FLAC3D基本原理和应用特点第三讲FLAC3D动力分析、自定义本构以及结构单元
FLAC3D基本原理及简单实例
FLAC3D基础知识
• 其中，体积模量K和剪切模量G与杨氏模量E和泊松比v有以下关系：
E 3(1 2 ) E G 2(1 ) K
9 KG 3K G 3K 2G G 2(3K G ) E
或
摩尔-库伦塑性模型需要材料参数有： （1）密度 （2）体积模量 （3）剪切模量 （4）内摩擦角 （5）粘聚力 （6）抗拉强度 如果不指定这些材料参数，其值将会自动默认为零。
3D
生成网格
执行变更
定义材料本构关系和 性质 定义边界、初始条件
计算结果保存及调用
图形绘制及结果输出
FLAC3D基础知识
指定材料模型
• 一旦完成了网格的生成，就必须给模型中的所有单元指定一种或者更 多的材料模型及相应的性质。这可以用两个命令MODEL和 PROPERTY来完成。FLAC中有十种内置的材料模型，一般只用三种 模型：MODEL null，MODEL elastic和MODEL mohr。 • MODEL null指的是从模型中去除的或开挖的材料； MODEL elastic 指的是各向同性弹性材料行为； MODEL mohr指的是摩尔-库伦塑性 行为。 • MODEL elastic和MODEL mohr需要通过PROPERTY命令指定材料的 性质，弹性模型需要的材料参数有： • （1）密度 • （2）体积模量 • （3）剪切模量
f t 3 t
式中， 是摩擦角，C是粘聚力， t 是张拉强度，且有：
N
3
张拉强度不超过 值，最大值由下式给定：
1 sin 1 sin
t max
c tan
2.2 FLAC3D常用材料本构模型
Mohr-Coulomb模型
流动法则
FLAC3D基本原理
FLAC3D基本原理FLAC3D，全称为Fast Lagrangian Analysis of Continua in 3D，是一种强大的三维领域连续介质数值计算软件。
它在计算地下开挖、岩土工程、地震灾害、地下水等领域具有广泛的应用。
FLAC3D的基本原理是使用有限差分法对岩土体进行离散化建模，然后通过求解平衡方程来分析介质的力学和流体特性。
首先，FLAC3D将岩土体或其他连续介质划分为许多网格单元，每个网格单元称为控制体。
然后通过定义每个控制体的初始状态，例如形状、几何特征、材料属性等，来描述问题的初始条件。
在FLAC3D中，力学分析通过求解平衡方程来描述。
平衡方程包括动量平衡方程和能量平衡方程。
动量平衡方程描述了物体的运动规律和受力情况，能量平衡方程描述了物体内部的能量转换和耗散过程。
求解平衡方程需要将控制体离散化为一个个单元，然后对每个单元应用数值方法进行求解。
FLAC3D使用有限差分法进行离散化。
具体来说，FLAC3D使用控制体网格中心点的控制方程和边界条件，通过差分近似的方式将偏导数转化为有限差分方程。
然后，通过迭代求解这些方程来计算出每个网格点的力学和流体特性。
在求解过程中，FLAC3D考虑了岩土体的非线性、弹性、塑性、渗流和破裂等特性。
通过选择适当的材料模型和边界条件，可以模拟不同类型的问题，并获取相关的力学和流体特征。
另外，FLAC3D还提供了丰富的后处理功能，可以对模拟结果进行可视化和分析。
用户可以根据自己的需求选择合适的分析工具，例如生成应力、位移、变形等等的图表或动画，以便更好地理解和评估解决方案。
总的来说，FLAC3D通过离散化建模和求解平衡方程，能够有效地分析岩土体和其他连续介质的力学和流体特性。
其基本原理为了进一步提高模拟效果和准确性，还需要适当地选择模型和参数，以及对结果进行合理的解释和验证。
FLAC,FLAC3D基础与应用全部
New Features in FLAC Version 6.0 GeoHohai
• 使用Intel Fortran compiler拥有更快的计算速度 • 自动网格重画功能，解决 bad-geometry 问题. • 新的模拟颗粒土材料的硬化模型 • 更新的通用网格生成工具
22
New Features in FLAC3D Version 3.1 GeoHohai
孔洞，开挖，后续施工材料(如回填) 低于强度极限的人工材料(如钢 铁)；安全系数计算 不超过强度极限的柱状玄武岩
不超过强度极限的层压材料
与隐式有限元程序相比的常用模型 岩土力学通用模型(边坡稳定性分
析，地下开挖) 破坏后研究(失稳过程，立柱屈服，
顶板崩落) 松散沉积地层中的开挖
层状材料破坏后研究
粘土 岩石
=
+
GeoHohai
/2
每个
为常应力/应变:
体积应变由整个四边形算出
. 应变偏量则有两个三角形
和
分别算出
(混合离散 过程)
解题过程中网格坐标按照“拉格朗日方式更新” (网格随材料移动), 且为显式 (一个时步内局部变化不会影响邻域)
17
FLAC3D混和离散
=
GeoHohai
+
/2
18
