第二章Itasca軟件特點(diǎn)及數(shù)值模擬方法

第二章Itasca軟件特點(diǎn)及數(shù)值模擬方法第一節(jié)Itasea軟件及其特點(diǎn)Itasca是國(guó)際著名的巖土工程咨詢公司，Itasca巖土工程力學(xué)分析軟件就是由該公司開(kāi)發(fā)的。1)1971年Cundall博士提出了離散單元法;2)1979年開(kāi)發(fā)了二維顆粒流程序PFC;3)Cundall博土及其同事為完成巖土工程計(jì)算專(zhuān)門(mén)在IBM兼容微機(jī)上修改UDEC;4)1986年為完成巖土工程問(wèn)題分析又在IBM兼容微機(jī)上開(kāi)發(fā)了FLAC。Itasca系列軟件FLAC、UDEC、PFC雖都以巖土工程力學(xué)問(wèn)題為研究對(duì)象，但這些軟件各自具有不同的特點(diǎn)，應(yīng)用的側(cè)重點(diǎn)也不同。下面介紹各個(gè)軟件的特點(diǎn)及其應(yīng)用領(lǐng)域。第一節(jié)Itasea軟件及其特點(diǎn)一、FLAC軟件的特點(diǎn)及其應(yīng)用領(lǐng)域(一)FLAC簡(jiǎn)介

連續(xù)介質(zhì)快速拉格朗日分析程序FLAC(FastLagrangianAnalysisofContinua)是一種適用于工程力學(xué)計(jì)算的二維顯式有限差分程序。該程序用于模擬土層、巖石及其他材料的力學(xué)行為，這類(lèi)材料在達(dá)到它們的屈服極限時(shí)可能經(jīng)歷塑性流變。FLAC中運(yùn)用的顯式拉格朗日算法和混合離散劃分技術(shù)，保證非常精確地模擬塑性破壞和流變。由于不必形成總體剛度矩陣，因此進(jìn)行大型二維計(jì)算時(shí)不需要過(guò)多的內(nèi)存。同一般有限單元法一樣，對(duì)每個(gè)單元，F(xiàn)LAC將一組差分方程轉(zhuǎn)化為矩陣方程，建立節(jié)點(diǎn)力與節(jié)點(diǎn)位移的關(guān)系式。盡管FLAC方程由有限差分法導(dǎo)出，對(duì)于彈性材料，F(xiàn)LAC得出的單元矩陣與用有限單元法導(dǎo)出的完全相同。第一節(jié)Itasea軟件及其特點(diǎn)一、FLAC軟件的特點(diǎn)及其應(yīng)用領(lǐng)域(一)FLAC簡(jiǎn)介FLAC有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)采用混合離散化方法，可以精確模擬塑性坍塌載荷和塑性流動(dòng)。(2)即使模擬靜態(tài)問(wèn)題，仍采用完整的動(dòng)態(tài)方程。這使得FLAC跟蹤不穩(wěn)定的物理過(guò)程沒(méi)有數(shù)值方法上的困難。(3)采用顯式求解方法，在幾乎相同的計(jì)算時(shí)間內(nèi)，能像處理線性應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系那樣處理任意非線性應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，然而用隱式方法求解非線性問(wèn)題需要花費(fèi)很長(zhǎng)時(shí)間。由于顯式方法不必保存任何矩陣，因此，僅需要適當(dāng)大小的內(nèi)存就可以模擬包含很多單元的模型。由于沒(méi)有剛度矩陣更新，與模擬小變形問(wèn)題相比，模擬大變形問(wèn)題幾乎不花更多的時(shí)間。(4)FLAC能夠處理任何本構(gòu)模型，而不需要調(diào)整求解算法，許多有限元法程序?qū)Σ煌谋緲?gòu)模型需要采用不同的求解技術(shù)。第一節(jié)Itasea軟件及其特點(diǎn)一、FLAC軟件的特點(diǎn)及其應(yīng)用領(lǐng)域(二)軟件特性1．一般特性FLAC主要應(yīng)用于土木工程和采礦工程，用于分析地質(zhì)材料的力學(xué)響應(yīng)。1)FLAC有11種內(nèi)置的材料模型：空模型代表孔洞，如開(kāi)挖；各向同性彈性模型；橫向同性彈性模型；8種塑性模型，即Drucker-Prager模型、摩爾庫(kù)侖模型、廣義節(jié)理模型、應(yīng)變硬化／軟化模型、雙線性應(yīng)變硬化／軟化廣義節(jié)理模型、雙屈模型、Hoek-Brown模型和修正的Cam粘土模型。用戶也可以用FISH程序語(yǔ)言創(chuàng)建自己的本構(gòu)模型。FLAC網(wǎng)格中每一個(gè)單元都可以有不同的材料模型或?qū)傩?，可以?duì)任何屬性指定變化的梯度或某種統(tǒng)計(jì)分布。

