FLAC3D基础介绍

施加扰动的属性
流体扰动：渗流可不与力学过程耦合
力学扰动：耦合等级取决于流固刚度比

流固刚度比
Rk
2M
K 4 / 3G
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单渗流得到孔压分布


用途：排水沟；抽水井；耦合计算 计算步骤
CONFIG
fluid SET mech off SET fluid implicit on/off MODEL fl_; PROP STEP; SOLVE age; SET fluid ratio SET fluid off mech on PROP biot_c 0 (or INI fmod 0)
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时间比例(scale)

力学过程的特征时间
t
m c

Ku 4 / 3G
Lc

流体扩散过程的特征时间
L t c
f c
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2 c
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完全耦合分析方法

时间比例
短期行为
(不排水) ts(分析时间)<<tc(耦合扩散时间) 忽略渗流影响 长期行为 (排水) ts>>tc
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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)

湿法：耦合体系的短期行为
使用排水的K, c,φ 若SET fluid off, Biot_mod(fmod)真实
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流-固耦合的计算模式

无渗流模式
孔压计算

有渗流模式
瞬态渗流分析
流-固耦合计算
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无渗流模式


渗流模式




不设置CONFIG Fluid 孔压不改变 INITIAL pp WATER table WATER density SET gravity WATER table face 手动设置干湿密度
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FLAC3D中的本构模型
模型 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 材料特性 空 均匀各向同性的线形本构关系 正交各向同性材料 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 粘土 岩石 实际应用 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
可以编程导入其他软件形成的网格(比如：Ansys、
Adina、GeoCAD)

无等值线的后处理功能(3D)
可编程将.sav文件写入TecPlot等其他后处理软件


全命令操作，学习困难 鼠标功能单一(双击取击点坐标)
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主要内容




FLAC3D软件简介 FLAC3D的基本原理 FLAC3D的前后处理 流-固耦合分析 接触单元与应用 完全非线性的动力分析 自定义本构模型的基本方法 结构单元及应用
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有限差分法


古老的方法(上世纪40年代) 用差分格式转化控制方程中的微商格式 流体力学；土工渗流问题；固结 FDM & FEM的混合求解 FDM的新进展
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Lagrangian网格

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
GeoHo
基本功能 理论框架 计算模式 渗流边界条件，初始条件 单渗流计算及渗流耦合计算
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基本功能




渗流各向同性、各向异性 不同的渗流模型和属性 流体压力，涌入量，渗漏量和不渗水边界 抽水井、点源、体积源 饱和渗流可采用显式差分法、隐式差分法 非饱和渗流采用显式差分法 渗流-固体-热的耦合 流体和固体的耦合程度依赖于土体颗粒(骨架)的压 缩程度，用Biot系数表示颗粒的可压缩程度。 循环荷载引起的动水压力变化和土体液化。
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 GeoHohai
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空间混合离散技术

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 以 为基本单元(常应力、常应变)

体应变的计算：
G = mg S = 1/2gt2 = 20m
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Case-1自由落体的模拟(movie)
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FLAC3D的求解过程
对所有的网格节点
速度 平衡方程 (动量方程) 节点力
Gauss定律
单元积分
对所有单元
应力—应变关系 (本构模型)
应变率
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新的应力
设置CONFIG fluid 瞬态渗流分析 有效应力计算 不排水计算 设置土体干密度 渗流模型 MODEL fl_isotropic MODEL fl_anisotropic MODEL fl_null
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渗流边界条件，初始条件


默认的边界条件是不透水边界 孔隙压力自由(不透水边界 ) 固定孔隙水压力(透水边界)
configdyngenzonbrisizemul0101modelelaspropbulk3e8shear1e8inidens1000setgrav10solveage1374geohohaigeohohaicase1movie1474geohohaigeohohaiflac3d平衡方程应量方程应力速度应点力新的应力应所有的格应点应所有应元1574geohohaigeohohaiflac3ddruckerprager模型morhcoulomb模型应应硬化应化遍布应理模型修正应应模型和胡克布朗模型1674geohohaigeohohaiflac3d岩石各向同性的岩石材料胡克布朗模型粘土材料在应力作用下应具有非应性材料硬化或应布解理模型松散板崩落存在非应性硬化或应模型岩土力通用模型定性分析地下应限分析底摩擦角的应粘土克普拉格模型正交各向同性材料正交各向同性低于强度限的人工材料性模型孔洞应材料特性模型岩石各向同性的岩石材料胡克布朗模型粘土材料在应力作用下应具有非应性材料硬化或应布解理模型松散板崩落存在非应性硬化或应模型岩土力通用模型定性分析地下应限分析底摩擦角的应粘土克普拉格模型正交各向同性材料正交各向同性低于强度限的人工材料性模型孔洞应材料特性模型1774geohohaigeohohaiflac3dflac3d的基本原理flac3d的前后应理自定应本模型的基本方法1874geohohaigeohohaiflac3d指定本模型及模型应出1974geohohaigeohohai命令应2074geohohaigeohohaiplot2174geohohaigeohohaicase2genzonbrisizemodelelas材料参数propbulk3e8shear1e8inidens20002931fix2931setgrav10solve求解appnstr10e4ransolverunflac3d2274geohohaigeohohai化模型应应参数2374geohohaigeohohai比如
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主要内容



