离散元软件PFC2D学习问题总结
关于颗粒流软件PFC的离散元数值模拟参数标定
关于颗粒流软件PFC的离散元数值模拟参数标定摘要：简要介绍了运用离散元理论及颗粒流软件PFC进行岩土类工程问题数值模拟的研究思路和方法，简述了运用PFC软件进行数值模拟时通常会遇到的关键性问题，通过结合笔者在研究过程中的实践经验，针对数值模拟的首要步骤即参数标定这一步，给出了相应的解决方案及研究结论。
关键词：颗粒流软件PFC；离散元；数值模拟；参数标定1工程背景随着工程规模的日益扩大，作为建筑材料以及地基介质的岩土体一直以来都是人们研究的热点。
目前，解决岩土类工程问题的主要研究手段有三大类，分别是理论分析、室内实验和数值模拟。
其中，数值模拟又因其便捷、高效以及可控性成为当今最为常用的研究方法。
常用的数值模拟方法主要基于有限元分析理论或离散元分析理论，运用计算机软件对实际的工程问题进行模拟，从而发现问题、得到内在规律并作出研究结论，对于指导工程实践具有重大意义。
2研究方法针对不连续介质问题以及大变形问题[1]，近年来新兴的离散元理论逐步代替传统的有限元理论被人们采用。
其主要理论依据是牛顿第二定律和力与位移的关系，求解思路为：将求解空间离散为分离的单元阵，相邻两个单元之间用合理的元件相连接；基本变量是单元间的相对位移，通过位移和力的关系可以分别得到单元之间的法向、切向作用力；求单元上受到的合力及合力矩，由牛顿运动定律计算出单元体的加速度；最后，积分得到单元的速度和位移。
通过以上计算过程可以得到任意时刻所有单元体的位移、速度和加速度。
在基于离散元分析理论开发出来的计算机软件中，最为广泛使用的是美国ITASCA公司开发的UDEC（univeralditinctelementcode）、3DEC（3-dimenionalditinctelementcode）块体离散元程序，和PFC2D （particleflowcodein2dimenion）、PFC3D（particleflowcodein3dimenion）软件。
PFC二维模拟的缺点
PFC二维模拟的缺点PFC二维模拟的缺点在分析PFC2D模拟的结果时，需要考虑PFC2D的这些局限性，对结果做出合理的解释。
与三维模拟具有三个力的分量和三个弯矩分量不同，二维模拟只有两个力的分量和一个弯矩，其余几个分量并未考虑在平衡方程中。
默认情况下，生成的BALLS是圆心位于同一平面上的球体；当SET DISK ON命令打开后，BALLS是具有单位厚度的圆柱体，该命令影响到球的质量和内在特性的计算。
应力和应变PFC2D的应力和应变不是存在于颗粒组的任何地方，而是离散的，因此需要设置测量圆对其进行平均化计算。
平均化计算中，不考虑命令SET DISK，默认所有颗粒为单位厚度，这种算法在SET DISK OFF 时并不精确。
（算法见“PFC2D学习笔记之理论与背景”）PFC2D的运动方程中没有考虑平面外的力分量和应力应变，而是采用力-位移关系，为确定平面应变状态所必需的平面外约束在这里没有考虑。
填密和孔隙比孔隙比用来表示颗粒填密的程度，但是二维和三维孔隙比的计算没有明显关系，这使得PFC2D在模拟三维效应明显的材料时很难让人满意。
在三维下，均匀球体在矩形区域最紧密状态（无侵入）的孔隙比为0.2595；在二维下，则为0.0931，这说明三维可以容纳更多的空隙。
在真实材料中，是达不到这种最紧密状态的，因为在填密过程中颗粒之间会形成“锁合”，而三维情况下形成“锁合”的机率也比二维要多得多。
因此，三维条件下，孔隙比会更大。
三维条件下，小颗粒会从大颗粒的空隙中漏出，而在二维条件下则不可能发生这种渗漏。
因此，对于三维敏感的问题，有必要先使用PFC3D做少量的计算，得到某些物理响应的相关参数，然后再利用这些参数进行PFC2D的大量的二维模拟。
质量特性每个颗粒的质量特性取决于嗦采用的颗粒是球体还是圆盘，这会影响到运动计算和重力。
质量特性受到影响，但并不意味着其他模型特性，如应力和空隙比也必然受到影响。
pfc知识问答
与FLAC3D 的2.0和2.1版本相比，FLAC3D 3.0有哪些新功能？答：计算方面：1.所有的计算和数据均采用双精度浮点制。
2.其运行速度较2.1约快10-15%功能方面：1. 动力模块中增加了hysteretic阻尼对于动力计算，加入了一个新的阻尼特性：hysteretic阻尼。
采用这种形式的阻尼，数值计算模拟产生的应变可基于模型模量和阻尼函数的共同作用。
这就可以使用户将等价线性计算方法的结果与完全非线性无折减本构模型的计算结果进行比较。
另外，对一些其它形式的阻尼，如Rayleigh阻尼，进行了较大的折减，这样在使用hysteretic 阻尼时可以有效地节省计算时间。
2. 在岩石本构模型中增加了Hook-Brown（霍克-布朗）模型加入了霍克-布朗屈服准则，使用户对岩石材料计算结果较为合理。
它的屈服面是非线性的，同时是考虑最大、最小主应力的关系的基础上产生的。
该模型综合了塑性流准则，其特性随着不同的应力水平，呈一变化的函数。
3.热/流体水平对流模型FLAC3D之前已经能提供非线性固体与多孔介质渗流的流固耦合模拟，机械地耦合流体和固体。
而3.0版本的新功能增加了温度可受流体密度影响和流体中温度的水平对流。
4. 3Dshop生成的网格导入3DSHOP是一种能力强大的固体建摸和六面体网格的软件包，也是ITASA的产品。
FLAC3D 原始的网格仍可用，但是用基于WINDOWS操作系统的3DSHOP建复杂模型更为简单方便。
3DSHOP生成的网格能被FLAC直接读取。
5. 动画命令：FLAC3D现在能产生AVI和DCX动画，这是以前的版本没有的功能。
