flac3d入門(mén)指南

1、學(xué)習(xí)內(nèi)容 1、基礎(chǔ)知識(shí) 2、建模、劃分網(wǎng)格 3、本構(gòu)模型及參數(shù) 4、邊界條件、初始條件及加載 5、初始地應(yīng)力的生成方法及初 始平衡求解 6、求解及結(jié)果輸出1、基礎(chǔ)知識(shí)1.1 通用菜單(界面，菜單，術(shù)語(yǔ))1.2一個(gè)簡(jiǎn)單分析計(jì)算樣例u 建模、劃分網(wǎng)格u 定義材料模型和參數(shù)u 初始條件及邊界條件u 求解u 結(jié)果分析 2、建模、劃分網(wǎng)格 在FLAC3D程序中建立計(jì)算網(wǎng)格主要采用gen命令，該命令可生成點(diǎn)(point)、面(surface)和單元(zone)。由于點(diǎn)和面在三維計(jì)算程序中應(yīng)用相對(duì)較少，此處主要介紹單元(zone)的生成和組合方法。主要命令： brick gen zone +關(guān)鍵詞cshel

2、l- radcyl 對(duì)于任何形狀的單元體，其建立單元模型時(shí)關(guān)鍵點(diǎn)的描述需遵從一定的順序，如建立一規(guī)則的六面體，其命令如下：gen zone brick p0 * * * p1 * * * p2 * * * & p3 * * * size * * * rat * * * 當(dāng)然，對(duì)于不規(guī)則的六面體我們需要指定全所有關(guān)鍵點(diǎn)的坐標(biāo)，即從p0至p7所有點(diǎn)的坐標(biāo)。同時(shí)，關(guān)鍵詞size還可配合ratio來(lái)進(jìn)行運(yùn)用，使得各單元間的長(zhǎng)度按照一定的比率逐漸增大或減小。 gen zone radcyl size 5 10 6 12 & ratio 1 1 1 1.2 建立比較復(fù)雜的計(jì)算模型，即通過(guò)生

3、成這些基本的單元來(lái)進(jìn)行“拼湊”。如建立一個(gè)馬蹄形斷面的隧道 gen zone radcyl size 5 10 6 12 & ratio 1 1 1 1.2 p0 0,0,0 p1 100, 0,0 & p2 0,200,0 p3 0,0,100 gen zone radtun size 5 10 5 12 & ratio 1 1 1 1.2 p0 0,0,0 p1 0,0, -100 & p2 0,200,0 p3 100,0,0 這是通過(guò)radtun和 radcyl來(lái)組合生成所需要的模型。它們兩者的生成關(guān)鍵點(diǎn)的描述存在較大的區(qū)別。 對(duì)于這兩種基本的網(wǎng)格，其公

4、共面上的關(guān)鍵點(diǎn)的對(duì)應(yīng)關(guān)系更需校核好，否則將出現(xiàn)雜亂錯(cuò)誤的網(wǎng)格。 對(duì)此馬蹄形隧道，其公共面處，p0 p0,p1p3, p2p2,p4p5 , p8p9,p10 p11對(duì)于對(duì)稱(chēng)的模型也可以采用鏡像命令： gen zone reflect norm -1 0 0 & origin 0,0,0網(wǎng)格單元間的連接 采用FLAC3D進(jìn)行計(jì)算，所建立的模型需是一個(gè)連續(xù)的整體，否則計(jì)算結(jié)果將出現(xiàn)較大的誤差甚至無(wú)法進(jìn)行計(jì)算。 對(duì)于在建立模型時(shí)，各關(guān)鍵點(diǎn)的坐標(biāo)是準(zhǔn)確無(wú)誤輸入且各公共面的網(wǎng)格數(shù)和大小均完全一致的模型，無(wú)需進(jìn)行任何操作，模型即自動(dòng)完成相互間的連接。此處所討論的是公共面上網(wǎng)格的大小和劃分的份數(shù)不一

