FLAC3D数值模拟基础(PPT讲座)

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FLAC3D
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
模型边界
水平边 界 压力
内部开挖边界 滚动底 端边界
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FLAC3D
FLAC3D的前后处理

术语
格网点 结构线
模型边界(Model Boundary)……即有限差分网格的 外围,内部边界也同样是模型边界(如网格中的空洞)。 边界条件(Boundary Condition)……即模型边界的格网区域 约束条件或控制条件的给定(如:限制位移、渗透条件、绝 水 平 热条件)。 边 界 初始条件(Initial Conditions)……即在对模型加载 压力 或开挖等作用前的各种参数状态。 基本模型(Constitutive Model)……基本模型(材料 模型)即规定了FLAC3D模型中某一区域的变形或强度效应, 可用大量基本模型去近视地质材料,可以单独定义FLAC3D 模型中的基本模型和材料模型。 空单元(Null Zone)……空单元表示此区域为空(就 象没有材料一样)。 次级网格(SUB-GRID)……有限差分网格可由次级网 格组成,它可用来在模型中创建不同形状的区域,次级网格 是分别生成,可进行合并和连接。
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FLAC3D
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
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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FLAC3D
FLAC3D的求解过程
水平边 界 压力
内部开挖边界 滚动底 端边界
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FLAC3D
FLAC3D的前后处理

术语
格网点 结构线
ID号码ID NUMBER-----FLAC3D模型中的单元以ID号 加以区分,下面的单元有ID号;内部面、节点、区域、体积、 历史、表格、显示项和结构单元的全部内容。这帮助用户确 定模型中的单元,可用porint命令获得ID号,用户可给内部格网区域 面、结构单元、历史等赋ID号。 实体结构单元同样也有CID号,系统给每一个网格, 水 平 边 界 单元都创建了一个CID号,这与梁,柱等不一样。 压力 结构单元STRUCTURAL ELEMENT------在FLAC3D 中有两种结构单元。二结点,线性单元表示梁,柱作用。三 结点,三角平面单元表示面状,结构单元用来模拟土体或岩 体中结构支护的相互作用。非线性材料作用可用单元表示。 每一结构单元实体(梁,柱,面体)包括三个内容: 结点、单个单元(也叫sels)和网格连线,这些内容的不同 可区别出梁、桩、面体的作用。 步STEP------因为在FLAC3D是具体代码,问题的计算 须分步进行,随步长的增加,现象的有关信息在研究区域传 递。对于静态分析,需要给一个具体的步,让其达到平衡状 态,典型的问题计算在2000-4000步之间,其他叫法有时 间步,循环次。
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
新的应力
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FLAC3D
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)


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
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
FLAC3D
FLAC3D简介


Fast Lagrangian Analysis of Continua 美国Itasca(依泰斯卡)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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FLAC3D
模型边界
水平边 界 压力
内部开挖边界 滚动底 端边界
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FLAC3D
FLAC3D的前后处理

术语
格网点 结构线
静态解答STATIC SOLUTION-----如果模型中动量变化 率小于了某一可忽略的值,就认为静态或类静态出现了,这格网区域 通过限定运动方程实现,静态就是模型达到应力平衡,或流 体材料受外力后从不稳定到稳定。这种分析方法在FLAC3D 水 平 边 界 中是默认的分析方法,机械的静态分析也可与地下水渗透或 压力 热传递问题结合(通过特定设置后,动态问题可由带约束的 静态分析代替)。 非平衡力UNBALANCED FORCE-------非平衡力标征 静态分析达到机械平衡(或塑性变形前),严格的说平衡时 每个节点上的应力矢量都为0。最大应力会自动被监测,当 击活step或solve命令时,其值会显示在屏幕上。最大网格 力也叫非平衡力或抗平衡力,非平衡力在数值上永远也不能 达到0,当最大非平衡力相对加载的力很小时, 我们就认为 模型达到了平衡状态,如果非平衡力一直保持某一非0值, 这就说明模型中可能发生了破坏或塑性变形。
接触面INTERFACE------即次级网格在计算过程中可以 分开(滑动,开裂)的两部分之间的面,可表示不连续的物 理特征,如,断层,节理面或材料性质突变的临界面。 范围INTERFACE------范围是对FLAC3D模型空间值的 一个描述,可给定一个命令的作用范围,即使模型发生运动--不影响模型中的区域和节点位置,一个范围或范围确定的 单元也不发生改变。范围或范围内的单元所包含的区域,也 可以用一个单元的ID号来表示,它与区域,节点,或结构单 元密切联系。 集合GROUP-----在FLAC3D模型中他们有共同的名称, 由于限定具体命令的对象,如model命令对某一集合设置为 某种材料,任何命令加于集合名称也就相当于作用于这一集 合的所有区域。
效果是否符合要求
作如下改变: 开挖模型的物质属性 改变边界条件
实施求解
网格确定问题的几何尺寸;持续的运动和 连续的物质属性决定了模型的扰动(如由 于开挖引起的变形)形式;边界条件和初 始条件确定了模型的初始状态(没有引起 扰动或变形的状态)。
参数是否调整 效果是否符合要求


