数值模拟讲课PPT2
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2. 弹性模型 密度(density);体积模量(bulk);剪切模量(shear);
E K 3 1 2
E G 2 1
密度(density)——kg/m3; 体积模量(K)\剪切模量(G)\弹性模量(E) \ 粘聚力(coh) 抗拉强度(ten) ——Pa; 内摩擦角(friction)/剪胀角(dilation)——度(°)；
应用软件：
一、数值模拟方法与软件简介
有限元 连续 介质 有限差分 边界元 无界元
离散元 非连续 介质 颗粒元 流形元
基本原理：
5
数 值 模 拟 方 法
将求解域划分为差分网格； 空间离散处的控制方程组导数用网格节 点函数值的差商代替； 建立起以网格节点的值为未知数的代数 方程组； 微分问题变为代数问题的近似数值解法；
ITASCA是1981年美国明尼苏达大学5位
27
教师创办的岩石力学技术机构。
高级数值分析
工程可视化
水电边坡工程
深埋地下工程
采矿工程设计 岩爆及微震
试验及 监测设计
二、MIDAS、FLAC软件模拟操作
FLAC 3D 软件简介
28
FLAC 3D ——“3-D Fast Lagrangian Analysis Code” ——“Fast Lagrangian Analysis of Continual in 3-D”
几何 MIDAS 坐标系 转换 GCS坐标系 WCS坐标系 移动、复制，旋转 建模分析用坐标系 工作面移动用坐标系
20
注意：建立单个成 品个体，然后进行 复制，旋转；切勿 建立多个原型，然 后对多个半成品就 行操作。
①
②
二、MIDAS、FLAC软件模拟操作
2.2 MIDAS中模型属性的建立
模型 特性 属性
ABAQUS 模型各部分组合
汇报内容
一、数值模拟方法与软件简介
二、MIDAS、FLAC软件模拟操作
三、模拟操作个人总结 四、感想
二、MIDAS、FLAC软件模拟操作
12
1. 有中文破解版，界面友好； 2. 软件操作较为简单，上手快； 3. 前处理优势明显，建立模型容易；
1. 专用的岩土工程软件； 2. 计算分析功能强大； 3. 软件后处理效果好；
应用软件：
一、数值模拟方法与软件简介
有限元 连续 介质 有限差分 边界元 无界元
离散元 非连续 介质 颗粒元 流形元
基本原理：
6
数 值 模 拟 方 法
边界积分方程转变为线性代数方程组； 求解各边界单元的节点处待定的边界值； 建立边界值与域内函数值之间的解析公 式； 求得区域内任一点的函数值；
8
1.缺乏命令流; 2.解决一般工程； 1.开放性差; 1.专业性不强; 1.专业性不强;
一、数值模拟方法与软件简介
FLAC，ANSYS，ABAQUS 比较
模拟计算步骤 前处理
模型程序的编写 点－线－面－体
9
软件
FLAC ANSYS
计算分析
计算锚固问题
后处理
操作简便； 成图效果好；
结构优化设计或拓 生成节理单元； 扑优化设计 节理裂隙处理差； 计算接触问题 热交换、质量传 递等处理效果好；
模型最大不平衡力与起始节点力平均值的 控制比值为1e-5。（set mech ratio=1e-5） 设定节点x、y、z方向位移初始值为0
Save 平衡地应力.sav; 保存平衡地应力状态
File-restore 平衡地应力 调用平衡地应力文件
二、MIDAS、FLAC软件模拟操作
2.6 FLAC 3D 软件操作流程
二、MIDAS、FLAC软件模拟操作
2.3 MIDAS中实体网格的划分
网格 自动划分网格 线、面、实体 选择要划分网格的实体； 确定网格的单元尺寸；
23
选择实体的模型属性时，不要犯低级错误，以免导 确定实体网格的属性； 致网格实体各组间发生混淆。 填写实体网格的名称。
二、MIDAS、FLAC软件模拟操作
几何 曲线 在工作平面上建立
14
二、MIDAS、FLAC软件模拟操作
2.1 MIDAS中实体模型的建立
几何 曲线 交叉分割
15