FLAC3D混和离散
31
一个最简单的例子
gen zon bri size 3 3 3 ;建立网格(前处理)
model elas
;材料参数
prop bulk 3e6 shear 1e6
ini dens 2000
;初始条件
fix z ran z -.1 .1
;边界条件
FLACFLAC3D基础与工程实例_记录
《FLACFLAC3D基础与工程实例》阅读札记目录一、FLACFLAC3D软件概述 (2)1. 软件背景与简介 (3)1.1 FLACFLAC3D的发展历程 (4)1.2 软件的应用领域及特点 (5)2. 软件安装与运行环境 (6)2.1 系统要求 (7)2.2 安装步骤 (8)2.3 运行环境配置 (10)二、FLACFLAC3D基础知识 (11)1. 基本概念与术语 (13)1.1 有限元分析原理 (14)1.2 离散元法简介 (14)1.3 FLACFLAC3D中的相关术语解释 (15)2. 软件操作界面及功能模块 (17)2.1 操作界面介绍 (18)2.2 主要功能模块说明 (20)2.3 菜单功能详解 (20)三、工程实例分析 (22)1. 地质工程实例 (23)1.1 工程背景及问题定义 (25)1.2 模型建立与参数设置 (26)1.3 结果分析与讨论 (27)2. 土木工程实例 (29)2.1 工程概况与建模目的 (30)2.2 建模过程及计算步骤 (31)2.3 结果展示与工程应用 (32)四、FLACFLAC3D应用技巧与注意事项 (33)1. 建模技巧与优化方法 (34)1.1 建模策略及优化思路 (35)1.2 网格划分与模型简化技巧 (36)1.3 参数设置与模型验证方法 (38)2. 数据分析与处理方法 (40)2.1 数据采集与整理方法 (41)2.2 结果分析与图表展示技巧 (42)一、FLACFLAC3D软件概述3D是一种广泛使用的岩土力学与有限元分析软件。
它是一套专门用来分析连续介质中的物理力学现象的强大工具，主要应用于土木、矿山、隧道等领域，能针对各种复杂的工程问题进行数值建模和模拟分析。
3D以其高效、灵活的数值分析能力，为工程师提供了强大的技术支持。
其主要特点包括：多功能：3D能够模拟多种物理过程，包括应力分析、稳定性分析、流体流动分析等，适用于多种工程场景。
FLAC3D基础介绍
GeoHohai
命令栏
18/74
菜单驱动(Plot)
GeoHohai
19/74
Case-2 一个最简单的例子
gen zon bri size 3 3 3 ;建立网格
model elas
;材料参数
prop bulk 3e8 shear 1e8
ini dens 2000
;初始条件
fix z ran z -.1 .1
GeoHohai
38/74
接触面单元的用途
岩体介质中的解理、断层、岩层面 地基与土体的接触 箱、槽及其内充填物的接触 空间中无变形的固定“障碍”
GeoHohaiΒιβλιοθήκη 39/74接触面的原理
如：井
孔隙压力，孔隙率，饱和度和流体属性的初始分 布可以用INITIAL命令或者PROPERTY命令定义。
GeoHohai
29/74
单渗流计算及渗流耦合计算
时间比例 完全耦合分析方法 孔压固定分析(有效应力分析) 单渗流得到孔压分布 无渗流计算——孔压的力学响应 流-固耦合计算
GeoHohai
PROP biot_c 0 (or INI fmod 0)
GeoHohai
33/74
无渗流计算——孔压的力学响应
不排水短期响应 两种分析方法：干法和湿法
干法：Ku=K+a2M 两种破坏形式
WATER或INI获得常孔压，不排水的c,φ (孔压改变较小) φ=0,c=cu (M>>K+4/3G)
GeoHohai
16/74
FLAC3D的前后处理
命令驱动(推荐)
程序控制 图形界面接口 计算模型输出 指定本构模型及参数 指定初始条件及边界条件，指定结构单元 指定接触面 指定自定义变量及函数(FISH) 求解过程的变量跟踪 进行求解 模型输出
FLAC,FLAC3D基础与应用(结构单元)
9
连接 SELs
1. 删除node-zone link on SEL A
SEL nodes connect to grid or other SEL nodes with links
2. 建立新 node-node link from SEL A to SEL B
10
连接 SELs
• 错误！
11
连接 SELs
• 正确！
12
Liner结构单元
• 三节点扁平有限单元 • 每个节点有6个自由度
– 3个移动，3个旋转
• 能够抵抗膜及弯矩荷载 • 能够承受主方向的拉压应力 • 能够模拟管片与土体之间的分离及随后的重新接触 • 能够模拟管片与土体之间的摩擦相互作用
config dyn sel pile id=1 beg 0 0 0 end 0 0 1 sel pile prop dens 2400 &