2)界面單元代表非連續(xù)體中的界面，界面允許滑移和分開(kāi)，用來(lái)模擬斷層、節(jié)理和摩擦邊界。3)FLAC基本公式是平面應(yīng)變模型的，并為彈性和摩爾庫(kù)侖塑性分析提供了平面應(yīng)力選項(xiàng)。另外，還有軸對(duì)稱(chēng)選項(xiàng)，此時(shí)采用柱式坐標(biāo)。例如涉及圓柱形試驗(yàn)樣品或連續(xù)介質(zhì)中圓柱形和球形孔洞問(wèn)題可以應(yīng)用這種模型。第一節(jié)Itasea軟件及其特點(diǎn)一、FLAC軟件的特點(diǎn)及其應(yīng)用領(lǐng)域(二)軟件特性1．一般特性4）在任何邊界上都可以指定速度和位移邊界條件或者應(yīng)力和力邊界條件?？梢越o定包括重力載荷的初始應(yīng)力條件，為計(jì)算有效應(yīng)力可以定義水位。5）FLAC含有模擬地下水流動(dòng)、孔隙壓力消散、可變形多孔介質(zhì)與孔隙內(nèi)粘性流體完全耦合的模型。6）FLAC可以用結(jié)構(gòu)單元模擬諸如隧道襯砌、管片、薄壁管片、錨索、巖錨、鋼帶或可縮支架等結(jié)構(gòu)與圍巖或土的相互作用。7）FLAC包含功能強(qiáng)大的內(nèi)置程序語(yǔ)言FISH，它能使用戶定義新的變量和函數(shù)。FISH是為了滿足想解決用現(xiàn)有軟件很難或無(wú)法解決問(wèn)題的用戶要求而開(kāi)發(fā)的。用戶可以寫(xiě)自己的函數(shù)來(lái)拓展FLAC的用途。8）FLAC中內(nèi)置了大量的繪圖工具，用戶可以在屏幕上或者由硬拷貝設(shè)備生成FLAC模型中所有變量圖形。第一節(jié)Itasea軟件及其特點(diǎn)一、FLAC軟件的特點(diǎn)及其應(yīng)用領(lǐng)域(二)軟件特性2．可選特性5個(gè)可選特性包括動(dòng)力學(xué)分析、熱學(xué)分析、兩相流分析、材料的蠕變分析和增加新的本構(gòu)模型作為動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)。3．耦合作用模擬(1)力學(xué)與地下水流動(dòng)耦合(2)熱力學(xué)耦合(3)熱學(xué)和地下水流動(dòng)耦合第一節(jié)Itasea軟件及其特點(diǎn)一、FLAC軟件的特點(diǎn)及其應(yīng)用領(lǐng)域(三)應(yīng)用領(lǐng)域1）FLAC主要用于采礦工程和地下建筑的分析和設(shè)計(jì)，在土木和工程力學(xué)的許多領(lǐng)域有巨大的應(yīng)用潛力。由全部運(yùn)動(dòng)方程(包括慣性量)的顯式時(shí)步求解，可以跟蹤漸進(jìn)的破壞和坍塌，這是采礦過(guò)程中的一個(gè)重要現(xiàn)象。2）在采礦設(shè)計(jì)中用節(jié)理面來(lái)估計(jì)斷層的影響，用結(jié)構(gòu)單元來(lái)模擬各種巖體加固系統(tǒng)，如注漿、巖錨和噴漿。3）FLAC廣泛用于研究材料剪切帶局部化及其演化過(guò)程。研究結(jié)果有助于闡明剪切帶局部集中的機(jī)理和洞察諸如斷層和成組斷層的起源。第一節(jié)Itasea軟件及其特點(diǎn)一、FLAC軟件的特點(diǎn)及其應(yīng)用領(lǐng)域4）結(jié)合地下水流動(dòng)和固液耦合分析，F(xiàn)LAC為土力學(xué)分析提供了強(qiáng)大的能力。5）利用FLAC中的動(dòng)力學(xué)選項(xiàng)可以分析各種工程的動(dòng)力學(xué)問(wèn)題。如研究地震過(guò)程中大壩的穩(wěn)定性、土與結(jié)構(gòu)的相互作用和液化等問(wèn)題，也可以估計(jì)地下爆破載荷的影響。6）用戶可以利用FISH創(chuàng)建自己的本構(gòu)模型。