FLAC,FLAC3D基础与应用ppt课件

;材料参数
prop bulk 3e6 shear 1e6
ini dens 2000
;初始条件
fix z ran z -.1 .1
37
New Features in FLAC3D Version 3.1
1. 多处理器的并行计算功能 2. 新结构单元类型 “Embedded Liner” 提供两个方向的
接触作用，可以很好地模拟挡土墙 3. 对四面体单元采用新的混合离散方法 “Nodal Mixed
Discretization” 提供塑性问题更精确的解答 4. 64位程序 5. 包含命令手册、FISH手册和应用实例的帮助
•Charles Fairhurst
美国工程院、瑞典皇家工程院院士，国际岩石力学 学科和岩石力学学会创始人之一，历任国际岩石力 学学会主席和副主席，国际岩石力学学会Muller奖、 美国岩石力学学会终生成就奖获得者。
•Peter Cundall
美国工程院、英国皇家工程院院士，国际资深计算 岩石力学学家。
关于教材
3
关于课程
• 2005-11-29 河海土木院研究生会组织 • 2006-10-13 同济大学土木工程学院 • 2006-10-26 河海大学金水节 • 2007-04-15 东南大学交通学院 • 2007-07-18 同济大学土木工程学院 • 2007-11-03 河海大学岩土所组织FLAC学术沙龙 • 2007-11-29 河南工业大学 • 2008-11-15 河海大学河海金水节培训 • 2010-11-10 河海大学校庆报告 • 2011-06-18 河海大学举办ITASCA技术与应用专题（南京）研讨会 • 2011-10-16 河南理工大学 • 2011-11-03 南京工业大学交通学院 • 2011-11-24 河海大学土木与交通学院研究生会 • 2011-06-18_ITASCA技术与应用专题（南京）研讨会
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为什么要用FLAC？
检索期刊： • 岩土工程学报 • 岩土力学 • 岩石力学与工程学报 • 关键词：×××
软件 论文数量
FLAC
650
ABAQUS 278
ANSYS
206
PLAXIS
61
ADINA
41
PFC
171
UDEC
73
Updated on June 2, 2015
9
为什么要用FLAC？
检索期刊： • Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering • Geotechnique • Canadian geotechnical Journal • Soils and foundations 关键词：×××
题外话—— “虚拟”与“现实”
现实的复杂与虚拟的简化
是否一定要“像”
我们也做过很像的东西
认清土体数值分析的影响因素
复杂的网格往往会把核心问题覆盖掉，经 常会造成计算结果无法解释。
虚拟是简单的世界
现实中的桩
虚拟的桩
虚拟是简单的世界
台阶坡面上的砾石产出状态 冰碛土体结构模拟结果
小结
• 数值分析要对实际工程进行大量的、细心的简化，从 效率和结果两方面保证数模分析的成果
稳定解 • 界面或滑动面用来模拟可产生滑动或分
离的离散面，从而模拟断层，节理或摩 擦边界 • 内置材料模型丰富：
28
可选模块
• 可选模块包括:
○ 热力学,热-力学耦合,热-流体-力学 耦合包括热传导和对流;
○ 粘弹,粘朔性(蠕变)材料模型; ○ 动力学分析,并可以模拟静边界和自
由域 ○ 使用C++定义自己的模型
对于连续体
dui dt
ij
x jgi在静力来自衡条件下，加速度 u,u,u项为0，方程变为平衡方程
m F(t)
40
自由落体的模拟
命令流： config dyn gen zon bri size 1 1 1 ini x mul 0.1 y m 0.1 z m 0.1 model elas prop bulk 3e8 shear 1e8 ini dens 1000 set grav 0 0 -10 solve age 2
横观各向同性弹性(即板岩)
极限分析，底摩擦角的软粘土 松散或胶结的粒状材料：土，岩石，混
凝土 存在非线性硬化或软化的粒状材料 具有强度各向异性的层状材料(即板岩) 具有非线性材料硬化或软化的层状材料 轻胶结的粒状材料，在压力作用下导致
永久体积减小 变形和抗剪强度是体变的函数
各向同性的岩石材料
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
2.类似问题求解时间呈 N2 甚至 N3规律增长.
3.难以模拟物理非稳定性问题.
4.需存储刚度矩阵，需克服相关 的带宽问题，需要的内存较大 .
5.对大位移、大应变问题需进行 大量的计算 .
36
New Features in FLAC Version 6.0
• 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
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FLAC3D中的本构模型
模型
材料特性
实际应用
空模型
线弹性模型
正交各向同性 弹性
横观各向同性 弹性
德鲁克-普拉格 模型
摩尔-库仑 模型
应变硬化/软化摩尔-库仑 模型
遍布解理模型 双线性应变硬化/软化遍
布解理模型
双屈服面塑性模型
修正剑桥模型 胡克-布朗模型
空
均匀各向同性的线形本构关系
正交各向同性材料
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Lagrangian法
• 源自流体力学中的拉格朗日法
○ 跟踪流体质点的运动状态 ○ 跟踪固体力学中结点，按时步用
Lagrangian法研究网格节点的运动
• 节点和单元随材料移动，边界和接触
面与单元的边缘一致 • 固体力学大变形理论
法国数学家、物理学家拉格朗日
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混合离散技术
=
+
/2
每个
为常应力/应变:
• 2D版本：DOS版4.05.06.07.0
25
FLAC
• 大应变、小应变计算模式.