Emod 1.0e10 Nu 0.3 XCArea 0.3 & XCJ 0.16375 XCIy 0.00625 XCIz 0.01575 & Per 2.8 CS_sK 1.3e11 CS_nK 1.3e11& CS_nGap off sel node fix x y z xr yr zr ran id=1 sel set damp combined def f1 whilestepping f0=10000*sin(10*dytime) np = nd_head loop while np # null if nd_pos(np,1,3)=1 nd_apply(np,1)=f0 endif np = nd_next(np) endloop end solve age 1
FLAC3D软件原理及特点
FLAC3D软件原理及特点FLAC3D[1]是三维岩土力学有限差分计算机程序，是国际通用的岩土工程专业分析软件。
FLAC 代表连续介质快速拉格朗日分析，是由国际著名学者、英国皇家工程院院士、离散元法的发明人彼得库德尔Peter Cundall 博士在70年代中期开始研究开发的面向土木建筑、采矿、交通、水利、地质、核废料处理、石油及环境工程的通用软件系统，是美国艾塔斯Itasca国际咨询集团公司的软件核心产品最知名的软件系统之一。
自20世纪90年代中页，中国开始引进FLAC及FLAC3D等Itasca系列软件，许多工业部门都在应用FLAC系统进行工程设计、计算及科学研究；今天，FLAC已经成为我国岩土力学与工程界发展最快、最具有影响的数值分析软件系统。
FLAC程序将单元之间的不平衡力重新分配各节点之上，再进行下一步的迭代运算，直到不平衡力足够小或者各节点的唯一区域平衡为止，如下图1所示：图2 迭代求解过程图3 FLAC3D的特点3.1应用范围广泛FLAC3D是帮助土木、交通、采矿、水利工程师进行分析、测试及设计的连续介质程序。
由于其分析能力并不局限于某一类特殊问题或分析类型，FLAC3D得到了广泛的应用。
FLAC3D的设计思想是针对任何需要连续介质力学分析的岩土工程项目。
在分析岩土工程问题时，边界条件是最重要的考虑因素，而FLAC3D有多种边界条件，并且边界方位可以任意变化，边界条件可以是速度边界、应力边界，单元内部可以给定初始应力，节点可以给定初始位移、速度等，还可以给定地下水位以计算有效应力、所有给定量都可以具有空间梯度分布。
功能强大：FLAC3D是一个利用显示有限差分法为岩土工程提供精确有效分析的工具，可以解决诸多有限元程序难以模拟的复杂的工程问题。
另外，FLAC3D具有强大的内嵌语言FISH，使得用户可以定义新的变量或函数，以适应用户的特殊需要。
FISH可以做如下事情：（1）用户可以自定义材料的分布变化情况；（2）用户可以定义变量，追踪其变化规律并绘图表示；（3）用户可以自己设计FLAC3D内部所没有的单元形态；（4）在数值试验中可以检测控制；（5）用户可以指定特殊的边界条件；（6）自动进行参数分析；（7）利用FLAC3D内部定义的FISH变量或者函数，用户可以获得计算过程中的节点、单元参数，如坐标、位移、速度、材料参数、应力、应变和不平衡力等。
FLAC3D基本原理
FLAC3D基本原理FLAC3D是一种常用的三维数值模拟软件，用于模拟岩土结构与地下工程行为。
该软件基于行为离散化原理，采用有限差分(Finite Difference)法进行数值计算，能够模拟地质和土木工程中的各种复杂现象。
1.离散化方法：FLAC3D使用有限差分法将模拟空间离散化，将三维空间划分为规则的网格单元。
每个单元内的物理特性和力学行为都通过节点上的数值来表示，如应力、应变、速度和位移等。
这种离散化方法能够准确地描述物理实体及其行为，方便进行数值计算。
2.材料模型：FLAC3D提供了一系列常用的材料模型，用于描述不同类型的岩土材料的力学性质。
这些材料模型可以基于材料的实验数据进行参数校准，用于模拟材料的弹性、塑性、损伤和破坏行为。
通过选择合适的材料模型，可以准确地模拟不同材料在不同工况下的力学响应。
3.节点连接：FLAC3D使用连接单元将不同类型的节点连接起来，表示它们之间的物理关系。
连接单元可以用于定位节点的相对位置、约束节点的运动、传递节点间的力和应力等。
通过定义不同的连接单元，可以准确地设置节点间的物理行为，从而模拟复杂的地质和结构体系。
4.边界条件：FLAC3D允许用户设定各种边界条件，以模拟实际工况下的问题。
边界条件可以是预设的平移、旋转或固定约束，也可以是施加在表面或内部的荷载、速度或位移等条件。
通过设置合适的边界条件，可以模拟出各种复杂的力学行为，如坡体稳定性、岩石应力分布、地下水渗流等。
5.可视化显示：FLAC3D具有强大的可视化功能，可以将模拟结果以直观的方式展示出来。
用户可以通过设置不同的颜色、亮度和透明度等参数，来显示节点和单元的不同属性，如应力、位移和应变等。