6. 记录颗粒轨迹：颗粒的路径能被记录和显示此外，FLAC3D 3.0也包含下面的新特点（这也是以前版本所不能实现的）：1）网络版2）应用于混凝土加工模拟的水合作用模型。
问：如何显示变形轮廓线的命令？答：plo ske magf 10 其中10为放大系数问：如何查看各个时段不平衡力的具体数值？答：采用his来记录计算，包括位移应力等命令his unbalhis gp(zone) zdis range (0 0 0) 或者id=？导出数据命令his write n vs m begin 时步 end 时步 file filename.hisn表示纪录的id m表示时步要导出不平衡力的具体数值his unbalstep 100000 or solvehis write 1 vs step begin 1 end 1000 file 123.his使用上述命令就可以查看各个时步下的不平衡力的具体数值问：initial 与 apply 有何区别？答：initial初始化命令，如初始化计算体的应力状态等；apply边界条件限制命令，如施加边界的力、位移等约束等。
PFC数值软件基础教学总结
块体逻辑支持附属粒子组或块体的创建，促进了
程序的推广普及。块体内粒子可以任意程度的重叠， 作为刚性体具有可变形边界的每一个块体，可作为一 般形状的超级粒子。通过指定墙的速度、混合的粒子 速度、施加外力和重力来给系统加载。“扩展的FISH 库”提供了在集合体内设置指定应力场或施加应力边 界条件的函数。时步计算是自动的，包括因为Hertz接 触模型刚度变化的影响。模拟过程中，根据每个粒子 周围接触数目和瞬间刚度值，时步也在变化。基于估 计的粒子数，单元映射策略采用最佳的单元数目，自 动调整单元的外部尺寸来适应粒子缺失和指定的新对 象。单元映射方案支持接触探测算法以保证求解时间 随粒子数目线性增加，而不是二次方增加。
粒子生成器根据粒子的指定分布规律自动概 率地生成。粒子半径按均匀分布或按高斯分布规 律分布。
初始孔隙度一般比较高，但通过控制粒子半 径的扩大可以获得密度压实。在任何阶段任何因 素都可以改变半径。所以不需反复试验就可以获 得指定孔隙度的压实状态。
属性与各个粒子或接触有关，而不是与“类型号” 有关。
因此，可以指定属性和半径的连续变化梯度。 “节理生成器”用来修改沿指定轨迹线的接触特性。 假定这些线叠加在颗粒集合体上。用这种方法，模型 可以被成组的弱面，如岩石节理切割。
PFC2D (Particle Follow Code 2 Dimension)即二 维颗粒流程序，是通过离散单元方法来模拟圆形颗 粒介质的运动及其相互作用。最初，这种方法是研 究颗粒介质特性的一种工具，它采用数值方法将物 体分为有代表性的数百个颗粒单元，期望利用这种 局部的模拟结果来研究边值间题连续计算的本构模 型。以下两种因素促使PFC2D方法产生变革与发 展:(1)通过现场实验来得到颗粒介质本构模型相当 困难:(2)随着微机功能的逐步增强，用颗粒模型模 拟整个问题成为可能，一些本构特性可以在模型中 自动形成。因此，PFC2D便成为用来模拟固体力学和 颗粒流问题的一种有效手段。
关于颗粒流软件PFC的离散元数值模拟参数标定
关于颗粒流软件PFC的离散元数值模拟参数标定作者：孙婧何佩珊齐梦菊来源：《山东工业技术》2016年第10期摘要：简要介绍了运用离散元理论及颗粒流软件PFC进行岩土类工程问题数值模拟的研究思路和方法，简述了运用PFC软件进行数值模拟时通常会遇到的关键性问题，通过结合笔者在研究过程中的实践经验，针对数值模拟的首要步骤即参数标定这一步，给出了相应的解决方案及研究结论。
关键词：颗粒流软件PFC；离散元；数值模拟；参数标定DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2016.10.0391 工程背景随着工程规模的日益扩大，作为建筑材料以及地基介质的岩土体一直以来都是人们研究的热点。
目前，解决岩土类工程问题的主要研究手段有三大类，分别是理论分析、室内实验和数值模拟。
其中，数值模拟又因其便捷、高效以及可控性成为当今最为常用的研究方法。
常用的数值模拟方法主要基于有限元分析理论或离散元分析理论，运用计算机软件对实际的工程问题进行模拟，从而发现问题、得到内在规律并作出研究结论，对于指导工程实践具有重大意义。
2 研究方法针对不连续介质问题以及大变形问题[1]，近年来新兴的离散元理论逐步代替传统的有限元理论被人们采用。
其主要理论依据是牛顿第二定律和力与位移的关系，求解思路为：将求解空间离散为分离的单元阵，相邻两个单元之间用合理的元件相连接；基本变量是单元间的相对位移，通过位移和力的关系可以分别得到单元之间的法向、切向作用力；求单元上受到的合力及合力矩，由牛顿运动定律计算出单元体的加速度；最后，积分得到单元的速度和位移。
通过以上计算过程可以得到任意时刻所有单元体的位移、速度和加速度。
在基于离散元分析理论开发出来的计算机软件中，最为广泛使用的是美国ITASCA公司开发的UDEC（universal distinct element code）、3DEC（3-dimensional distinct element code）块体离散元程序，和PFC2D（particle flow code in 2 dimensions）、PFC3D（particle flow code in 3 dimensions）软件。
PFC2D学习笔记之流固耦合
因此必须采用一些手段消除这些宏观摩擦。
流体公式