5、致或者兩相鄰面間存在間隙的問(wèn)題。對(duì)于公共面上網(wǎng)格的大小和劃分的份數(shù)不一致，主要采用attach命令來(lái)進(jìn)行連接，而對(duì)兩相鄰面間存在間隙的問(wèn)題，則采用gen merge 命令來(lái)進(jìn)行連接的操作。需要指出：只有網(wǎng)格數(shù)之間存在整數(shù)倍的關(guān)系，才能采用attach命令來(lái)進(jìn)行連接，否則連接會(huì)失敗或僅能連接部分節(jié)點(diǎn)。1.2634e61.2822e6Gen zone brick size 4 4 4Gen zone brick size 4 4 4 p0 4.1 0 0 p1 8 0 0 p2 4.1 4 0 p3 4.1 0 4Gen merge 0.1尺寸和份數(shù)要求為？注意：*為了避免邊界效應(yīng)的影響，模型的外

6、邊界尺寸最小應(yīng)為應(yīng)為地下開(kāi)挖洞室直徑的35倍。*為了保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，洞室周?chē)木W(wǎng)格劃分應(yīng)密集一些，但也不宜過(guò)細(xì)，否則會(huì)影響計(jì)算速度。同時(shí)，單元體的邊長(zhǎng)比值要控制在一定的范圍內(nèi)，盡量避免比較狹長(zhǎng)的單元體出現(xiàn)。*為了保證網(wǎng)格的連續(xù)性，應(yīng)保證相鄰邊界節(jié)點(diǎn)的匹配，例如，相鄰網(wǎng)格有相同的單元體數(shù)和一致的單元體幾何變化率。3、本構(gòu)模型及參數(shù) FLAC3D中為巖土工程問(wèn)題的求解開(kāi)發(fā)了特有的本構(gòu)模型，總共包含了11種力學(xué)材料模型： 1. 開(kāi)挖模型null; 2. 3個(gè)彈性模型（各向同性，橫觀各向同性和正 交各向異性彈性模型）; 3. 7個(gè)塑性模型（Drucker-Prager模型、Mohr- Coulo

7、mb模型、應(yīng)變硬化/軟化模型、霍克-布朗模型、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）. 對(duì)所計(jì)算的模型選擇合理的本構(gòu)關(guān)系，采用Model命令來(lái)進(jìn)行指定，如定義計(jì)算模型為摩爾-庫(kù)侖模型，則命令流為： Model mohr（可簡(jiǎn)寫(xiě)為：m m） 確定了合理的本構(gòu)計(jì)算模型后，即賦予模型相應(yīng)的材料屬性，主要采用properity命令執(zhí)行，同時(shí)對(duì)于不同的本構(gòu)模型，其材料參數(shù)各異，如對(duì)于摩爾-庫(kù)侖本構(gòu)模型：prop bulk * shear * fric * coh * ten * dilation* 對(duì)于體積模量和剪切模量，其和彈性模量之間存在一轉(zhuǎn)化公式：或 對(duì)于材料的密度

8、(干密度、濕密度等)則采用initial命令來(lái)設(shè)置，即： ini density * (range -) 材料若考慮密度，則必須設(shè)置重力加速度，重力加速度的設(shè)置采用set命令，即： set gravity 0 0 10 若重力方向?yàn)檠豘軸正向，則為10，若沿Z軸負(fù)向，則為-10，若沿Y軸負(fù)向，則應(yīng)設(shè)置為： set gravity 0 10 0注意:材料的本構(gòu)模型必須先定義，嚴(yán)格按照本構(gòu)模型所要求的材料參數(shù)關(guān)鍵字賦予材料參數(shù)，否則會(huì)導(dǎo)致命令流出錯(cuò)。若本構(gòu)模型需要的材料參數(shù)沒(méi)有指定值時(shí)，系統(tǒng)使用默認(rèn)值，默認(rèn)值為0。數(shù)值模擬的計(jì)算參數(shù)與現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)值并不完全一致，需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)試，使其計(jì)算結(jié)果與真實(shí)情

9、況更為符合。考慮材料密度時(shí)，施加重力加速度要注意坐標(biāo)軸的方向。4、邊界條件及初始條件 在FLAC3D中，包含多種邊界條件，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)力等。這眾多的邊界條件主要通過(guò)apply或fix命令來(lái)進(jìn)行設(shè)置。而初始條件則主要通過(guò)initial命令來(lái)執(zhí)行，對(duì)所提的這兩個(gè)命令必須嚴(yán)格區(qū)分并了解其差異。通常我們所計(jì)算的模型均采用力學(xué)邊界，初始條件也基本是初始地應(yīng)力的輸入，對(duì)此兩種不同的力，其設(shè)置存在差別，同時(shí)在計(jì)算過(guò)程中，該二者的變化情況也各不相同。 Apply 命令施加的邊界力，