交叉分割——对交叉的线段进行分割，将整体分割成几个部 分，但不会发生量的变化。
土层1 土层2 土层3
①
②
二、MBiblioteka BaiduDAS、FLAC软件模拟操作
2.1 MIDAS中实体模型的建立
建立分析模型：根据工程资料，建立三维模型； 根据组力学参数，定义材料性质； 根据坐标的位置，限制模型的边界； 12种本构模型：1个开挖模型（null空模型）；3个 弹性模型；8个弹塑性模型。 常用模型：空模型、mohr模型、弹性(elastic)模型
加载及连续建模：模拟施工扰动通过模型组的材料 特性以及本构模型的改变来实现，主要表现为材料 的开挖、单元节点载荷变化或压力的增减等。
较为常用
改参数弹塑 density=1800 bulk=31.25E6 shear=5.28E6 friction=20 cohesion=60e3, tension=1e10 性
较为合理
分阶段弹塑 density=1800 bulk=41.67E6 shear=7.04E6 friction=20 cohesion=60e3, tension=1e10 性求解
计算结果的输出处理，即后处理过程，根据自己的 需要，选择输出相应点的位移、应力等值线图或某 个组的变形、应力云图。
二、MIDAS、FLAC软件模拟操作
2.6 FLAC 3D 软件操作流程
地应力的平衡
31
自重产生沉降+模拟施工沉降=模型总体沉降
模型地应力状态求解的开始
Solve; 求解地应力状态 Ini xdis=0 ydis=0 zdis=0; 平衡地应力状态
较为少见
二、MIDAS、FLAC软件模拟操作
2.6 FLAC 3D 软件操作流程
材料性质的本构模型
1. 摩尔-库伦模型
33
密度(density);体积模量(bulk);剪切模量(shear);内摩擦角(friction)；粘聚力 (cohesion)；抗拉强度(tension)；剪胀角(dilation)
Model、Property
Model 、Property Apply 、Fix
Save 、Restore Plot、Hist Set mech ratio mohr 粘聚力(cohesion) 摩擦角(friction) 抗拉强度(tension) 剪胀角(dilation)
定义边界、初 始条件
网格准确性 弹性模型 材料性质
三维模型 算法应用 基于三维显式有限差分法 的分析方法，模拟岩石、 土体及其他材料的大变形 、挠曲或塑性流动，适用 于岩土力学中的非线性大 变形或不稳定问题。 快速拉格朗日算法 连续介质
算法原理 计算区域划分成若干个四面体单元 区域单元给定边界条件及本构关系 材料随着单元网格的移动而变形
初始地应力场的设置 原模型参数
density=1800 bulk=31.25E6 shear=5.28E6 friction=20 cohesion=35e3, tension=0(E=15e6, ν=0.42)
32
设弹性模型 (E=20e6, ν=0.42, elastic模型)
density=1800 bulk=41.67E6 shear=7.04E6
MIDAS建模注意事项
①、建模前先应做好模型草图，做到心中有数。 ②、建模过程中尽量不要改动既定模型的尺寸大小。
26
③、建模过程中注意标明各表面、实体的名称。
④、建模过程中合理确定网格的单元尺寸。
⑤、曲面完成，关闭曲线层。实体完成，关闭曲面层。
二、MIDAS、FLAC软件模拟操作
FLAC 3D 软件简介
应用软件：
一、数值模拟方法与软件简介
FLAC，MIDAS，PLAXIS，ANSYS，ABAQUS 比较 软件 优点 不足
FLAC MIDAS PLAXIS ANSYS ABAQUS 1.岩土工程方面专业; 2. Fish语言，开放性好; 1.中文界面，建模能力强; 2.可视化能力强； 1.专业定制，精度高; 2.操作简单，上手快； 1.通用软件，资源丰富; 2.参数化语言； 1.非线性计算，界面好; 2.岩土方面高级用户使用； 1.建模能力弱; 2. 界面不友好;