公式体现了可变形流体和颗粒间的全耦合。在使用公式时，需要选择局部流体变量。 在 PFC2D 程序中，压力和体积与颗粒间的孔隙相关，流动与接触相关；在 PFC3D 中，则是 压力、体积和流动都与颗粒间的孔隙相关。
流固耦合
流体与颗粒的相互作用方式
流体流动的细节模拟及其与非连续介质的耦合，需要的计算量很大，但是在很多情况下 只需要得到近似模拟即可，因此下面介绍各种复杂问题及其近似方法。 1、 均匀压力或静水压力
当颗粒只是受到重力左右，以休止角浸没在流体中，由于静水梯度的影响，应当使用颗 粒的浮容重。 2、流体中的分散颗粒 当颗粒在流体中的运动彼此独立时，即流体中的颗粒很分散，应当将粘滞力施加在颗粒 上，该粘滞力是颗粒和流体相对速度的函数。 3、 颗粒组中的分散流体 当流体体积占颗粒体积的很小一部分时，流体在颗粒的接触处受到表面张力作用。此时， 需要定义一个特殊的接触法则，以考虑流体的影响。该法则应包括粘滞分量和摩擦分量， 其中摩擦分量依赖于接触处颗粒的分离程度和流体体积。如果有两种流体相，则需要综 合考虑第 1 和 3 条. 4、 小压力梯度的饱和颗粒组 当压力在平均颗粒半径的距离内变化很小时，可以使用基于多个颗粒的孔隙比和渗透 性，当作连续流体来计算。拖曳力由压力梯度计算。由颗粒材料程序计算得到平均渗透性， 并将其赋给连续性材料计算程序，然后从连续性材料计算程序得到流体平均流速向量，再计 算得到颗粒体力。该弱耦合方式可以得到表面侵蚀、管道流和沟槽流的机理。但是，颗粒组 平均化参数计算时，所取的颗粒组范围需要自己决定。 5、 大压力梯度的饱和、粘聚性颗粒组 考虑孔隙的“虚”和“实”，可以将该问题分成两种情况讨论，两种情况下都具有大压 力梯度和粘聚性。 a) 流体在名义裂缝中的流动
PFC2D培训课件
学习中的难点及解决方法
遇到概念和技术难题
软件操作不熟练
当遇到PFC2D概念和技术难题时，可以通 过查阅相关资料、请教老师或与同学讨论等 方法解决。
当软件操作不熟练时，可以ห้องสมุดไป่ตู้过观看教程、 练习实例或参加培训课程等方式进行提高。
无法实现预期功能
学习缺乏兴趣和动力
在实现预期功能时，可能会遇到一些问题， 可以尝试调整设计思路、寻求设计辅助或者 咨询专业人士帮助。
易用性
图形界面
PFC2D提供直观的图形界面，用户可通过简单的拖拽操作轻 松建立模型，设置计算参数和运行模拟。
文档和教程
PFC2D提供详细的文档和教程，帮助用户快速上手并掌握使 用技巧。
可扩展性
可扩展性架构
PFC2D采用模块化、可扩展性架构，使得添加新功能或扩展现有功能变得简 单和灵活。
开放API
准备学习资料
03
收集和整理PFC2D学习所需的资料，如教材、教程、视频和在
线课程等。
学习资料与计划
制定学习计划
根据个人学习需求和学习时间，制定详细的学习计划，包括学习 内容和时间安排。
选择合适的学习资料
根据学习需求和计划，选择适合的学习资料，如教材、教程、视 频和在线课程等。
建立学习目标
在学习过程中，建立明确的学习目标，以便更好地把握学习方向 和提高学习效率。
PFC2D通过将颗粒视为离散的刚体，利用物理模型和算法来 模拟颗粒之间的相互作用和运动，可以应用于各种工业领域 。
PFC2D发展历程
1
PFC2D的前身是Particle Flow Code，由美国 国家实验室开发，最初用于核工业领域。
2
随着技术的发展和应用领域的扩展，PFC2D逐 渐被应用于采矿、冶金、化工、制药等工业领 域。
PFC2D学习笔记之颗粒生成
使用命令BALL和GENERATE可以生成颗粒。
BALL命令只能单个生成的颗粒，且可以相互重叠；GENERA TE命令可以生成颗粒组，但自动生成的一组颗粒间没有重叠。
生成的颗粒组有两种，一种是规则的排列，用于模拟结构部件，这种阵列的初始接触力可以精确的预测；另一种是不规则的排列，用于模拟实体或内部结构无序的粒状材料，要预估其初始接触力量值是不可能的。
对于第二种颗粒组，尽管颗粒排列是任意的，但某些特性还是需要在颗粒生成后添加，比如弱面或各向异性强度等。
规则排列通过用户自定义FISH函数，在循环体内使用BALL命令生成。
示例如下loop row (1,n_row)loop col (1,n_col)commandball id=idc x=xc y=yc rad=rcend_commandidc = idc + 1xc = xc + r2end_loopyc = yc + yincxc = x0 + radius * (row - (row/2) * 2)end_loop不规则排列一般，边界都是由墙定义好的，要在给定空间内生成颗粒，既要保证孔隙比符合要求，又要使组合达到平衡。
显然，孔隙比不能任意的小。
无法将圆颗粒在紧密堆积时将他们设置在任意紧密的区域（低孔隙比）。
这里讨论两种方法来以给定的半径和孔隙比生成颗粒，这两种方法都是先固定边界，即半径扩大法和颗粒排斥法。
还有一种方法是移动边界法，可以得到精确的孔隙比，但这种方法有三个缺点：边界条件改变了；达到平衡的时间很慢；最终分布很不均匀。
半径扩大法和颗粒排斥法中，颗粒半径按照某种概率分布生成，如均匀分布或高斯分布，也可以通过FISH自定义其分布形式。
BALL和GENERA TE的具体用法，参考《PFC2D学习笔记之命令篇》。