10、其在計(jì)算過(guò)程中保持不變，且任意時(shí)刻均存在，除非再次執(zhí)行apply命令進(jìn)行修改或網(wǎng)格移除，如地表超載等；而ini命令施加的初始地應(yīng)力，在計(jì)算過(guò)程中，隨著計(jì)算模型位移的產(chǎn)生，其內(nèi)部的應(yīng)力將不斷進(jìn)行調(diào)整和重分配。其基本格式為： apply szz * range z 60.1 59.9(施加在邊界面上) ini szz * range z 0 60(施加于體上) 同時(shí)可配合gradient施加線形變化的荷載，如： apply sxx -10e6 gradient 0,0,1e5 apply sxx -10e6 gradient 0,0,1e5 range z -100,0 上述命令流所施加的荷載值為

11、： 其具體求解方法為： 如對(duì)于z=-50處，sxx=-10e6+1e5*(-50)=-15e6 對(duì)于存在多個(gè)不同變化梯度的初始應(yīng)力的設(shè)置，必須保證在梯度變化處的應(yīng)力值相等，若出現(xiàn)應(yīng)力的跳躍將會(huì)產(chǎn)生較大的誤差，其計(jì)算結(jié)果將不可取。 對(duì)于位移邊界，通常情況下是設(shè)置固定邊界，即約束各邊界在法線方向不發(fā)生任何位移，采用fix命令進(jìn)行設(shè)置，例如： fix x range x 49.9 50.1 (平面x=50處) 若在計(jì)算過(guò)程中，需對(duì)原先約束的平面接觸約束，則采用free命令進(jìn)行設(shè)置。 對(duì)于速度邊界，則相應(yīng)可理解為間接位移邊界，設(shè)置的邊界節(jié)點(diǎn)的速度，將隨著計(jì)算時(shí)步產(chǎn)生相應(yīng)的位移，對(duì)于日常生產(chǎn)中的伺服控制

12、以及一些常規(guī)的試驗(yàn)，如單軸三軸實(shí)驗(yàn)等可采用速度邊界來(lái)進(jìn)行較準(zhǔn)確的位移控制和定位。 速度邊界設(shè)置主要采用apply命令進(jìn)行設(shè)置，相應(yīng)的可設(shè)置的速度變量為xvel、yvel、zvel，例如： apply xvel 2e-7 range x 0.1 0.1 其表示將x=0面上所有的節(jié)點(diǎn)速度均設(shè)置為2e-7，若隨著計(jì)算，需移除初始邊界，則采用apply remove 命令進(jìn)行刪除操作。 在進(jìn)行速度邊界設(shè)置時(shí)，速度的取值是關(guān)鍵，若已知固定時(shí)間內(nèi)的位移，速度的求解為： 速度=位移/計(jì)算時(shí)步 再者，進(jìn)行速度和位移清零時(shí)，則可采用ini命令，即：ini xvel 0 yvel 0 zvel 0 xdisp 0

13、 & ydisp 0 zdisp 0注意： 要特別注意fix x y z range z 與fix z range z 之間的差別，前者是x、y、z三方向的位移全被限制，后者只限制了z方向的位移。 范圍要準(zhǔn)確。 ini命令賦予梯度應(yīng)力要注意初始值的計(jì)算。5、初始地應(yīng)力的生成方法及初始平衡求解 求解分兩種類(lèi)型，一類(lèi)是初始平衡求解，另一類(lèi)是進(jìn)行了相應(yīng)操作后(如開(kāi)挖)的計(jì)算求解。對(duì)于任何三維數(shù)值計(jì)算模型，其初始平衡計(jì)算必不可少，待模型建立完成后，設(shè)置了本構(gòu)和材料參數(shù)以及相應(yīng)的邊界條件和初始應(yīng)力后，即可進(jìn)行初始平衡求解，其目的是為了建立和原始地層所處環(huán)境相接近的計(jì)算模型，以此可進(jìn)行相應(yīng)的后續(xù)操