这些可视化结果可以帮助用户直观地理解模拟的物理过程和行为规律。
总而言之，FLAC3D的基本原理是基于离散化方法和有限差分法，使用材料模型、连接单元和边界条件来模拟复杂的地质和土木工程行为。
通过可视化显示结果，用户可以直观地理解模拟的物理过程和行为规律，并进行相应的工程分析和设计。
(完整word版)FLAC动力分析
因此，FLAC3D动力分析中采用的本构模型可以选取任意模型，其参数也是对应静力本构模型的参数，关键是要设置合适的阻尼形式、阻尼参数、边界条件等，这些内容将在本章的后续内容中进行讲解。
采用非线性的材料定律，不同频率的波之间可以自然地出现干涉和混合，而等效线性方法做不到这一点。
由于采用了弹塑性模型，因此程序可以自动计算永久变形。
采用合理的塑性方程，使得塑性应变增量与应力相联系。
可以方便地进行不同本构模型的比较。
可以同时模拟压缩波和剪切波的传播及两者耦合作用时对材料的影响。在强震作用下，这种耦合作用的影响很重要，比如在摩擦型材料中，法向应力可能会动态地减小从而降低土体的抗剪强度。
2.FLAC3D非线性方法的特点
FLAC3D采用完全非线性分析方法，基于显式差分方法，使用由周围区域真实密度得出的网格节点集中质量，求解全部运动方程。相对于等效线性方法而言，完全非线性分析方法主要有以下优点：
可以遵循任何指定的非线性本构模型。如果模型本身能够反映土体在动力作用下的滞回特性，则程序不需要另外提供阻尼参数。如果采用Rayleigh阻尼或局部（local）阻尼，则在动力计算中阻尼参数将保持不变。
本章将以FLAC3D为例讨论动力计算的相关内容，FLAC的动力分析可以参照执行。
注意：FLAC和FLAC3D的动力计算十分复杂，读者在阅读本章内容之前要对FLAC3D的静力计算、流体计算十分熟悉，具体可以参阅本书的第7章和第12章的内容。
对于初次接触FLAC3D动力计算的读者，大多数都会提以下2个问题：
FLAC动力分析
第11章非线性动力反应分析FLAC / FLAC3D可以进行非线性动力反应分析，而且具有强大的动力分析功能。
本章以FLAC3D为例，详细介绍了动力分析过程中的边界条件、阻尼形式、荷载要求等，并通过一些实例对个别问题做了详细解答。
本章要点：✓FLAC动力分析与等效线性方法的差别✓动力分析时间步的确定方式及影响因素✓动态多步的概念✓动力荷载的形式及施加方法✓动力边界条件的类型及适用条件✓地震荷载输入的要点✓三种阻尼形式的概念、参数确定及适用条件✓网格尺寸的要求✓输入荷载的校正✓地震液化的模拟✓完全非线性动力分析的步骤Equation Section 1111.1 概述FLAC / FLAC3D可以进行二维或三维的完全动力分析，FLAC/FLAC3D中的动力分析功能是可选模块，需要在程序中添加动力分析模块才可以进行。
FLAC3D中在动力分析前需要采用以下的命令：CONFIG dynamic对于FLAC，在程序开始时的Model Options对话框中选择Dynamic复选框。
FLAC / FLAC3D中的动力分析并不是只能孤立进行的，还可以与其他FLAC/FLAC3D元素进行耦合。
（1）与结构单元相耦合，可以用来进行土与结构的动力相互作用。
（2）与流体计算相耦合，可以模拟动力作用下土体孔隙水压力的上升直至土体液化。
（3）与热力学计算相耦合，可以计算热力荷载和动力荷载的共同作用。
（3）采用大变形计算模式，可以分析岩土体在动力荷载作用下发生的大变形。
FLAC和FLAC3D可以模拟岩土体在外部（如地震）或内部（如风、爆炸、地铁振动）荷载作用下的完全非线性响应，因此可以适用于土动力学、岩石动力学等学科的计算。
本章将以FLAC3D为例讨论动力计算的相关内容，FLAC的动力分析可以参照执行。
注意：FLAC和FLAC3D的动力计算十分复杂，读者在阅读本章内容之前要对FLAC3D的静力计算、流体计算十分熟悉，具体可以参阅本书的第7章和第12章的内容。
FLAC3D基本原理
2.5 三维显示有限差分基本方程当FLAC3D 达到平衡或是稳定的塑性流动时，它通过显示有限差分来模拟三维连续介质的力学行为。
监控的力学响应主要是通过特殊的数学模型和数值计算过程得到。
接下来介绍这两方面。
2.5.1 数学模型描述介质的力学行为主要来源于一般原理（应变定义、运动规律），和理想材料的本构关系。
这个数学结果表达式通常是一些偏微分方程，涉及到力学（应力）和运动学（应变率、速度）变量。
这些偏微分方程联合个别的几何关系、材料参数，以及给定的边界条件和初始条件就可以求解。
虽然FLAC3D 在平衡状态附近，主要关注介质的应力状态和变形，但是必须要注意到该数学模型中的运动方程。
（1） 符号约定在FLAC 3D 中采用拉格朗日算法，介质中的一个点，通过矢量i i i x u v ，，和13i dv dt i =，，来定义一个点的坐标，位移，速度和加速的。