半径扩大法其基本FISH函数语句如下：mult = 1.6 ; initial radius multiplication factorn0 = 1.0 - (1.0 - poros) / multˆ2r0 = sqrt(height*width*(1.0 - n0)/(pi*num))rlo = 2.0 * r0 / (1.0 + rat)rhi = rat * rlo... ...gen id=1,num rad=rlo,rhi x=0,width y=0,heightprop dens=1000 ks=s_stiff kn=n_stiff... ...sum = 0.0bp = ball_headloop while bp # nullsum = sum + pi * b_rad(bp)ˆ2bp = b_next(bp)end_looppmeas = 1.0 - sum / (width * height)mult = sqrt((1.0 - poros) / (1.0 - pmeas))ini rad mul multcycle 1000prop fric 0.2cycle 2000注意，为了使颗粒组在比较快的时间内达到平衡，必须设置在CYCLE前使用FRIC设置摩擦系数，用于消散颗粒能量，但这种干预方式阻碍了颗粒的自由运动，对其最终组合状态有影响。
PFC2D学习笔记之使用细则
PFC2D术语颗粒：不同特性的颗粒表示紧邻基床面的材料，并沿着节理存在弱面。
墙：模拟边界，刚性光滑实体。
颗粒链：采用一个具有平行粘结的颗粒簇表示。
球：ball可以是球体，也可以是指定厚度的圆盘。
Ball的另一名称即颗粒。
Wall: 有两种墙，标准墙和一般墙。
一般墙在几何形状上和标准墙不同，且一般墙的两边都是激活的。
标准墙是一条或多条线段，并在与颗粒的交界面上任意定义接触特性。
Contact: 球与球或球与墙之间通过点接触相互作用。
接触通过球与球或球与墙的重叠来创建，该重叠与物理变形相对应。
Model boundary: 模型边界。
墙可以用来定义模型边界，或者规定一组球的速度。
CLUSTER：簇，簇内颗粒是粘结在一起的，用来模拟角或块体。
簇与簇之间可以相互作用并近似模拟块体系统的行为。
簇可以表示自然结构，例如块状岩体或任意结构（隧道线或钢筋等）。
簇内颗粒间的粘结可以发生破坏而分离。
聚粒（超级颗粒）：组成聚粒的颗粒彼此间保持固定距离，且不能分开，像一个具有柔性边界的刚体。
DISCONTINUITY：一个间断由块体系统中相互分离的颗粒簇的一个或多个接触组成，并具有不同于颗粒簇内部的接触特性。
间断可以表示岩体中的节理、断层或基岩等。
BOUNDARY CONDITION：边界条件。
INITIAL CONTINUITY: 初始条件。
ID NUMBER: 具有ID号的模型单元有，balls, walls, measurement circles, histories, tables, clumps and plot items. 使用PRINT命令可以得到ID号。
ID号可以由用户指定，也可以有程序自动分配。
RANG：范围，即一个变量的边界。
GROUP: 一组同名的球。
组可以用来限制一些命令仅作用在组内成员上。
CYCLE OR STEP：得到静态解的平衡状态需要经历的计算步数。
Unbalanced force: 不平衡力。
离散元软件PFC在矿业工程中的应用现状及分析
SUPERDEM
2
PFC 简介
语言 fish 功能强 大， 可允许用户根据自身需求定义 新的变量和函数。许尚杰
〔3 〕
等利用 fish 语言编写 了
在 PFC 计 算 循 环 中， 假设颗粒都是圆形刚性 的， 在给定每个颗 粒 参 数 ( 半 径、 密 度、 摩 擦 系 数、 接 触刚度系数 等 ) 和 墙 体 参 数 ( 速 度、 摩 擦 系 数、 剪切 刚度系数、 法向刚 度系 数 等 ) 的 情况 下， 对每一颗粒 交替运用牛顿第二定律与 力位 移 定 律， 在摩擦力的 作用下， 最 终 达到 静 态平衡。 在 PFC 中， 单元颗粒 的直径可以是均匀分布， 也可以按高斯分布， 通过改 ， 变单元颗粒直径 大 小 可 调 整 孔 隙 度 同 时 粒 径 大 小 可随时调整。颗粒 间 接 触 相 对位 移 的 计 算， 不需要 〔2 〕 增量位移而直接通过坐标来计算 。PFC 内嵌程序
〔5 〕 李福胜
〔6 〕 王连庆等
不同放矿过程
〔7 〕 王培涛等
充填颗粒流
〔8 〕 李兴尚等
充填体压实整个动态发展过程。并研究了充 填 率、 充 填 材 料 的 胶 结 强 度 和 弹 性模 量 等 宏 观性质对充填体压实特性的影响。
3. 2
岩土工程方面 PFC 自从 岩土工程是 PFC 模拟中的 重要 部 分，
颗粒计算循环过程
Calculation cycle of particles
The unit classification of discrete element
首次向我国岩石力学和工程界介绍了离散元法的基 本原理及个应用例子。经过近 30 年的发展， 现广 泛 应用在岩 土、 矿 冶、 农 业、 食 品、 化工、 制药和环境等 领域。当前国 内 外 离散元 主要 使 用 软件 如表 1 所 示。
PFC2D学习笔记之材料特性
材料特性使用命令PROPERTY可以分配材料特性参数信息。
难点在于选择能反映真实材料的特性参数。
连续介质程序中的材料参数是宏观参数，可以由实验室得到，而PFC2D则是采用颗粒之间的微观参数。
如果材料的微观参数已知，则可以直接应用PFC2D模拟；如果微观参数未知，则需要采用逆向模拟，即进行许多试验和模拟，建立宏观参数和微观参数的关系。
当不连续体（如裂缝、断层、节理等）要设置在材料中进行模拟时，可以使用节理生成器引入弱面。
颗粒和接触的特性除了与粘结相关的特性以外，都要使用PROPERTY命令给颗粒分配特性参数。
