土木工程数值模拟(FLAC3D)课件第1章

对于体积模量和剪切模量，其和弹性模量之 间存在一转化公式：
或
对于材料的密度(干密度、湿密度等)则采用 initial命令来设置，即：
ini density * (range ---) 材料若考虑密度，则必须设置重力加速度，重 力加速度的设置采用set命令，即：
set gravity 0 0 –10 若重力方向为沿Z轴正向，则为10，若沿Z轴 负向，则为-10，若沿Y轴负向，则应设置为：
如对于z=-50处，
sxx=-10e6+1e5*(-50)=-15e6
对于存在多个不同变化梯度的初始应力的 设置，必须保证在梯度变化处的应力值相等， 若出现应力的跳跃将会产生较大的误差，其计 算结果将不可取。
对于位移边界，通常情况下是设置固定边界， 即约束各边界在法线方向不发生任何位移，采用 fix命令进行设置，例如：
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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,粘塑性(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
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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
FLAC3D中为岩土工程问题的求解开发了特有的本构模型，总 Hale Waihona Puke Baidu包含了11种力学材料模型：
1. 开挖模型null; 2. 3个弹性模型（各向同性，横观各向同性和正交各向异性 弹性模型）; 3. 7个塑性模型（Drucker-Prager模型、Mohr- Coulomb模型 、应变硬化/软化模型、霍克-布朗模型、遍布节理模型、双线 性应变硬化/软化遍布节理模型和修正的cam粘土模型）.
➢ 为了保证计算结果的准确性，洞室周围的网格 划分应密集一些，但也不宜过细，否则会影响 计算速度。同时，单元体的边长比值要控制在 一定的范围内，尽量避免比较狭长的单元体出 现。
➢ 为了保证网格的连续性，应保证相邻边界节点 的匹配，例如，相邻网格有相同的单元体数和 一致的单元体几何变化率。
本构模型及参数
不规则的六面体？
同时，关键词size还可配合ratio来进行 运用，使得各单元间的长度按照一定 的比率逐渐增大或减小。
gen zone radcyl size 5 10 6 12 & ratio 1 1 1 1.2
建立比较复杂的计算模型，即通过生成这 些基本的单元来进行“拼凑”。如建立一个马 蹄形断面的隧道
brick gen zone +关键词 cshell ------
radcyl
对于任何形状的单元体， 其建立单元模型时关键 点的描述需遵从一定的 顺序，如建立一规则的 六面体，其命令如下：
gen zone brick p0 * * * p1 * * * p2 * * * & p3 * * * size * * * rat * * *
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分析过程
学习内容
➢ 建模、划分网格 ➢ 本构模型及参数 ➢ 边界条件、初始条件及加载 ➢ 初始地应力的生成方法及初始平衡求解 ➢ 求解及结果输出
建模、划分网格
在FLAC3D程序中建立计算网格主要采用gen 命令，该命令可生成点(point)、面(surface)和单元 (zone)。由于点和面在三维计算程序中应用相对 较少，此处主要介绍单元(zone)的生成和组合方 法。主要命令：
在进行速度边界设置时，速度的取值是关键， 若已知固定时间内的位移，速度的求解为：
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基本特点
➢ 内置材料模型
➢ 连续介质非线性，大应变模拟
➢ 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：
隧道工程
零模型,
三个弹性模型 (各向同性，横观各向同性和正交各向异性),
八个塑性模型 (德鲁克-布拉格, 摩尔-库伦, 应变硬化/软化，单 一节理，双线性应变硬化/软化单一节理, 双屈服，修正剑桥粘 土，霍克-布朗)
Apply 命令施加的边界力，其在计算过程中保 持不变，且任意时刻均存在，除非再次执行apply 命令进行修改或网格移除，如地表超载等；而ini 命令施加的初始地应力，在计算过程中，随着计 算模型位移的产生，其内部的应力将不断进行调 整和重分配。其基本格式为：
apply szz * range z 60.1 59.9(施加在边界面上)
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
网格单元间的连接
采用FLAC3D进行计算，所建立的模型需是一个 连续的整体，否则计算结果将出现较大的误差甚至 无法进行计算。对于在建立模型时，各关键点的坐 标是准确无误输入且各公共面的网格数和大小均完 全一致的模型，无需进行任何操作，模型即自动完 成相互间的连接。
对于连续体
dui dt
ij
x j
gi
在静力平衡条件下，加速度 u,u,u
项为0，方程变为平衡方程
m F(t)
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FLAC3D中模型术语
gridpoint：节点 zone：单元 boundary：边界
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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 应变率
1.2634e6
Gen zone brick size 4 4 4 Gen zone brick size 4 4 4 p0 4.1 0 0 p1 8 0 0 p2 4.1 4 0 p3 4.1 0 4 Gen merge 0.1
尺寸和份数 要求为？
注意：
➢ 为了避免边界效应的影响，模型的外边界尺寸 最小应为应为地下开挖洞室直径的3～5倍。