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FLAC3D
基本原理
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FLAC3D
主要内容




FLAC3D软件简介 1、基坑开挖 2、浅基础的稳定性分析 3、网格的合并联结 4、界面的生成 5、隧道的生成 6、模型材料问题 7、Interface 合并(联结)问题 8、初始条件问题 9、 破坏问题分析 10、综合实例-煤巷应力分析
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FLAC3D
基本原理
建立FLAC计算模型,必须进行以下三个方 面的工作: 1. 有限差分网格 2. 本构特性与材料性质 3. 边界条件与初始条件 完成上述工作后,可以获得模型的初始平 衡状态,也就是模拟开挖前的原岩应力状态 。然后,进行工程开挖或改变边界条件来进 行工程的响应分析。


生成网格并调整网格的形状; 持续的运动和连续的物质属性; 特定的边界条件和初始条件。 到达平衡状态
模型边界
水平边 界 压力
内部开挖边界 滚动底 端边界
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FLAC3D的前后处理

术语
格网点 结构线 格网区域 模型边界 水 平 边 界 压力
附属接触面ATTACHED FACES……附属栅格面是由被 划分的次级栅格组成的网格接触或合并的面栅格面,接触面 必须是共面或接触,每个面的节点不一定一样,不同总密度 的次级网格可以接触。
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FLAC3D
FLAC3D简介
1 承受荷载能力与变形分析:用于边坡稳定和基础设计 2 渐进破坏与坍塌反演:用于硬岩采矿和隧道设计 3 断层构造的影响研究:用于采矿设计 4 施加于地质体锚索支护所提供的支护力研究:岩锚和土钉的设计 5 排水和不排水加载条件下全饱和流体流动和孔隙压力扩散研究:挡土 墙结构的地下水流动和土体固结研究 6 粘性材料的蠕变特性:用于碳酸钾盐矿设计 7 陡滑面地质结构的动态加载:用于地震工程和矿山岩爆研究 8 爆炸荷载和振动的动态响应:用于隧道开挖和采矿活动 9 结构的地震感应:用于土坝设计 10 由于温度诱发荷载所导致的变形和结构的不稳定:高辐射废料地下埋 藏的性能评价 12 大变形材料分析:用于研究粮仓谷物流动及井巷和矿洞中材料的总体 流动
模型边界
水平边 界 压力
内部开挖边界 滚动底 端边界
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FLAC3D
FLAC3D的前后处理

术语
格网点 结构线 格网区域
动态解答DYNAMIC SOLUTION------在动态分析中, 水 平 求解所有动态方程,动量的产生和消耗都将产生直接影响, 边 界 压力 在高频率发生或持续时间很短的过程中用到,如地震或爆炸。 动态计算是FLAC3D的一个可选模块。(见附录K) 大应变/小应变LARGE STRAIN/SMALL STRAIN -------FLAC3D默认的都是小应变,也就是说,即使计算出来 的位移相对通常区域尺寸很大,节点也不发生相应位移。大 应变中,节点根据每一步计算出的位移量发生位移。几何非 线性只有用大应变才能实现。
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FLAC3D
FLAC3D的前后处理

术语
格网点 结构线
区域(Zone)……有限差分划分的带在几何上是最小的区 域,在在这个区域里的每一个现象的变化,如应力应变都可以 估计出,。各种形状的多面体(立方体、楔形、锥体、四面体 格网区域 等)可用来构造模型并可用plot显示出来。每一个多面体可能 有一套或两套表层设置,这由5个四面体组成。默认的情况下, 水 平 边 界 压力 两个表层设置用在对计算精度要求高的情况下,区域的另外一 种叫法是要素。 栅格点(GridPoint)……栅格点是有限差分单元的角点。 一个多面体可能有5个、6个、7个或8个网格点,主要取决于多 面体的形状。给定每个节点的x,y和z值这样就具体确定了有限 差分单元,。其他叫法有:节点,交点。 有限差分栅格(Finite Difference Grid)……有限差分 网格是研究区域中一个或多个通过物理边界连接的有限差分单 元的集合。另一个叫法是网格,有限差分网格也可以标识出模 型中每个状态的存储位置,FLAC3D所生成的矢量都保存在节 点上(如:受力、速度、位移)。标量和张量保存在单元的中 心(如应力、材料属性)。
FLAC3D简介

应用:
岩土力学/岩石力学分析,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
FLAC3D
3D数值模拟基础 FLAC
刘升贵
中国矿业大学力学系
liushg2002@163.com
FLAC3D
主要内容


wenku.baidu.com


FLAC3D软件简介 1、基坑开挖 2、浅基础的稳定性分析 3、网格的合并联结 4、界面的生成 5、隧道的生成 6、模型材料问题 7、Interface 合并(联结)问题 8、初始条件问题 9、 破坏问题分析 10、综合实例-煤巷应力分析
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