Apply、Fix Initial
Attach face elastic 密度(dengsity) 体积模量(bulk) 剪切模量(shear)
图形绘制及结 果输出
收敛标准 摩尔库伦 材料性质
二、MIDAS、FLAC软件模拟操作
2.6 FLAC 3D 软件操作流程
生成网格单元
30
设置边界条件
定义材料性质 设置初始条件 初始地应力平衡 加载及连续建模 求解 结果输出
一、数值模拟方法与软件简介
有限元 连续 介质 有限差分 边界元 无界元
离散元 非连续 介质 颗粒元 流形元
基本原理：
4
数 值 模 拟 方 法
将连续的求解域分割成有限个单元； 用未知参数方程表征单元的特性； 各个单元的特征方程组合成代数方程组； 通过求解方程组得到节点上的未知参数； 获取结构内力等需要考察的输出结果；
建模用MIDAS，计算分析、后处理用FLAC。
二、MIDAS、FLAC软件模拟操作
1989年韩国浦项集团CAD/CAE研发机构开发MIDAS； 2000年成立MIDAS IT 公司。
13
SDS
网格划分
楼板基础
建筑结构
隧道工程
桥梁工程
二、MIDAS、FLAC软件模拟操作
2.1 MIDAS中实体模型的建立
二、MIDAS、FLAC软件模拟操作
FLAC 3D 软件常用命令
功能
清除、调用 命令文件 生成网格 定义材料本构 关系、性质
29
命令
New、Call
功能
初始平衡及计 算求解 执行变更 计算结果保存 及调用
命令
Step、Solve Set mech、Set gravity
Generate、Impgrid、 Expgrid
2.4 MIDAS to FLAC 软件接口
模型 模型 节点 单元 节点表格 表格
24
① ②
① ②
FLAC格式文件
二、MIDAS、FLAC软件模拟操作
2.5 隧道施工实例操作
25
40
2.6
素填土(2m) 粉质粘土(2m) 强风化花岗岩(2m) 中风化花岗岩(34m)
75 36
二、MIDAS、FLAC软件模拟操作
应用软件：
一、数值模拟方法与软件简介
有限元 连续 介质 有限差分 边界元 无界元
离散元 非连续 介质 颗粒元 流形元
基本原理：
研究对象划分为一个个独立单元； 采用迭代方法确定所有单元受力与位 移； 跟踪计算每个单元的微观变化，得到 研究对象的宏观运动规律；
7
数 值 模 拟 方 法
数值模拟软件的应用
汇报人：XXX 导 师：XX老师 2016年5月30日
汇报内容
一、数值模拟方法与软件简介
二、MIDAS、FLAC软件模拟操作
三、模拟操作个人总结 四、感想
一、数值模拟方法与软件简介
大多数的工程问题，物体的几何形状较复杂或者其某 些特征是非线性的，很少可直接获得问题的解析解。
3
目前解决途径: 简化假设，（只在有限的情况可行，但过多的简化 将可能导致不正确的甚至错误的解） 借助计算机来获得满足工程要求的数值解，这就是 数值模拟技术
21
建立模型属性、材料性质时，应对两者准确命名， 并做到属性与材料的统一。 FLAC各模型的属性类型
FLAC各模型的名称 FLAC网格模型中的编号
二、MIDAS、FLAC软件模拟操作
2.3 MIDAS中实体网格的划分
网格 网格尺寸控制 线、面、形状
22
选择线、面、形状 播种方法（单元长度、分割数量） 节点间隔（视建模情况而定）
几何 曲面 建立 平面
16
各线段闭合，才能产生平面
二、MIDAS、FLAC软件模拟操作
2.1 MIDAS中实体模型的建立
几何 生成几何体 扩展
17
①只有在平面基础上才能进行扩展； ②进行扩展时，确定好扩展的方向以及扩展长度。
二、MIDAS、FLAC软件模拟操作
2.1 MIDAS中实体模型的建立
几何 布尔运算 并集、差集、交集
18
并集
交集
二、MIDAS、FLAC软件模拟操作
2.1 MIDAS中实体模型的建立
几何 布尔运算 并集、差集、交集
19
差集
桩体
土层作主形状
处理好实体之间的差集、并集；否则划分的网格无 法耦合。
桩体作主形状 土层 共用面
①
土层
②
桩体