有些参数，如摩擦系数和接触刚度，与接触行为相关，但是也必须分配给颗粒。
这些接触行为由组成接触的两个颗粒的特性得到。
特性在空间的变化参数沿空间线性变化：prop s_bond 1e6 grad -1e4 range x 0 50。
即，接触粘结剪切强度由x=0处的1e6线性变化到x=50处的5e5（10e6 − 1e4*50）。
参数按照更复杂的函数变化则需要通过FISH函数完成。
参数按组分配：使用命令GROUP和RANGE GROUP。
GROUP将某空间范围内的颗粒定义为一组后，即使以后这些颗粒移动到初始定义的RANGE空间范围外，仍然保持在一个组内，仍然可以对其同时分配或改变参数。
需要注意的是，通过GROUP设置接触特性时，只有GROUP内部球体间形成的接触可以被改变，而属于不同GROUP的颗粒间形成的接触不受影响。
如果需要改变不同GROUP之间的颗粒形成的接触的特性，则需要使用JSET命令，这将在后面的节理平面部分给出详细说明。
基于已知微观特性的直接模拟如果模拟的材料由圆颗粒组成，则颗粒的特性可以直接输入PFC2D。
各参数的相对重要性取决于模拟的类型和目的。
如果颗粒材料小应变时的整体模量很重要，则应该使用HERTZ-MINDLIN模型，输入剪切模量和孔隙比；如果材料的强度比模量更重要，则使用计算效率高的线性接触模型，这种情况下，如果颗粒的重叠在合理范围（比如小于平均半径的5%），则切向和法向接触刚度就不重要了；如果没用颗粒间粘结，则材料的强度决定于摩擦系数。
PFC中文详解(格式整齐)
高级材料
7
3、颗粒流方法的特点
PFC2D可以直接模拟圆形颗粒的运动和相互作用 问题。颗料可以代表材料中的个别颗粒，例如砂粒， 也可以代表粘结在一起的固体材料，例如混凝土或 岩石。当粘结以渐进的方式破坏时，它能够破裂。 粘结在一起的集合体可以是各向同性，也可以被分 成一些离散的区域或块体。这类物理系统可以用处 理角状块体的离散单元程序UDEC和3DEC来模拟。
高级材料
9
PFC2D中几何特征、物理特性和解题条件的说明 不如FLAC和UDEC程序那样直截了当。
例如用连续介质程序，创建网格、设置初始压力、 设置固定或自由边界。在象PFC2D这样的颗粒程序 中，由于没有唯一的方法在一个指定的空间内组合 大量的粒子，粒子紧密结合的状态一般不能预先指 定。必须跟踪类似于物体压实的过程，直到获得要 求的孔隙率。
用户定义的接触本构模型可以用C++语言来编写， 并编译成动态链接库文件，一旦需要就可以加载。
用户写的C++程序选项允许用户用C++语言写自己 的程序，创建可执行的PFC2D个人版本。这个选项可 以用来代替FISH函数，大大提高运行的速度。
并行处理技术允许将一个PFC2D模型分成几个部 分，每个部分可以在单独的处理器上平行运行。与 一个PFC2D模型在一个处理器上运行相比，平行处理 在内存容量和计算速度方面得到大大提高。
b)模型的运行状态应及时保存，以便在后续运 行中调用其结果。例如如果分析中有多次加卸荷过 程，要能方便地退回到每一过程，并改变参数后可 以继续运行。
c)在程序中应设有足够的监控点(如参数变化 处、不平衡等)，对中间模拟结果随时作出比较分 析，并分析颗粒流动状态。
高级材料
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2024年PFC2D培训课件
PFC2D培训课件一、引言PFC2D是一款功能强大的二维颗粒流模拟软件，广泛应用于岩土工程、矿业工程、土木工程等领域。
为了帮助用户更好地了解和应用PFC2D软件，本课件将详细介绍PFC2D的基本原理、操作流程、模型构建、参数设置、模拟分析等方面的内容。
通过本课件的学习，用户将能够熟练掌握PFC2D软件的使用方法，为实际工程问题提供有效的数值模拟解决方案。
二、PFC2D基本原理PFC2D基于颗粒流理论，通过模拟颗粒之间的相互作用和运动规律，实现对岩土体等颗粒材料的力学行为的数值模拟。
在PFC2D 中，颗粒被视为具有一定半径和质量的小球，颗粒之间的相互作用通过接触模型来描述。
接触模型包括弹性模型、粘弹性模型、粘塑性模型等，可以模拟颗粒之间的弹性变形、滑动、粘结和断裂等力学行为。
通过计算颗粒之间的接触力、位移和速度等参数，PFC2D 能够模拟颗粒材料的应力应变关系、破坏过程和稳定性分析等。
三、PFC2D操作流程1.创建项目：打开PFC2D软件，创建一个新的项目，设置模拟的边界条件和计算参数。
2.构建模型：通过绘制颗粒、设置颗粒属性、创建边界和加载条件等操作，构建模拟模型。
3.设置参数：根据实际工程问题，设置颗粒的物理参数、接触模型参数和计算控制参数等。
4.运行模拟：启动模拟计算，观察颗粒的运动和相互作用过程，记录计算结果。
5.分析结果：对模拟结果进行分析，提取应力应变数据、颗粒位移、速度等参数，进行后处理和可视化分析。
四、PFC2D模型构建1.创建颗粒：通过指定颗粒的位置、半径和质量等参数，创建颗粒模型。
可以使用绘图工具手动绘制颗粒，也可以通过导入CAD 文件等方式自动颗粒。
2.设置颗粒属性：根据实际工程问题，设置颗粒的物理参数，如密度、弹性模量、泊松比等。
3.创建边界：根据模拟问题的需求，创建边界条件，如固定边界、滑动边界、自由边界等。
4.加载条件：根据实际工程情况，设置加载条件，如施加力、位移、速度等。
PFC2D学习笔记之加载-求解-模拟-结果分析
PFC2D学习笔记之加载-求解-模拟-结果分析加载方法加载分为被动加载和主动加载。
被动加载，是指模型内部的改变引起的模型内的加载，这种作用是自动发生的，如开挖，重力加载也属于被动加载的一种，因为重力总是在模拟开始时就设置了的。