FLAC3D软件简介 FLAC3D的基本原理 FLAC3D的前后处理 流-固耦合分析 接触单元与应用 完全非线性的动力分析 自定义本构模型的基本方法 结构单元及应用
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FLAC3D简介


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) DOS版→2.0 →2.1 →3.0 Itasca其他软件
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主要内容


FLAC3D软件简介 FLAC3D的基本原理 FLAC3D的前后处理 流-固耦合分析 接触单元与应用 完全非线性的动力分析 自定义本构模型的基本方法 结构单元及应用
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基本原理


有限差分法 Lagrangian网格 空间混合离散技术 Lagrangian格式动量平衡方程 FLAC3D的求解过程 FLAC3D的本构模型
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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个塑性模型（Drucker-Prager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）
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理论框架


准静态Biot理论 多孔介质中遵循Darcy定律的单相渗流 描述多孔介质中流体渗流的变量
孔隙水压力，饱和度，特定排水向量的三个分量

质量守恒定律 达西定律 本构定律
考虑流体响应孔隙水压力改变，饱和度改变，体积应
变改变和温度改变
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求解过程的变量跟踪
进行求解 模型输出
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菜单驱动(计算模式)
命令栏
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菜单驱动(Plot)
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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 ;边界条件 fix x ran x -.1 .1 fix x ran x 2.9 3.1 fix y ran y -.1 .1 fix y ran y 2.9 3.1 set grav 0 0 -10 solve ;求解 app nstr -10e4 ran z 3 x 1 2 y 1 2 solve
RUN FLAC3D
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前后处理功能的优点


多种zone类型 后处理快捷、方便、丰富 计算过程中的hist变量动态显示 FISH可进行参数化模型设计 单元状态的可编程 计算暂停时的后处理与可保存
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前后处理功能的缺点

复杂模型的建模功能不强
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主要内容




FLAC3D软件简介 FLAC3D的基本原理 FLAC3D的前后处理 流-固耦合分析 接触单元与应用 完全非线性的动力分析 自定义本构模型的基本方法 结构单元及应用
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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)

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流-固耦合计算

CONFIG fluid; M(Kf); K(渗透系数) 真实，则FLAC3D默 认耦合计算
Δp→Δεv→σ Δεv→Δp


预估流/力特征时间 耦合计算前先达到一个平衡状态

SET fluid on mech off; SET fluid off mech on; STEP SET mech force; SET mech substep n auto; SET fluid substep m (=1) STEP:渗流步足够小
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FLAC3D简介

应用：
岩土力学分析，例矿体滑坡、煤矿开采沉陷预测、水
利枢纽岩体稳定性分析、采矿巷道稳定性研究等 岩土工程、采矿工程、水利工程、地质工程

特色：
大应变模拟
完全动态运动方程使得FLAC3D在模拟物理上的不稳
定过程不存在数值上的障碍 显示求解具有较快的非线性求解速度
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FLAC3D在岩土工程 中的应用
报告人：陈育民 导 师：刘汉龙
河海大学岩土工程研究所
ymch@ lakewater@
主要内容



FLAC3D软件简介 FLAC3D的基本原理 FLAC3D的前后处理 流-固耦合分析 接触单元与应用 完全非线性的动力分析 自定义本构模型的基本方法 结构单元及应用
偏应变的计算：

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空间混合离散技术
= +
/2
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Lagrangian格式动量平衡方程
du 牛顿运动定律 F m a m dt
对于连续体
dui ij gi dt x j
m
在静力平衡条件下，加速度 项为0，方程变为平衡方程
u, u, u
F(t)
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Case-1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
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。
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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