二、MIDAS、FLAC软件模拟操作
2.1 MIDAS中实体模型的建立
E K 3 1 2
E G 2 1
密度(density)——kg/m3; 体积模量(K)\剪切模量(G)\弹性模量(E) \ 粘聚力(coh) 抗拉强度(ten) ——Pa; 内摩擦角(friction)/剪胀角(dilation)——度(°)；
应用软件：
一、数值模拟方法与软件简介
有限元 连续 介质 有限差分 边界元 无界元
离散元 非连续 介质 颗粒元 流形元
基本原理：
5
数 值 模 拟 方 法
将求解域划分为差分网格； 空间离散处的控制方程组导数用网格节 点函数值的差商代替； 建立起以网格节点的值为未知数的代数 方程组； 微分问题变为代数问题的近似数值解法；
ITASCA是1981年美国明尼苏达大学5位
27
教师创办的岩石力学技术机构。
高级数值分析
工程可视化
水电边坡工程
深埋地下工程
采矿工程设计 岩爆及微震
试验及 监测设计
二、MIDAS、FLAC软件模拟操作
FLAC 3D 软件简介
28
FLAC 3D ——“3-D Fast Lagrangian Analysis Code” ——“Fast Lagrangian Analysis of Continual in 3-D”
几何 MIDAS 坐标系 转换 GCS坐标系 WCS坐标系 移动、复制，旋转 建模分析用坐标系 工作面移动用坐标系
20
注意：建立单个成 品个体，然后进行 复制，旋转；切勿 建立多个原型，然 后对多个半成品就 行操作。
①
②
二、MIDAS、FLAC软件模拟操作
2.2 MIDAS中模型属性的建立
模型 特性 属性
ABAQUS 模型各部分组合
汇报内容
一、数值模拟方法与软件简介
二、MIDAS、FLAC软件模拟操作
三、模拟操作个人总结 四、感想
二、MIDAS、FLAC软件模拟操作
12
1. 有中文破解版，界面友好； 2. 软件操作较为简单，上手快； 3. 前处理优势明显，建立模型容易；
1. 专用的岩土工程软件； 2. 计算分析功能强大； 3. 软件后处理效果好；
应用软件：
一、数值模拟方法与软件简介
有限元 连续 介质 有限差分 边界元 无界元
离散元 非连续 介质 颗粒元 流形元
基本原理：
6
数 值 模 拟 方 法
边界积分方程转变为线性代数方程组； 求解各边界单元的节点处待定的边界值； 建立边界值与域内函数值之间的解析公 式； 求得区域内任一点的函数值；
8
1.缺乏命令流; 2.解决一般工程； 1.开放性差; 1.专业性不强; 1.专业性不强;
一、数值模拟方法与软件简介
FLAC，ANSYS，ABAQUS 比较
模拟计算步骤 前处理
模型程序的编写 点－线－面－体
9
软件
FLAC ANSYS
计算分析
计算锚固问题
后处理
操作简便； 成图效果好；
结构优化设计或拓 生成节理单元； 扑优化设计 节理裂隙处理差； 计算接触问题 热交换、质量传 递等处理效果好；
模型最大不平衡力与起始节点力平均值的 控制比值为1e-5。（set mech ratio=1e-5） 设定节点x、y、z方向位移初始值为0
Save 平衡地应力.sav; 保存平衡地应力状态
File-restore 平衡地应力 调用平衡地应力文件
二、MIDAS、FLAC软件模拟操作
2.6 FLAC 3D 软件操作流程
二、MIDAS、FLAC软件模拟操作
2.3 MIDAS中实体网格的划分
网格 自动划分网格 线、面、实体 选择要划分网格的实体； 确定网格的单元尺寸；
23
选择实体的模型属性时，不要犯低级错误，以免导 确定实体网格的属性； 致网格实体各组间发生混淆。 填写实体网格的名称。
二、MIDAS、FLAC软件模拟操作
几何 曲线 在工作平面上建立
14
二、MIDAS、FLAC软件模拟操作
2.1 MIDAS中实体模型的建立
几何 曲线 交叉分割
15
交叉分割——对交叉的线段进行分割，将整体分割成几个部 分，但不会发生量的变化。
土层1 土层2 土层3
①
②
二、MBiblioteka BaiduDAS、FLAC软件模拟操作