需要注意的是，SET GRA VITY命令只是根据颗粒的重度和半径给颗粒施加一个体力，颗粒间的接触力不受该命令影响。
主动加载，由外部施加的速度和力组成。
墙的控制可以给墙施加速度，包括平动和转到。
墙运动时所受到的力和力矩可以用PRINT WALL显示，或用HISTORY WALL跟踪，或用FISH函数对其操作。
还可以用FISH函数创建一个伺服控制机制，给WALL施加速度以使力或力矩保持为常量。
也可以定义WALL的运动方程，使其动态行为像一个惯性实体一样。
颗粒受力控制——应力边界可以用一组平衡力作用在边界颗粒上，以取代WALL，且这组力可以放大或缩小以表示侧应力的变化。
但是，应力控制式边界在颗粒材料内不具有代表性；应变控制式边界更更真实地体现材料内部约束；施加的力边界对于为破坏的粘结材料几乎已经足够了。
颗粒速度的控制一组边界颗粒可以用命令FIX和INIITIAL XVEL,YVEL固定并施加速度。
但是需要用一下FISH函数获取控制颗粒的总反力：fxsum_lh = 0.0fxsum_rh = 0.0bp = ball_headloop while bp # nullif b_xfix(bp) = 1if b_xvel(bp) > 0.0fxsum_lh = fxsum_lh + b_xfob(bp)end_ifif b_xvel(bp) < 0.0fxsum_rh = fxsum_rh + b_xfob(bp)end_ifend_ifbp = b_next(bp)end_loop周期性边界当需要使所求解问题在给定区域循环进行时，使用周期性边界能够减少颗粒数目以计算时间。
PFC2D学习笔记之使用细则
PFC2D术语颗粒：不同特性的颗粒表示紧邻基床面的材料，并沿着节理存在弱面。
墙：模拟边界，刚性光滑实体。
颗粒链：采用一个具有平行粘结的颗粒簇表示。
球：ball可以是球体，也可以是指定厚度的圆盘。
Ball的另一名称即颗粒。
Wall: 有两种墙，标准墙和一般墙。
一般墙在几何形状上和标准墙不同，且一般墙的两边都是激活的。
标准墙是一条或多条线段，并在与颗粒的交界面上任意定义接触特性。
Contact: 球与球或球与墙之间通过点接触相互作用。
接触通过球与球或球与墙的重叠来创建，该重叠与物理变形相对应。
Model boundary: 模型边界。
墙可以用来定义模型边界，或者规定一组球的速度。
CLUSTER：簇，簇内颗粒是粘结在一起的，用来模拟角或块体。
簇与簇之间可以相互作用并近似模拟块体系统的行为。
簇可以表示自然结构，例如块状岩体或任意结构（隧道线或钢筋等）。
簇内颗粒间的粘结可以发生破坏而分离。
聚粒（超级颗粒）：组成聚粒的颗粒彼此间保持固定距离，且不能分开，像一个具有柔性边界的刚体。
DISCONTINUITY：一个间断由块体系统中相互分离的颗粒簇的一个或多个接触组成，并具有不同于颗粒簇内部的接触特性。
间断可以表示岩体中的节理、断层或基岩等。
BOUNDARY CONDITION：边界条件。
INITIAL CONTINUITY: 初始条件。
ID NUMBER: 具有ID号的模型单元有，balls, walls, measurement circles, histories, tables, clumps and plot items. 使用PRINT命令可以得到ID号。
ID号可以由用户指定，也可以有程序自动分配。
RANG：范围，即一个变量的边界。
GROUP: 一组同名的球。
组可以用来限制一些命令仅作用在组内成员上。
CYCLE OR STEP：得到静态解的平衡状态需要经历的计算步数。
Unbalanced force: 不平衡力。
PFC2D微观力学离散元分析软件技术参数
基本模块
2
流体分析模块
预购下一版本 V5.0
PFC2D 微观力学离散元分析软件技术参数
PFC2D 微观力学离散元分析软件， 特别用于模拟任意性状、大小的二维圆 盘集合体的运行及其相互作用的强大颗粒分析程序。 除了模拟大体积流动和混合 材料力学研究，程序更适合于描述在固体材料中细观/宏观裂纹扩展、破坏累积 并断裂、破坏冲击和微震响应等高水平课题的深化研究。 微观力学离散元分析软件
1
V 4.0
ITASCA
PFC2D 微观力学离散元分析软件模块技术参数 模块名称 技术参数 PFC2D 核心模块，为程序基本运行平台，可满足 常规分析的需要。主要技术参数如下： 静、动力分析能力； 多款颗粒流方法接触模型，包括 Linear model、Hertz Model、 SDM Model、 SJM Model、 DS Model、 SV Model、 Burger’s Model、HD Model； FishTANK 功能函数库。 流体分析亦可独立运行、或与其他功能模块进行 耦合计算，概括地，流体分析多用于孔隙介质流动问 题、 及其流-固耦合作用相关研究。 主要技术参数如下： 控制方程为 Navier-Stokes 方程，采用 SIMPLE 求解模 式； 解决粘性、或无粘性流体流动问题； 各向同性流体模型； 可执行单一流动、或与力学分析功能共同进行流体-力 耦合分析。 当前 PFC2D 商业化版本为 V4.0，规划下一版本为 V5.0， 当 V5.0 面市后 7 个工作日内， Itasca 有义务主动 联系客户并提供 V5.0 版本升级服务。
PFC常见问题解答
1.PFC对计算机配置有何要求？与其他程序（如3DEC）相似，PFC5.0是采用自动多线程技术进行计算的。
但是当计算机核数高于8时，计算效率降低。