14、作。 初始平衡的求解，最關(guān)心的問(wèn)題是初始地應(yīng)力的獲得，這里介紹兩種常用的方法去獲得初始地應(yīng)力(基于無(wú)現(xiàn)場(chǎng)地應(yīng)力測(cè)試資料)。方法一：重力自動(dòng)分配法 該法僅指定材料的密度和重力加速度，邊界進(jìn)行合理約束的情況下，由程序自身計(jì)算和分配應(yīng)力，以得到連續(xù)的三向地應(yīng)力場(chǎng)，采用命令solve elastic執(zhí)行。其缺點(diǎn)是：求解速度慢，檢錯(cuò)性弱，前期變形大。方法二：手動(dòng)設(shè)置法 該法即手動(dòng)進(jìn)行初始地應(yīng)力的設(shè)置，若有充足的勘察資料，即可按實(shí)際資料進(jìn)行詳細(xì)設(shè)置，若無(wú)現(xiàn)場(chǎng)資料，則垂直應(yīng)力按土層自重設(shè)置，水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力間考慮側(cè)壓力系數(shù)，可按v/1-v(v為泊松比)進(jìn)行選擇，采用solve命令。優(yōu)點(diǎn)：求解速度快，檢錯(cuò)性

15、強(qiáng)，前期變形合理。初始地應(yīng)力的生成為什么要單獨(dú)列出？分析過(guò)程出現(xiàn)的很多問(wèn)題都與初始應(yīng)力是否合理有關(guān)手冊(cè)中的例子五花八門(mén)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)力生成彈性求解：gen 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 y ran y 1ini dens 2000set grav 0 0 -10solveStep = 162s sz = -40e3s sx = -2

16、1.54e3更改強(qiáng)度參數(shù)的彈塑性求解：gen zon bri size 1 1 2model mohrprop bulk 3e7 shear 1e7 c 1e10 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 2000set grav 0 0 -10solveprop bulk 3e7 shear 1e7 c 10e3 f 15 ten 0solveStep = 163s sz = -40e3s sx = -21.54e3設(shè)置初始應(yīng)力的彈塑性求解：gen zon br

17、i size 1 1 2model mohrprop 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 = 0s sz = -40e3s sx =

18、-20e3存在水壓力的初始應(yīng)力生成：gen 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 -35e3 grad 0 0 20e3 ran z 0 1ini syy -17.5e3 grad 0 0 10e3 ran z 0 1ini sxx -17.5e3 grad

19、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 = 83s sz = -33.75e3s sx = -23.21e3水下建筑的初始應(yīng)力生成：gen zon bri size 1 1 2model mprop bulk 3e7 shear 1e7 c 10e10 f 1

20、5 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 grad 0 0 20e3 ran z 0 1ini syy -30e3 grad 0 0 10e3 ran z 0 1ini sxx -30e3 grad 0 0 10e3 ran z 0 1ini pp 30e3 grad 0 0 -10e3 ran z 0 2app nstress -10e3 ran z 2set grav 0 0 -10solveStep = 11

21、1s sz = -50e3s sx = -44.4e3 平衡后的模型可進(jìn)行任何巖土工程施工工序的模擬，此處介紹基本的“開(kāi)挖”的操作模擬。采用FLAC3D進(jìn)行巖土工程的開(kāi)挖，主要采用model null命令，選擇一定的開(kāi)挖區(qū)域則可配合關(guān)鍵詞range ，例如開(kāi)挖區(qū)域?yàn)椋簒向: 2-5;y向: 0-1.5;z向:0-4。相應(yīng)的命令流為： model null range x 2 5 y 0 1.5 z 0 4 對(duì)于開(kāi)挖后的施工，如噴射初襯、架網(wǎng)、打錨桿、超前注漿管、二襯等等，甚至旋噴樁、灌注樁、地下連續(xù)墻等，均可采用相應(yīng)的結(jié)構(gòu)單元或近似處理方法來(lái)進(jìn)行較合理的模擬。6求解及結(jié)果輸出主要內(nèi)容FLAC3D軟件簡(jiǎn)介FLAC3D的基本原理FLAC3D的前后處理流-固耦合分析接觸單元與應(yīng)用完全非線性的動(dòng)力分析自定義本構(gòu)模型的基本方法結(jié)構(gòu)單元及應(yīng)用主要內(nèi)容FLAC3D軟件簡(jiǎn)介FLAC3D的基本原理FLAC3D的前后處理流-固耦合分析接觸單元與應(yīng)用