可以與滲流問題相耦合。? 蠕變模式。有五種蠕變本構(gòu)模型可供選擇以模擬材料的應(yīng)力- 應(yīng)變 - 時(shí)間關(guān)系 :Maxwell 模型、雙指數(shù)模型、參考蠕變模 型、粘塑性模型、脆延模型。? 滲流模式。 可以模擬地下水流、 孔隙水壓力耗散以及可變形 孔隙介質(zhì)與其間的粘性流體的耦合。 滲流服從各向同性達(dá)西 定律，流體和孔隙介質(zhì)均被看作可變形體。考慮非穩(wěn)定流， 將穩(wěn)定流看作是非穩(wěn)定流的特例。 邊界條件可以是固定孔隙 壓力或恒定流，可以模擬水源或深井。 滲流計(jì)算可以與靜力、 動(dòng)力或溫度計(jì)算耦合，也可以單獨(dú)計(jì)算。? 溫度模式。可以模擬材料中的瞬態(tài)熱傳導(dǎo)以及溫度應(yīng)力。 溫