➢ 考虑材料密度时，施加重力加速度要注意坐标 轴的方向。
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。
这是通过radtun和 radcyl来组合生成所 需要的模型。它们两者的生成关键点的 描述存在较大的区别。
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
对所计算的模型选择合理的本构关系，采用Model命令来 进行指定，如定义计算模型为摩尔-库仑模型，则命令流为：
Model mohr（可简写为：m m）
确定了合理的本构计算模型后，即赋予模 型相应的材料属性，主要采用properity命令执 行，同时对于不同的本构模型，其材料参数各 异，如对于摩尔-库仑本构模型： prop bulk * shear * fric * coh * ten * dilation*
此处所讨论的是公共面上网格的大小和划分的 份数不一致或者两相邻面间存在间隙的问题。对于 公共面上网格的大小和划分的份数不一致，主要采 用attach命令来进行连接，而对两相邻面间存在间 隙的问题，则采用gen merge 命令来进行连接的操 作。
需要指出：只有网格数之间存在整数倍的 关系，才能采用attach命令来进行连接，否 则连接会失败或仅能连接部分节点。
set gravity 0 –10 0
注意:
➢ 材料的本构模型必须先定义，严格按照本构模 型所要求的材料参数关键字赋予材料参数，否 则会导致命令流出错。
➢ 若本构模型需要的材料参数没有指定值时，系 统使用默认值，默认值为0。
➢ 数值模拟的计算参数与现场勘测值并不完全一 致，需要进行适当的调试，使其计算结果与真 实情况更为符合。
fix x range x 49.9 50.1 (平面x=50处)
若在计算过程中，需对原先约束的平面解除 约束，则采用free命令进行设置。
对于速度边界，则相应可理解为间接位移边 界，设置的边界节点的速度，将随着计算时步产 生相应的位移，对于日常生产中的伺服控制以及 一些常规的试验，如单轴三轴实验等可采用速度 边界来进行较准确的位移控制和定位。
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。
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土木工程数值模拟（FLAC3D）
第一章 基本介绍
软件介绍
1.大应变、小应变计算模式. 变2.丰形富和的小本应构变模分型析、假提定供位自移定小义到的足本够构使模所型得功到能的刚度改变无足轻重。 大3.接应触变面分可析以说模明拟由不单同元材的料形的状接和触取向改变导致的刚度改变。 4.流固耦合实现土体的固结与渗流 ➢（5.土拥参动有见各力王种学杰功中贤能一.动的般力结将地构0基.单0与1元％基类的础型应），变模量拟土级与作结为构大的应相变互与作小用应变的界限 ➢6.土强的大的静动力力变分形析问功题能，.有的学者甚至认为0.5 ％也属小应变； ➢7.在流基变分桩析检，测拥中有，粘大弹应性变模指型承和载粘力塑检性测模，型小应变指完整性检测 8.热力学分析.
ini szz * range z 0 60(施加于体上)
同时可配合gradient施加线形变化的荷载，如：
apply sxx -10e6 gradient 0,0,1e5
apply sxx -10e6 gradient 0,0,1e5 range z -100,0
上述命令流所施加的荷载值为：
其具体求解方法为：
对所有单元
应力—应变关系 (本构模型)
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节点力 单元积分 新的应力
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简单实例
gen zone brick size 6 8 8 model mohr prop bulk 1e8 shear 0.3e8 prop fric 35 coh 1e3 tens 1e3 set grav 0,0,-9.81 ini dens 2000 fix x range x -0.1 0.1 fix x range x 5.9 6.1 fix y range y -0.1 0.1 fix y range y 7.9 8.1 fix z range z -0.1 0.1 hist unbal hist gp zdisp 4,4,8 solve save t1.sav rest t1.sav model null range x 2,4 y 2,6 z 5,10 set large initial xdis 0.0 ydis 0.0 zdis 0.0 step 1000 save t2.sav
土木工程数值模拟（FLAC3D）
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为什么要学习FLAC
Abaqus：745条 ADINA：310条
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我国众多岩土工程项目须用它来分析（优先选用）
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FLAC为何这么流行？
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。
gen zone radcyl size 5 10 6 12 & ratio 1 1 1 1.2 p0 0,0,0 p1 100, 0,0 & p2 0,200,0 p3 0,0,100
gen zone radtun size 5 10 5 12 & ratio 1 1 1 1.2 p0 0,0,0 p1 0,0, -100 & p2 0,200,0 p3 100,0,0
速度边界设置主要采用apply命令进行设置，相 应的可设置的速度变量为xvel、yvel、zvel，例如：
apply xvel 2e-7 range x –0.1 0.1
其表示将x=0面上所有的节点速度均设置为2e-7 ，若随着计算，需移除初始边界，则采用apply remove 命令进行删除操作。