2.1 MIDAS中实体模型的建立
建立分析模型：根据工程资料，建立三维模型； 根据组力学参数，定义材料性质； 根据坐标的位置，限制模型的边界； 12种本构模型：1个开挖模型（null空模型）；3个 弹性模型；8个弹塑性模型。 常用模型：空模型、mohr模型、弹性(elastic)模型
加载及连续建模：模拟施工扰动通过模型组的材料 特性以及本构模型的改变来实现，主要表现为材料 的开挖、单元节点载荷变化或压力的增减等。
较为常用
改参数弹塑 density=1800 bulk=31.25E6 shear=5.28E6 friction=20 cohesion=60e3, tension=1e10 性
较为合理
分阶段弹塑 density=1800 bulk=41.67E6 shear=7.04E6 friction=20 cohesion=60e3, tension=1e10 性求解
计算结果的输出处理，即后处理过程，根据自己的 需要，选择输出相应点的位移、应力等值线图或某 个组的变形、应力云图。
二、MIDAS、FLAC软件模拟操作
2.6 FLAC 3D 软件操作流程
地应力的平衡
31
自重产生沉降+模拟施工沉降=模型总体沉降
模型地应力状态求解的开始
Solve; 求解地应力状态 Ini xdis=0 ydis=0 zdis=0; 平衡地应力状态
较为少见
二、MIDAS、FLAC软件模拟操作
2.6 FLAC 3D 软件操作流程
材料性质的本构模型
1. 摩尔-库伦模型
33
密度(density);体积模量(bulk);剪切模量(shear);内摩擦角(friction)；粘聚力 (cohesion)；抗拉强度(tension)；剪胀角(dilation)
Model、Property
Model 、Property Apply 、Fix
Save 、Restore Plot、Hist Set mech ratio mohr 粘聚力(cohesion) 摩擦角(friction) 抗拉强度(tension) 剪胀角(dilation)
定义边界、初 始条件
网格准确性 弹性模型 材料性质
三维模型 算法应用 基于三维显式有限差分法 的分析方法，模拟岩石、 土体及其他材料的大变形 、挠曲或塑性流动，适用 于岩土力学中的非线性大 变形或不稳定问题。 快速拉格朗日算法 连续介质
算法原理 计算区域划分成若干个四面体单元 区域单元给定边界条件及本构关系 材料随着单元网格的移动而变形
初始地应力场的设置 原模型参数
density=1800 bulk=31.25E6 shear=5.28E6 friction=20 cohesion=35e3, tension=0(E=15e6, ν=0.42)
32
设弹性模型 (E=20e6, ν=0.42, elastic模型)
density=1800 bulk=41.67E6 shear=7.04E6
MIDAS建模注意事项
①、建模前先应做好模型草图，做到心中有数。 ②、建模过程中尽量不要改动既定模型的尺寸大小。
26
③、建模过程中注意标明各表面、实体的名称。
④、建模过程中合理确定网格的单元尺寸。
⑤、曲面完成，关闭曲线层。实体完成，关闭曲面层。
二、MIDAS、FLAC软件模拟操作
FLAC 3D 软件简介
应用软件：
一、数值模拟方法与软件简介
FLAC，MIDAS，PLAXIS，ANSYS，ABAQUS 比较 软件 优点 不足
FLAC MIDAS PLAXIS ANSYS ABAQUS 1.岩土工程方面专业; 2. Fish语言，开放性好; 1.中文界面，建模能力强; 2.可视化能力强； 1.专业定制，精度高; 2.操作简单，上手快； 1.通用软件，资源丰富; 2.参数化语言； 1.非线性计算，界面好; 2.岩土方面高级用户使用； 1.建模能力弱; 2. 界面不友好;
Apply、Fix Initial
Attach face elastic 密度(dengsity) 体积模量(bulk) 剪切模量(shear)
图形绘制及结 果输出