研究人員可以直接在軟件中測(cè)試他們對(duì)材料特性的假設(shè)，從而避免單獨(dú)寫(xiě)一個(gè)程序去測(cè)試它們。設(shè)計(jì)代表復(fù)雜材料力學(xué)特性的模型時(shí)，F(xiàn)ISH為用戶提供了極大的靈活性。(三)應(yīng)用領(lǐng)域第一節(jié)Itasea軟件及其特點(diǎn)二、UDEC軟件特點(diǎn)及其應(yīng)用領(lǐng)域(一)UDEC簡(jiǎn)介1）通用離散單元程序UDEC(UniversalDistinctElementCode)是基于離散單元法用于模擬非連續(xù)系統(tǒng)的二維數(shù)值程序。UDEC可以模擬靜態(tài)或動(dòng)態(tài)載荷作用下非連續(xù)介質(zhì)(如節(jié)理巖體)的響應(yīng)。非連續(xù)介質(zhì)被看成是許多離散塊體的集合體。非連續(xù)性作為塊體之間的邊界條件，允許沿不連續(xù)面大位移和塊體轉(zhuǎn)動(dòng)。單個(gè)塊體可以是剛體或可變形塊體?？勺冃螇K體可以劃分成有限差分單元網(wǎng)格，每個(gè)單元遵從指定的線性或非線性應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。不連續(xù)面沿法向和切向的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，也遵從線性或非線性的力-位移關(guān)系。對(duì)于完整塊體或不連續(xù)面，UDEC有幾個(gè)內(nèi)置的材料特性模型，可以模擬一般非連續(xù)地質(zhì)體或類(lèi)似的材料。UDEC基于拉格朗日算法，非常適合模擬塊體系統(tǒng)的大位移和大變形。第一節(jié)Itasea軟件及其特點(diǎn)二、UDEC軟件特點(diǎn)及其應(yīng)用領(lǐng)域(一)UDEC簡(jiǎn)介2）UDEC還包含強(qiáng)大的內(nèi)置程序語(yǔ)言FISH(FLACish的簡(jiǎn)寫(xiě))。用戶可以寫(xiě)自己的函數(shù)來(lái)拓展UDEC的用途。3）UDEC程序用命令驅(qū)動(dòng)模式，盡管剛開(kāi)始學(xué)習(xí)程序時(shí)菜單驅(qū)動(dòng)更容易，但研究工程問(wèn)題時(shí)，命令驅(qū)動(dòng)模式具有許多優(yōu)點(diǎn)。4）在下列條件下，“離散單元法”才用于計(jì)算機(jī)程序:(1)允許離散體有限位移和旋轉(zhuǎn)，包括完全分開(kāi)；(2)計(jì)算過(guò)程中自動(dòng)識(shí)別新的接觸。第一節(jié)Itasea軟件及其特點(diǎn)二、UDEC軟件特點(diǎn)及其應(yīng)用領(lǐng)域(二)軟件特性最初，UDEC是為分析巖石工程問(wèn)題而設(shè)計(jì)的，研究范圍從巖石邊坡的漸進(jìn)破壞到巖石節(jié)理、斷層、層面對(duì)地下開(kāi)挖和巖石基礎(chǔ)的影響。UDEC非常適合研究與非連續(xù)特性直接相關(guān)的潛在破壞模式。通過(guò)觀測(cè)或查看地質(zhì)圖，地質(zhì)構(gòu)造相當(dāng)清楚時(shí)，最好采用這個(gè)程序。UDEC節(jié)理生成器能創(chuàng)建單個(gè)或成組的代表巖體中節(jié)理的非連續(xù)面，模型中可以生成各種方式的節(jié)理。第一節(jié)Itasea軟件及其特點(diǎn)二、UDEC軟件特點(diǎn)及其應(yīng)用領(lǐng)域(三)應(yīng)用領(lǐng)域最初，開(kāi)發(fā)UDEC是為分析節(jié)理巖石邊坡的穩(wěn)定性。剛性塊體不連續(xù)性表述和全部運(yùn)動(dòng)方程的顯式步進(jìn)求解簡(jiǎn)化了塊體化巖石邊坡漸進(jìn)大位移的分析。