记号i a 表示矢量[]a 的第i 个分量，在笛卡尔坐标系中；ij A 表示张量[]A 的第（i ，j ）个分量。
i a ，表示变量对i x 的偏导数。
（变量a 可以使标量，矢量和张量）默认结构受拉为正，变形伸长为正。
爱因斯坦求和记号只针对下标，i ，j ，k （i ，j ，k =1，2，3）。
（2） 应力介质中一已知点的应力状态是通过对称应力张量ij σ来表示。
任意斜面上的应力矢量[]t 可以通过柯西公式得到（拉为正），如下：i ij j t n σ= （2.37）[]n 表示任意斜面上的单位法向矢量（3） 应变率和转动率假设介质的离子以张量[]v 运动。
在一个无限短时间dt 内，介质产生一个无限小的应变为i v dt ，相关的应变率张量可以写成如下：(),,12ij i j j i v v ξ=+ （2.38） 第一应变率张量不变量描述了体积单元的的膨胀程度。
张量ij ξ中没有包含变形率，由于速度矢量的平移和角速度的转动，一个体积单元会产生一个瞬间的刚体位移，如下：12i ijk jk e ωΩ=- （2.39）ijk e 表示置换符号，矢量[]ω表示转动率张量，定义如下：(),,12ij i j j i v v ω=- （2.40） （4） 运动平衡方程采用连续介质的动量原理和柯西公式，平衡方程如下：,i ij j i dvb dtσρρ+= （2.41）ρ为介质的密度，[]b 表示单位体力，[]d v dt 表示速度矢量对时间的导数。
FLAC3D基本原理和应用特点第三讲FLAC3D动力分析、自定义本构以及结构单元
30
Friction=30, hr=0.43, Go=440
Damping Ratio (%)
20
10
0
0.0001
0.001
0.01
0.1
1
Shear Strain Amplitude (%)
14
14
等效线性方法
• 等效线性方法是岩土地震工程中模拟波的传播的最常用的方法。 • 假定土体是粘弹性体，参照实验室得到的切线模量及阻尼比与剪应变幅值的关
From Seed & Idriss (1970)
Go = small-strain
27
shear modulus
27
滞后阻尼
特定的曲线可以使用滞后阻尼 来描述，并在本构模型计算中 根据应变的大小获得不同的切 线模量。
表观应变是偏应变，根据先前 反转的点进行累计得到的。使 用堆栈的数据结构可以描述应 变反转现象。
19
19
弹塑性模型
简单的理想弹塑性本构模型仅仅在发生屈服时才会出现滞回特性
stress strain
注意：
即使这样粗糙的模型也能够作出连续的 阻尼比和模量衰减曲线。
在屈服条件下会产生 体积改变，但通常都 是剪胀。
20
20
FLAC3D中的阻尼比 1. 弹塑性本构模型使用瑞利（粘性）阻尼 2. 弹塑性本构模型使用滞后（HD）阻尼. 3. 复杂本构模型拥有连续的屈服应力应变关系和对应的加卸载
2. 不能计算永久变形。等效线性方法模型在加荷与卸荷时模量相同，不能计 算土体在周期荷载作用下发生的剩余应变或位移。
3. 塑形屈服模拟不合理。在塑性流动阶段，普遍认为应变增量张量是应力张 量的函数，称之为“流动法则”。然而，等效线性方法使用的塑性理论认为应 变张量（而不是应变增量张量）是应力张量的函数。因此，塑性屈服的模 拟不合理。
2024flac3d入门指南
flac3d入门指南•软件介绍与安装•界面操作与基本功能•初级实例分析：简单模型模拟•中级实例分析：复杂模型模拟目•高级功能应用与技巧•工程案例分析与实战演练录01软件介绍与安装FLAC3D概述FLAC3D（Fast Lagrangian Analysis ofContinua in3Dimensions）是一款用于模拟三维连续介质力学行为的有限差分软件。
它基于显式拉格朗日算法和混合离散化技术，适用于分析复杂地质和岩土工程问题。
FLAC3D广泛应用于边坡稳定、地下工程、隧道开挖、地震工程等领域。
A BC D软件特点与优势显式算法采用显式有限差分法，无需迭代求解，计算效率高。
强大的后处理提供丰富的后处理功能，如等值线、矢量图、动画等，方便用户分析和展示模拟结果。
真实模拟能够模拟复杂的材料本构关系、节理、断层等地质结构，实现真实世界的准确模拟。
开放性支持用户自定义本构模型、边界条件等，方便用户进行二次开发和扩展。
1 2 3安装步骤1. 下载FLAC3D安装包，并解压到指定目录。
2. 运行安装程序，按照提示完成安装过程。
3. 配置环境变量，将FLAC3D的安装路径添加到系统环境变量中。
4. 启动FLAC3D软件，进行初步设置和配置。
01注意事项02确保计算机满足FLAC3D的系统要求，如操作系统、内存、硬盘空间等。
03在安装过程中，选择合适的安装选项和配置，以满足个人或团队的需求。
04在使用FLAC3D前，建议仔细阅读用户手册和相关教程，以充分了解软件的功能和操作方法。
