(56)-7.1.6離散元法（下）巖層控制模擬技術(shù)

1隨著離散元理論的發(fā)展，產(chǎn)生了很多基于離散元理論的應(yīng)用程序。當(dāng)前，國內(nèi)外離散元方法的主要使用軟件如表7-l所示。6.離散元法（4）離散元法在巖土工程中的應(yīng)用現(xiàn)狀2國家作者軟件名稱特點國外ITASCA國際咨詢公司UDEC適合于模擬節(jié)理巖石系統(tǒng)或不連續(xù)塊體集合體在靜力或動力荷載條件下的響應(yīng)，并可以模擬對象的破壞過程。3DEC模擬估算巖土邊坡失穩(wěn)、地下工程挖掘、巖土地基工程中節(jié)理、巖體斷層、層理等結(jié)構(gòu)影響PFC2D/3D利用顯式差分算法和離散元理論開發(fā)的微/細觀力學(xué)軟件，適用研究粒狀集合體的破裂和破裂發(fā)展問題以及顆粒的流動（大位移）問題Thomton研究小組GRANULE完全符合彈塑性圓球接觸力學(xué)原理，能模擬干—濕、彈性—塑性和顆粒兩相流問題UniversityofIllinoisalUrbanaChampaignBLOKS3D集料形狀特征與實際的三維不規(guī)則形狀較為接近，適用于模擬無黏結(jié)條件下集料的堆積情形，但它不能考慮集料顆粒本身的破碎問題國內(nèi)軟腦軟件有限公司塊體離散元分析系統(tǒng)2D-BLOCK采用面向?qū)ο蟮木幊陶Z言，編程軟件VC++6.0具有高度的集成度，從數(shù)據(jù)輸入到最后形成計算報告或論文，都無需第三方程序的幫助王泳嘉劉連峰三維離散單元法軟件TRUDEC用C語言來實現(xiàn)內(nèi)存的動態(tài)管理，并設(shè)計了較完整的前后處理程序，友好的用戶界面對處于較低應(yīng)力水平的邊坡穩(wěn)定分析是有利的劉凱欣研究小組SUPER-DEM利用VC6.0程序設(shè)計平臺和OpenGL圖形制作技術(shù)編制，可對多種荷載和邊界條件下的二維沖擊動力學(xué)問題進行數(shù)值模擬表7-1基于離散元法的計算軟件3而目前為止，最成功、應(yīng)用最為廣泛的是ITASCA國際咨詢公司開發(fā)的UDEC、3DEC、PFC2D和PFC3D四款軟件。UDEC和3DEC為塊體離散元程序，PFC2D和PFC3D為顆粒離散元程序。6.離散元法（4）離散元法在巖土工程中的應(yīng)用現(xiàn)狀41）跨尺度、跨學(xué)科的發(fā)展空間目前，離散元中的顆粒元是最活躍、應(yīng)用范圍最廣的單元和模型，它可大可小，可以大到石塊甚至星球，可以小到塵埃甚至原子。另一方面，分子動力學(xué)在模型上是完全符合關(guān)于離散元法的定義。6.離散元法（5）離散元法的研究重點及發(fā)展趨勢5它們的區(qū)別在于單元間的關(guān)聯(lián)上，離散元法主要用于分析宏觀現(xiàn)象，一般只考慮與對象單元相接觸的單元之間的作用力；分子動力學(xué)主要用于分析原子、分子世界的微觀現(xiàn)象，一般需要考慮對象單元同所有單元間的作用力。6.離散元法（5）離散元法的研究重點及發(fā)展趨勢6它們在算法上完全可以相互補充，相互促進。若能夠把分子動力學(xué)與離散元結(jié)合起來，則可以拓展兩者的發(fā)展與應(yīng)用空間。6.離散元法（5）離散元法的研究重點及發(fā)展趨勢72）理論的建設(shè)與完善在離散元方法中，人為假定較多，法向、切向剛度都是人為假設(shè)的。在這些假定前提下，模擬的結(jié)果有可能偏離實際很多。