UDEC經(jīng)常應(yīng)用于采礦工程相關(guān)問(wèn)題的研究，包括靜態(tài)和動(dòng)態(tài)分析。斷裂滑移引起開(kāi)挖周?chē)鷰r石破壞是用UDEC分析的一個(gè)例子。UDEC還可以用在地下結(jié)構(gòu)和深部地下高放射性廢料存儲(chǔ)等領(lǐng)域。通過(guò)熱學(xué)模型，UDEC可以模擬與埋藏核廢料有關(guān)的熱荷載的影響。某種程度上UDEC可用作計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)工具。然而，該程序更適合調(diào)查與節(jié)理巖體相關(guān)的潛在破壞機(jī)理。UDEC中流體流動(dòng)模型用來(lái)研究無(wú)襯砌壓力隧道的滲流、巖洞中天然氣的存儲(chǔ)和重力大壩下通過(guò)節(jié)理巖石基礎(chǔ)的滲流，利用粘塑性流動(dòng)模型模擬水泥漿液的流動(dòng)。第一節(jié)Itasea軟件及其特點(diǎn)三、PFC軟件的特點(diǎn)及其應(yīng)用領(lǐng)域(一)PFC簡(jiǎn)介

二維顆粒流程序PFC2D(ParticleFlowCodein2Dimension)是通過(guò)離散單元方法來(lái)模擬圓形顆粒介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)及其相互作用。最初，這種方法是研究顆粒介質(zhì)特性的一種工具，它采用數(shù)值方法將物體分為有代表性的數(shù)百個(gè)顆粒單元。利用顆粒模型理解單元的力學(xué)特性后，用連續(xù)介質(zhì)的方法來(lái)求解包含復(fù)雜變形方式的真實(shí)問(wèn)題。PFC2D便成為模擬固體力學(xué)和顆粒流復(fù)雜問(wèn)題的一種有效工具。

第一節(jié)Itasea軟件及其特點(diǎn)三、PFC軟件的特點(diǎn)及其應(yīng)用領(lǐng)域(一)PFC簡(jiǎn)介三個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