因此，并非配置越高级，软件计算速度越快，用时越短。
这一特点取决于内存记录和等待。
实际上，处理器的快慢比处理器的数量更有用。
2.模型中只能采用圆形颗粒？PFC的最基本颗粒为圆形（2D）或者球形（3D），但模型中除了采用基本颗粒，还可以采用另外的颗粒形态，具体可使用clump实现。
使用clump可以模拟不同的颗粒形态，但生成计算模型所用颗粒之前，必须先生成颗粒模板，然后才可在模型中按照需求正式创建计算用的多形态颗粒集合体。
这种颗粒形态既可以通过外部程序导入进来，也可以在PFC5.0中直接创建。
3.PFC对边界条件有何要求？PFC中的边界条件与其他程序（如3DEC、FLAC3D等）不同，可以是不规则的任意边界。
且PFC的边界按照变形能力和受力特点可以分为两类：刚性边界和柔性边界。
刚性边界指边界是由墙体组成，墙体本身不能直接被施加外荷载，一般通过施加速度来控制墙体运动。
但墙体一旦与颗粒接触，这种接触是具有力属性的。
柔性边界一般指由颗粒形成的边界，既可以具有变形能力，也可以接受任意的加载方式，能够同时承受外荷载和运动速度。
4.PFC中的本构模型与一般程序中的本构模型含义相同吗？PFC中的本构模型是针对接触的，是细观本构模型，模型参数一般是包含接触的刚度和强度参数。
与宏观意义上的本构模型有很大差别。
3DEC中当采用Morh-Coloumb 和Hoek-Brown本构模型时，模型参数里所包含的诸如体积模量、摩擦角等参数都可以采用物理试验参数直接引入，但PFC的本构模型中的参数无法直接引入宏观参数，必须将一些宏观参数作为校核标准，调试出一组相对应的细观参数。
5.property和attribute都是属性的意思，使用起来有何不同？在PFC4.0及更早的版本里，所有的属性参数都采用property命令设置。
PFC2D培训课件
ANSYS是一款广泛用于工程模拟的软件，可以处理多种物理场的耦合问题，如流体、结构、电磁等；而PFC2D主要专注于 流体动力学和结构力学模拟。
界面与操作
ANSYS的界面较为复杂，操作相对繁琐，需要专业的培训和学习才能掌握；而PFC2D界面友好，操作简单易学。
定制化与开放性
ANSYS具有强大的定制化和开放性，可以与其他软件进行高度集成，适用于大型的工业设计和制造；而PFC2D则更注重快 速原型开发和模拟验证。
化工与制药
用于模拟固体颗粒的混 合、输送、反应和分离 过程，优化化学反应和 制药工艺流程。
食品与农业
用于模拟谷物、食品和 饲料颗粒的加工、输送 和储存过程，优化加工 和储运设备的性能。
02
pfc2d使用入门
pfc2d安装与配置
下载与安装
详细介绍PFC2D软件的下载、安装步骤
配置环境
介绍如何设置PFC2D的运行环境，包括内存、硬盘空间等要求
边界层湍流扩散
自己进行实战演练
步骤1
选择合适的模型和参数设置
步骤2
进行模拟计算并输出结果
步骤3
验证结果并进行误差分析
步骤4
根据结果进行优化设计
实战演练注意事项
注意1
选择合适的问题和模型
注意2
参数设置要合理并且要调试
注意3
数据分析和结果解释要准确
THANKS
谢谢您的观看
PFC2D采用离散元方法（DEM）和有限元素方法（FEM）相 结合，能够模拟颗粒和流体的相互作用以及颗粒在流体中的 运动行为。
pfc2d发展历程
PFC2D起源于20世纪90年代， 由美国Pinnacle公司开发。
2000年代初，PFC2D被引入中 国市场，并在多个领域得到了
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macro ’wall_fric’ ’0.5’ wall id 4 wall_props node pt1 pt2 ;bottom
new
gen id 1 400 x 0 5 y 0 5 rad 0.05 0.05 ini rad mul 1.4 ；定义一组范围的球体，名为Tunnel group Tunnel range x 1.5 3.5 y 0 5 plot create the_view plot add ball yellow plot show
pause
；删除先前定义的组
delete ball range group Tunnel
；只产生一个球，半径是必需的，如果ID未指定，则自动赋一个比现在ID大的数，如果x与y未指 定，则在坐标原点，指定参数hertz后，则质点将服从Hertz-Mindlin contact而不是默认的Linear law ，指定该法则后，则弹性体必需给出其属性，通过PROPERTY给出。产生的该质点可以与其它质 点重叠，而不像GENERATE命令，当执行循环后，重叠的质点将产生排斥力，除非给定边界限制 。
PFC2D学习初期总结[geotechman]
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主题：PFC2D学习初期总结
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PFC2D学习初期总结[geotechman]
add ball lblue add wall black add axes brown show ；建立视点Footing2 create Footing2
add ball lblue
add wall black add axes brown set size -1.0 1.0 -2.0 2.0 set title bottom
hist 1 hist 2