Shear strainrate contours
• 丰富的本构模型、提供自定义的本构模型功能
• 接触面可以模拟不同材料的接触
• 流固耦合实现土体的固结与渗流
• 拥有各种功能的结构单元类型，模拟土与结构的相互 作用
G = mg S = 1/2gt2 = 20m
41
自由落体的模拟(movie)
42
FLAC3D中模型术语
gridpoint：节点 zone：单元 boundary：边界
节点
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FLAC3D的求解过程
速度
对所有的网格节点
平衡方程 (动量方程)
Gauss定律
对所有单元
应力—应变关系 (本构模型) 应变率
4
课程目的
• 什么是FLAC？ • 为什么要用FLAC？ • FLAC能做什么？ • FLAC为何这么流行？ • 怎么学FLAC？
课堂“作业”
• 研究生课程《岩土数值分析》上课学生调查
6
课堂“作业”
7
什么是FLAC？
• Fast Lagrangian Analysis of Continua
软件 论文数量
FLAC
31
ABAQUS
23
ANSYS
5
PLAXIS
14
ADINA
0
PFC
2
UDEC
9
Updated on June 2, 2015
10
为什么要用FLAC？
检索期刊： • GEO* • SOILS* 关键词：×××
软件 论文数量
FLAC
88
ABAQUS
50
ANSYS
27
PLAXIS
74
节点力 单元积分
新的应力
44
FLAC3D中的本构模型
• 开挖模型null
• 3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
○ Drucker-Prager模型、Morh-Coulomb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
• 强大的动力分析功能.
• 流变分析，拥有粘弹性模型和粘塑性模型
26
FLAC3D
- 与FLAC类似，是FLAC的三维版本 - 与 FLAC拥有相同的优点
upstream
downstream
27
基本特点
• 内置材料模型 • 连续介质非线性，大应变模拟 • 显式解题方案，为不稳定物理过程提隧供道工程
ADINA
3
PFC
12
UDEC
16
Updated on June 2, 2015
11
FLAC能做什么？
• 岩土工程中的绝大多数问题
○ 土力学、岩石力学、防灾减灾、隧道、地下空间等
• 采矿工程中的大部分问题
• 水工结构中的部分问题
• 结构工程
国际通用的岩土工程 专业分析程序
12
FLAC为何这么流行？
• 结果的判断，需要深入扎实的理论功底及“丰富”的 工程经验
• 数值分析的作用从“锦上添花”到“雪中送炭”，在 于各位的努力，指日可待
第一讲
FLAC3D基本介绍、静力分析、前后处理
24
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
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
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一个最简单的例子
gen zon bri size 3 3 3 ;建立网格(前处理)
model elas
《岩土数值分析》
FLAC/FLAC3D基础与应用
民
2015年6月2日
1
关于教师
• 2002年本科毕业于中国矿业大学 • 2007年博士毕业于河海大学 • 2013.7-2014.7美国普渡大学访问学者 • 2015.2~2015.5日本东京大学访问学者 • 研究方向：
○ 土动力学与岩土地震工程 ○ 土木工程防灾减灾 ○ 岩土工程数值分析
核废料储存中的热力学研究问题
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FLAC/FLAC3D基本原理
• FLAC/FLAC3D利用有限差分，显示方案，动态松弛 方法模拟连续体的非线性力学行为：
○ 即使对准静态问题，程序仍然求解完整的动力学方程。这种 方法的好处在于可以为物理非稳定过程例如塌方提供稳定解；
○ 在 “松弛”方法中，使用阻尼来吸收动能以模拟系统的“静 态”反应。 这种方法可以用比其它方案如解矩阵法更为真实 有效地模拟塌方问题。
38
New Features in FLAC3D Version 4.0
• 模拟颗粒状材料的硬化模型 • 自动网格重画功能，解决 bad-geometry 问题. • 改进的interface • 更快的渗流计算 • 更新的动力计算功能
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Lagrangian格式动量平衡方程
牛顿运动定律 F m a m du dt
以
为基本单元(常应力、常应变);
体应变的计算：
;
偏应变的计算：
.
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动态松弛
动态松弛法
在动态松弛法中，网格点根据牛顿运动定律运动. 网格点的速度 与该点的不平衡力呈正比. 这种求解方法所决定的一系列 位移将把系统带入平衡状态，或表明破坏模式.
在动态松弛法中有两个因素很重要:
时步的选择 阻尼效应
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课程安排
• 第一讲：基本介绍、静力分析、前后处理 • 第二讲：接触面、FISH语言、流固耦合分析 • 第三讲：动力分析、自定义本构、结构单元 • 第四讲：FLAC（2D）基本介绍与应用实例 • 讨论
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课程要求
• 了解FLAC的基本概念 • 了解FLA的适用范围和缺陷 • 了解深入学习FLAC的方法 • 会用FLAC分析简单的路堤填筑问题（考题）
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)
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混合离散技术
FLAC3D混和离散
=
+
/2
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FLAC3D混和离散
结构域离散为可由四面体单元组合形成的五面体或六面体等 单元;
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显式算法
显式显解式与,逐隐时式推解进 的比较
1.无需进行反复迭代来实现非线 性本构关系 .
2. 类似问题求解时间呈 N3/2 规 律增长
3. 物理非稳定性不会引起数值 不稳定性.
4. 因为无需储存矩阵，用较小 内存即可模拟大尺度问题.
5.对大位移、大应变问题同样适 合，无需额外的计算 .
隐式, 静态 1.需进行反复迭代来实现非线性 本构关系