02界面操作与基本功能启动界面及工具栏介绍启动界面展示软件LOGO、版本信息以及最近打开的文件列表。
工具栏包含文件操作、模型操作、视图操作、分析设置等常用工具按钮。
菜单栏提供详细的软件功能选项，包括模型、网格、材料、边界条件、分析等。
通过绘制点、线、面等基本元素构建三维模型。
模型建立网格划分几何体素导入对模型进行离散化，生成有限元网格，可设置网格密度和类型。
Flac3D教学
本构模型选择
02
阐述Flac3D提供的多种本构模型，如弹性模型、弹塑性模型、
粘弹性模型等，并给出选择本构模型的一般原则和建议。
材料参数确定
03
探讨如何通过实验或经验确定材料参数，以及如何在Flac3D中
进行参数输入和调整。
10
03 建模与计算过程详解
2024/1/24
11
建立初始模型及参数设置
创建模型
B
C
对比实验数据与模拟结果
将实验数据与Flac3D模拟结果进行对比分 析，以验证模型的准确性和可靠性。
对比不同时间步的结果
对比同一模型在不同时间步的结果，以观察 模型的动态演化过程。
D
2024/1/24
18
05 工程案例实践与讨论
2024/1/24
19
岩土工程案例介绍
2024/1/24
案例一
深基坑开挖与支护
在Flac3D中，首先需定义模型的空间维度、尺寸及网格划分。
材料属性赋值
为模型各部分赋予相应的材料属性，如弹性模量、泊松比、密度 等。
初始条件设置
设定模型的初始应力、位移等条件。
2024/1/24
12
施加荷载与边界条件调整
01
02
03
荷载施加
根据实际问题，在模型上 施加相应的力、压力或位 移荷载。
通过实例分析，学习如何利用Flac3D解决岩土工程中的实际问题，如 边坡稳定性分析、基坑开挖模拟等。
5
学习方法与建议
1 2
理论学习与实践操作相结合
在学习过程中，既要注重理论知识的学习，也要 加强实践操作的训练，通过不断练习加深对软件 功能的理解和掌握。
多参考官方文档和教程
FLAC,FLAC3D基础与应用
图形窗口
图形菜单 图形控制 命令窗口
24
环境设置
设置工作内容
25
环境设置
主要设置编辑文字 大小
26
软件介绍
● Fast Lagrangian Analysis of Continua ● 美国Itasca咨询公司开发2D程序(1986) ● 1990年代初引入中国 ● 有限差分法(FDM) ● 3D版本：DOS版→2.0 →2.1 →3.0 →3.14.05.0
边界flac3d的求解过程47平衡方程动量方程应力应变关系本构模型gauss定律单元积分应变率速度节点力新的应力对所有的网格节点对所有单元flac3d中的本构模型开挖模型null3个弹性模型各向同性弹性横观各向同性弹性正交各向同性弹性8个弹塑性模型druckerprager模型morhcoulomb模型应变硬化软化模型遍布节理模型双线性应变硬化软化遍布节理模型修正剑桥模型和胡克布朗模型48flac3d中的本构模型49岩石各向同性的岩石材料胡克布朗模型粘土变形和抗剪强度是体变的函数修正剑桥模型轻胶结的粒状材料在压力作用下导致永久体积减小轻胶结的粒状材料在压力作用下导致永久体积减小双屈服面塑性模型层状材料破坏后研究具有非线性材料硬化或软化的层状材料双线性应变硬化软化遍布解理模型软化遍布解理模型松散沉积地层中的开挖具有强度各向异性的层状材料即板岩遍布解理模型破坏后研究失稳过程立柱屈服顶板崩落失稳过程立柱屈服顶板崩落存在非线性硬化
资料来源：武汉ITASCA咨询公司
9
FLAC能做什么？
● 地质工程
○ 构造运动过程、断裂过程、水文地质等；
● 地震工程
○ 板块运动、地震与振动工程等；
● 建筑/结构工程：
○ 建筑结构动力稳定、建筑材料力学特征研究（如混凝土变形、 强度特征）。
flac3d入门指南
设置初始应力的弹塑性求解：
gen zon bri size 1 1 2 model mohr prop bulk 3e7 shear 1e7 c 10e3 f 15 ten 0 fix z ran z 0 fix x ran x 0 fix x ran x 1 fix y ran y 0 fix y ran y 1 ini dens 2000 ini szz -40e3 grad 0 0 20e3 ran z 0 2 ini syy -20e3 grad 0 0 10e3 ran z 0 2 ini sxx -20e3 grad 0 0 10e3 ran z 0 2 set grav 0 0 -10 solve
4、边界条件及初始条件
在FLAC3D中，包含多种边界条件，边界方位 可以任意变化，边界条件可以是速度边界、应力边 界，单元内部可以给定初始应力，节点可以给定初 始位移、速度等，还可以给定地下水位以计算有效 应力等。这众多的边界条件主要通过apply或fix命 令来进行设置。而初始条件则主要通过initial命令 来执行，对所提的这两个命令必须严格区分并了解 其差异。通常我们所计算的模型均采用力学边界， 初始条件也基本是初始地应力的输入，对此两种不 同的力，其设置存在差别，同时在计算过程中，该 二者的变化情况也各不相同。