因此，如何合理地確定離散元中相關(guān)參數(shù)，需要理論上進一步完善。6.離散元法（5）離散元法的研究重點及發(fā)展趨勢8加強離散元相關(guān)理論的研究，可以保持其在模擬散體介質(zhì)整體力學(xué)行為和力學(xué)演化方面的優(yōu)勢。另外，還應(yīng)加強數(shù)值模擬結(jié)果與試驗結(jié)果的比較，從中尋找離散元方法的不足，對其有針對性地進行改進。6.離散元法（5）離散元法的研究重點及發(fā)展趨勢93）計算軟件的發(fā)展目前開發(fā)離散元商用程序最有名的公司要屬離散元思想首創(chuàng)者Cundall加盟的ITASCA工程咨詢公司。6.離散元法（5）離散元法的研究重點及發(fā)展趨勢開發(fā)的二維UDEC和三維3DEC塊體離散元程序，主要用于模擬節(jié)理巖石或離散塊體巖石在準(zhǔn)靜或動載條件下的力學(xué)過程及采礦過程的工程問題。10該公司開發(fā)的PFC2D和PFC3D則分別為基于二維圓盤單元和三維圓球單元的離散元程序，它主要用于模擬大量顆粒元非線性相互作用下的總體流動和材料的混合，含因損傷累積導(dǎo)致的破裂、動態(tài)破壞和地震響應(yīng)等問題。6.離散元法（5）離散元法的研究重點及發(fā)展趨勢11國內(nèi)離散元軟件的開發(fā)相對比較落后，但隨著離散元法研究的升溫，國內(nèi)也出現(xiàn)了用于土木工程的離散元軟件，如塊體離散元分析軟件2D-Block、三維離散元軟件TRUDEC、基于二維圓盤單元和三維球單元為基礎(chǔ)的SUPER-DEM離散元力學(xué)分析系統(tǒng)。6.離散元法（5）離散元法的研究重點及發(fā)展趨勢12上述離散元軟件都屬于專業(yè)性很強的專業(yè)軟件，在算法、前后處理系統(tǒng)、物態(tài)方程及材料數(shù)據(jù)庫方面，與有限元法的通用性商業(yè)軟件相比，還有很大差距。這方面的工作亟待加強，以促進離散元軟件進一步發(fā)展完善。6.離散元法（5）離散元法的研究重點及發(fā)展趨勢134）與其他算法的融合有限元法、邊界元法等傳統(tǒng)數(shù)值方法適合于解決連續(xù)介質(zhì)問題，而離散單元法適合于非連續(xù)介質(zhì)問題或連續(xù)體到非連續(xù)體轉(zhuǎn)化的材料損傷破壞問題。6.離散元法（5）離散元法的研究重點及發(fā)展趨勢14因此，如果能將離散元法與有限單元法和邊界單元法等有機地結(jié)合起來，便能充分發(fā)揮各自的長處，可以極大地擴大該數(shù)值方法的應(yīng)用范圍。6.離散元法（5）離散元法的研究重點及發(fā)展趨勢15在算法融合方面，離散元與有限元、邊界元融合算法已經(jīng)開始受到重視。王泳嘉于1987年就提出了離散元法與邊界元法耦合的思路與算法，并通過算例說明了離散元與邊界元耦合法在巖石力學(xué)中的應(yīng)用。6.離散元法（5）離散元法的研究重點及發(fā)展趨勢16在融合算法后的軟件開發(fā)方面，中國科學(xué)院非連續(xù)介質(zhì)力學(xué)與工程災(zāi)害聯(lián)合實驗室與極道成然科技有限公司聯(lián)合開發(fā)了離散元大型商用軟件CDEM。6.離散元法（5）離散元法的研究重點及發(fā)展趨勢17該軟件基于中科院力學(xué)所非連續(xù)介質(zhì)力學(xué)與工程災(zāi)害聯(lián)合實驗室開發(fā)的CDEM（Continuum-basedDiscreteElementMethod）算法，將有限元與塊體離散