首先，它有潛在的高效率，因?yàn)閳A形物體間的接觸探測(cè)比角狀物體間的更簡(jiǎn)單；其次，對(duì)可以模擬的位移大小實(shí)質(zhì)上沒(méi)有限制；第三，由于它們是由粘結(jié)的粒子組成，塊體可以破裂，不像UDEC和3DEC模擬的塊體不能破裂。缺點(diǎn)：

塊體的邊界不是平的，用戶必須接受不平的邊界以換取PFC2D提供的優(yōu)點(diǎn)。

第一節(jié)Itasea軟件及其特點(diǎn)三、PFC軟件的特點(diǎn)及其應(yīng)用領(lǐng)域(二)軟件特性1．基本特性PFC2D能模擬任意大小圓形粒子集合體的動(dòng)態(tài)力學(xué)行為。粒子生成器根據(jù)粒子的指定概率分布規(guī)律自動(dòng)生成。粒子半徑按均勻分布或按高斯分布規(guī)律分布。

屬性與各個(gè)粒子或接觸有關(guān)，而不是與“類(lèi)型號(hào)”有關(guān)。因此，可以指定屬性和半徑的連續(xù)變化梯度?！肮?jié)理生成器”用來(lái)修改沿指定軌跡線的接觸特性，假定這些線疊加在顆粒集合體上，用這種方法，模型可以被成組的弱面，如巖石節(jié)理切割。第一節(jié)Itasea軟件及其特點(diǎn)三、PFC軟件的特點(diǎn)及其應(yīng)用領(lǐng)域(三)應(yīng)用領(lǐng)域PFC2D既可解決靜態(tài)問(wèn)題，也可解決動(dòng)態(tài)問(wèn)題；既可用于參數(shù)預(yù)測(cè)，也可用于在原始資料詳細(xì)情況下的實(shí)際模擬。PFC2D模擬試驗(yàn)可以代替室內(nèi)試驗(yàn)。在巖石與土體中開(kāi)挖問(wèn)題的研究與設(shè)計(jì)方面，實(shí)測(cè)資料相對(duì)較少，關(guān)于初始應(yīng)力、不連續(xù)性等問(wèn)題也只能部分了解。而在松散介質(zhì)流動(dòng)問(wèn)題中，影響流動(dòng)介質(zhì)不規(guī)律分布的影響因素很難定量描述。因此，應(yīng)用PFC2D初步研究影響整個(gè)系統(tǒng)的一些參數(shù)的特性，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的特性有所了解后，就可以方便地設(shè)計(jì)模型模擬整個(gè)過(guò)程。第一節(jié)Itasea軟件及其特點(diǎn)三、PFC軟件的特點(diǎn)及其應(yīng)用領(lǐng)域(三)應(yīng)用領(lǐng)域PFC2D可以模擬顆粒間的相互作用問(wèn)題、大變形問(wèn)題、斷裂問(wèn)題等，適用于以下領(lǐng)域：(1)在槽、管、料斗、筒倉(cāng)中松散物體的流動(dòng)問(wèn)題；(2)礦山冒落法開(kāi)采中的巖體斷裂、坍塌、破碎和巖塊的流動(dòng)問(wèn)題(3)鑄模中粉料的壓實(shí)問(wèn)題；(4)由粘結(jié)粒子組成物體的碰撞及其動(dòng)態(tài)破壞；(5)梁結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)及垮塌；(6)顆粒材料的基本特性研究，如屈服、流動(dòng)、體積變化等；(7)固體的基本特性研究，如累積破壞、斷裂和聲發(fā)射。第四節(jié)巖土和采礦工程問(wèn)題的數(shù)值模擬步驟典型情況復(fù)雜地質(zhì)簡(jiǎn)單地質(zhì)沒(méi)有經(jīng)費(fèi)預(yù)算有經(jīng)費(fèi)進(jìn)行無(wú)法得到數(shù)據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查數(shù)據(jù)無(wú)