收敛标准 摩尔库伦 材料性质
二、MIDAS、FLAC软件模拟操作
2.6 FLAC 3D 软件操作流程
生成网格单元
30
设置边界条件
定义材料性质 设置初始条件 初始地应力平衡 加载及连续建模 求解 结果输出
一、数值模拟方法与软件简介
有限元 连续 介质 有限差分 边界元 无界元
离散元 非连续 介质 颗粒元 流形元
基本原理：
4
数 值 模 拟 方 法
将连续的求解域分割成有限个单元； 用未知参数方程表征单元的特性； 各个单元的特征方程组合成代数方程组； 通过求解方程组得到节点上的未知参数； 获取结构内力等需要考察的输出结果；
建模用MIDAS，计算分析、后处理用FLAC。
二、MIDAS、FLAC软件模拟操作
1989年韩国浦项集团CAD/CAE研发机构开发MIDAS； 2000年成立MIDAS IT 公司。
13
SDS
网格划分
楼板基础
建筑结构
隧道工程
桥梁工程
二、MIDAS、FLAC软件模拟操作
2.1 MIDAS中实体模型的建立
二、MIDAS、FLAC软件模拟操作
FLAC 3D 软件常用命令
功能
清除、调用 命令文件 生成网格 定义材料本构 关系、性质
29
命令
New、Call
功能
初始平衡及计 算求解 执行变更 计算结果保存 及调用
命令
Step、Solve Set mech、Set gravity
Generate、Impgrid、 Expgrid
2.4 MIDAS to FLAC 软件接口
模型 模型 节点 单元 节点表格 表格
24
① ②
① ②
FLAC格式文件
二、MIDAS、FLAC软件模拟操作
2.5 隧道施工实例操作
25
40
2.6
素填土(2m) 粉质粘土(2m) 强风化花岗岩(2m) 中风化花岗岩(34m)
75 36
二、MIDAS、FLAC软件模拟操作
应用软件：
一、数值模拟方法与软件简介
有限元 连续 介质 有限差分 边界元 无界元
离散元 非连续 介质 颗粒元 流形元
基本原理：
研究对象划分为一个个独立单元； 采用迭代方法确定所有单元受力与位 移； 跟踪计算每个单元的微观变化，得到 研究对象的宏观运动规律；
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数 值 模 拟 方 法
数值模拟软件的应用
汇报人：XXX 导 师：XX老师 2016年5月30日
汇报内容
一、数值模拟方法与软件简介
二、MIDAS、FLAC软件模拟操作
三、模拟操作个人总结 四、感想
一、数值模拟方法与软件简介
大多数的工程问题，物体的几何形状较复杂或者其某 些特征是非线性的，很少可直接获得问题的解析解。
3
目前解决途径: 简化假设，（只在有限的情况可行，但过多的简化 将可能导致不正确的甚至错误的解） 借助计算机来获得满足工程要求的数值解，这就是 数值模拟技术
21
建立模型属性、材料性质时，应对两者准确命名， 并做到属性与材料的统一。 FLAC各模型的属性类型
FLAC各模型的名称 FLAC网格模型中的编号
二、MIDAS、FLAC软件模拟操作
2.3 MIDAS中实体网格的划分
网格 网格尺寸控制 线、面、形状
22
选择线、面、形状 播种方法（单元长度、分割数量） 节点间隔（视建模情况而定）
几何 曲面 建立 平面
16
各线段闭合，才能产生平面
二、MIDAS、FLAC软件模拟操作
2.1 MIDAS中实体模型的建立
几何 生成几何体 扩展
17
①只有在平面基础上才能进行扩展； ②进行扩展时，确定好扩展的方向以及扩展长度。
二、MIDAS、FLAC软件模拟操作
2.1 MIDAS中实体模型的建立
几何 布尔运算 并集、差集、交集
18
并集
交集
二、MIDAS、FLAC软件模拟操作
2.1 MIDAS中实体模型的建立
几何 布尔运算 并集、差集、交集
19
差集
桩体
土层作主形状
处理好实体之间的差集、并集；否则划分的网格无 法耦合。
桩体作主形状 土层 共用面
①
土层
②
桩体
二、MIDAS、FLAC软件模拟操作
2.1 MIDAS中实体模型的建立