对于这两种基本的 网格，其公共面上的 关键点的对应关系更 需校核好，否则将出 现杂乱错误的网格。
对此马蹄形隧道，其公 共面处，p0 — p0,p1—p3, p2—p2,p4—p5 , p8—p9,p10 —p11
对于对称的模型也可以采 用镜像命令：
gen zone reflect norm -1 0 0 & origin 0,0,0
对于任何形状的单元体， 其建立单元模型时关键
FLAC3D介绍
的，如参与热-力耦合、热-水力耦合、甚至可结合 动力分析模块进行完全动力耦合分析。
自定义本构模型模块
FLAC3D为高级用户定制了自定义本构模型应用接 口，即支持用户遵循FLAC3D接口通讯规则编制特 定 本 构 模 型 ， 并 为 FLAC3D 所 调 用 。 目 前 ， FLAC3D所支持的高级开发环境为Visual C++，编 译 文 件 格 式 为 动 态 链 接 库 （ DLL ） 。 请 访 问 了解更多。
多核处理器并行计算 — 在多核处理器硬件系统架构 下，FLAC3D采用多线程技术进行并行计算，经过测 试对比发现，相对于单核情形，双核并行计算的计 算效率可提高至1.8倍，特别地，并行计算技术与本 构自定义模型不产生冲突
二 维 网 格 拉 伸 工 具 — 基 于 FLAC 模 型 文 件 建 立 FLAC3D三维模型的网格生成工具，支持两种生成形 式：单向线性拉伸和沿某一对称轴旋转拉伸
程序参考手册的丰富和扩展 — 超文本帮助
废弃料隔离数值模拟（温度-应力耦合分析） 特点：a.热传导/对流模型，特别是温度动态边界 条件条件的处理；b.温度与应力在时域内完全耦合
Kubrix前处理软件生成的深部科学与工 程实验室（DUSEL）FLAC3D网格模型
获取更多工程案例，请访问： /consulting.htm
如力边界速度边界加速度边界自由域边界等基于完全耦合算法的地下水分析模块包括负孔压计算饱和非饱和流计算自由液面计算满足复杂流固耦合问题的需要此外程序另外植入的浸润面定义功能适用于常规的有效应力计算分析工程管理窗口命令驱动操作窗口后处理管理窗口此处为工具栏位置itasca武汉咨询有限公司湖北省武汉光谷大道特1号国际企业中心ii期5栋3011flac3dv40动力分析模块中特别增加的用于描述剪切模量和阻尼比随应变关联的粘滞性阻尼模型丰富的结构单元库梁锚杆锚索桩壳土工织物衬砌单元内嵌了完备的非线性材料本构结构单元和岩土介质非协调变形可用于极其复杂的结构岩土相互作用分析内置程序编译器fish添加用户自定义功能如自定义本构模型定义新变量和新命令功能强大作为一款岩土工程数值分析首选工具flac3d所具有的突出优势是能为物理不稳定问题提供稳定解
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4
动力模拟的3个重要问题
1. 动力荷载与边界条件 2. 材料响应与阻尼 3. 土体液化
5
5
动力荷载
动力输入的类型 加速度时程 速度时程 应力(压力)时程 力时程
APPLY INTERIOR (内部) TABLE FISH
6
6
Quiet边界 静态(quiet,粘性)边界
Lysmer and Kuhlemeyer(1969) 模型边界法向和切向设置独立的阻尼器 性能 对于法向p波和s波能很好的吸收 对于倾斜入射的波和Rayleigh波也有所吸收，但存在反射 人工边界仍应当足够远
quiet
quiet 8
quiet
8
Free-field边界
Cundall et al. (1980)
自由场网格与主体网格的耦合粘性 阻尼器，自由场网格的不平衡力施 加到主体网格边界上
设置条件
底部水平，重力方向为z向 侧面垂直，法向分别为x, y向 其他边界条件在APPLY ff之前
n Cpr vn
0.0001
0.001
0.01
0.1
1
Shear Strain Amplitude (%)
Mid-Range Sand Curve (Seed & Idriss, 1970)
50
Sand Fill Inland:
Friction =32, hr=0.47, Go=440
40
Sand Fill under Rock Dike:
FLAC / FLAC3D基本原理和应用特点
FLAC3D动力分析、自定义本构以及结构单元
非常复杂！
Said by Prof. Peter Cundall
为什么要用FLAC做动力分析？ FLAC 可以模拟体系（土，岩石，结构，流体）受到的外部动力荷
载（比如地震）或内部动力荷载（比如基础振动、爆炸）。 可以计算塑性引起的永久变形以及孔隙水压力的消散。 土动力学中常用的等效线性方法无法直接处理上述问题。
11
11
2. 材料响应与阻尼
1. 连续的非线性，表观模量随着应 变的增大而降低
2. 对所有循环应变等级均存在滞回 特性，因此导致随着循环应变的 增加阻尼比增大。阻尼是率相关 的。
3. 对于复杂波形的各个成分都产生 阻尼。
4. 剪切应变会产生的体积应变，相 应的，随着剪应变循环次数的增 加体积应变逐渐积累。
2. 不能计算永久变形。等效线性方法模型在加荷与卸荷时模量相同，不能计 算土体在周期荷载作用下发生的剩余应变或位移。
3. 塑形屈服模拟不合理。在塑性流动阶段，普遍认为应变增量张量是应力张 量的函数，称之为“流动法则”。然而，等效线性方法使用的塑性理论认为应 变张量（而不是应变增量张量）是应力张量的函数。因此，塑性屈服的模 拟不合理。
30
Friction=30, hr=(%)
20
10
0
0.0001
0.001
0.01
0.1
1
Shear Strain Amplitude (%)
14
14
等效线性方法
• 等效线性方法是岩土地震工程中模拟波的传播的最常用的方法。 • 假定土体是粘弹性体，参照实验室得到的切线模量及阻尼比与剪应变幅值的关
4. 大应变时误差大。等效线性方法所用割线模量在小应变时与非线性的切线 模量很相近，但在大应变时二者相差很大，偏于不安全。
5. 本构模型单一。等效线性方法本身的材料本构模型包括了应力应变的椭圆 形方程，这种预设的方程形式减少了使用者的选择性，但却失去了选择其 它形状的适用性。方法中使用迭代程序虽然部分考虑了不同的试验曲线形 状，但是由于预先设定了模型形式，所以不能反映与频率无关的滞回圈。 另外，模形是率无关的，因此不能考虑率相关性。
7
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Quiet边界应用
内部振动(如隧道中的列车振动问题)☺ 动力荷载直接施加在节点上 使用Quiet边界减小人工边界上的反射 不需要FF边界
外部荷载的底部边界☺ 软土地基上的地震荷载不适合用加速度或速度边界条件 使用应力条件t = -2Csrvs
地震底部输入的侧向边界 扭曲了入射波
系曲线，对地震中每一单元的阻尼和模量重新赋值。
Iteration toward strain-compatible shear modulus and damping ratio (after Kramer, 1996)
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等效线性方法的特点
1. 使用振动荷载的平均水平来估算每个单元的线性属性，并在振动过程中保 持不变。在弱震阶段，单元会变得阻尼过大而刚度太小；在强震阶段，单 元将会变得阻尼太小而刚度太大。对于不同部位不同运动水平的特性存在 空间变异性。
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Free-field边界与动力荷载 模型底部边界
fix——施加速度或加速度荷载——刚性边界 Free——施加应力时程荷载——柔性边界
对于软弱的地基不适合施加速度（加速度荷载），而应当施 加应力荷载
t 2CS rvs
Note that there is a factor of 2 because the input energy divides into a downward- & upward-propagating wave.
9
相当于一个阻
尼器
9
Free-field边界 APPLY ff将边界上单元的属性、条件和变量全部转移ff单元上； 设置以后主体网格上的改动将不会被FF边界所响应 可存在任意的本构模型以及流体耦合(仅竖向) FF边界进行小变形计算，主体网格可大变形，FF边界上的变
形要相对较小 存在attach的边界将不能设置FF边界 边界上的Interface将不能连续 动力边界设置需在FF边界设置之前
Shear stress
4.0E+05 3.0E+05 2.0E+05 1.0E+05 0.0E+00 -1.0E+05 -2.0E+05 -3.0E+05
-0.1%
0.0%
0.1%
Shear strain %
0.2%
12
12
材料响应
土体在循环荷载作用下呈现出模量衰减和能量消散的特点， 那么如何用非线性数值方法对其进行模拟呢？
Nonlinear characteristics of soils (Martin and Seed, 1979)
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试验得到的阻尼比、割线模量随循环剪应变的曲线
1.0
0.9
rmaliNzoed Shear Modulus, G/Gmax
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0.0