；将显示当前的几个视点，如在plot 模式下。 print list ；如果在命令模式下，则如下： plot print list ；在命令模式下，如下的命令将显示所有的历史信息 print hist ；提供重力，加速度为9.81m/s2 set grav 0,-9.81 ；提供球之间的磨擦力,磨擦系数为1.0 property fric 1.0 cycle 1000
PFC2D学习初期总结[geotechman]
macro pt3 ’1.0 1.0’ macro pt4 ’0.0 1.0’ macro wall_props ’kn wall_n_stiff ks wall_s_stiff fric wall_fric’ wall id 1 wall_props node pt2 pt3 ;side wall id 2 wall_props node pt3 pt4 ;top
内存分配 当载入PFC程序后，程序将动态分配内存，随着模型的构建，内存相应地增大。Print memory 将显 示当前内存大小。 内存分配 当载入PFC程序后，程序将动态分配内存，随着模型的构建，内存相应地增大。Print memory 将显 示当前内存大小。 图形控制 在图形模式下，按键M为放大图形，缩小为Shift+M；箭头来移动；Ctrl+G为在彩图与黑白图形间 转换；Ctrl+C显示照相机对话框；Ctrl+L为cutting plane；Ctrl+R为恢复图形显示为默认值；Ctrl+Z 为用一矩形框来放大图形局部；F9为重画。 实例 new ；将球体看成一定厚度的盘子；Note that only mass properties are affected by the SET disk command set disk on ；下面为建立四个直线边壁，分别赋予1~4的编号。每一直线壁以两点连线建立。 wall id=1 nodes ( 0, -5) (10, -5) wall id=2 nodes (10, -5) (10, 0) wall id=3 nodes (10, 0) ( 0, 0) wall id=4 nodes ( 0, 0) ( 0, -5) ；下面为产生500个球，每个球的编号被赋予1~500，产生球的地方在0<x<10,-5<y<-0.5的范围内，
;球为白色但有影子 plot add ball white shade on
一． 粒子创建 两种创建粒子的命令：BALL and GENERATE BALL 创建单一的粒子，并指定其位置，其不受已存在粒子的制约，也就是说其创建的粒子
可以与已存在的粒子叠加。 GENERATE 创建一系列的粒子，其不可重叠。 有两种粒子集：规则的和不规则的。
property n_bond=5e5 s_bond=5e5 ;记录ID号为10的wall在Y方向的力 hist wall yforce id 10
cycle 2000 plot current 0 plot hist 3 ；拷贝Contact_ Force 到Foot_Load下，并定义标题为：Loaded footing plot copy Contact_ Force Foot_Load both current 4 set title text ’Loaded footing’ show ；显示所有的球 print ball ；显示所有的墙 print wall ；显示模型的信息 print info
wjwhappy
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小 大 1楼
PFC2D学习初期总结
Post By：3/11/2006 9:39:55 PM
最近学了一段时间PFC2D，由于做课题要用到它，时间又很紧，只是粗粗的学了一下，现将我的学习笔记抄录如下，比 较乱一些。以期对比我更初级的学习者有所帮助。
;查看当前视图的详细信息
plot print view
;查看当前视图的具体模型
plot print item
;改变当前视图为另一视图
plot current Footing
;显示任何已存在的视图
plot show <viewname>
；以下命令将壁3删除，并建立壁10，因密度缩放比例是开着的，所以其速度单位为m/step，如 果是动态分析的话，则速度单位为length/time delete wall 3 wall id 10 nodes (2,0) (0,0) wall id 10 ks 1e8 kn 1e8 fric 1.0 wall id 10 yvel = -0.5e-3 ；在接触面上提供法向强度normal strength和切向强度shear strength，即内聚力cohesion，单位为： N.当超过法向或切向强度后，bond就会失稳破坏，球之间的摩擦力即发生效果。
ball rad v id i x v y v <hertz> ；建立球的最大与最小半径相同；如果半径不同的话，则产生的半径是最小的或是最大的，随机分布的。如果指定gaus s后，则按高斯分布，即按(R1+R2)/2与 (R2-R1)/2确定半径。 gen big rad=.6,.6 x=0,10 y=0,10 gen small rad=.3,.3 x=0,10 y=0,10 ；将大球定义Index 为0，小球为1 change c_index 0 range big change c_index 1 range small ；定义的wall的光面是向上的，故而在定义球时的no_shadow即这光面上方。 wall id 1 nodes -10 -10 10 10 gen no_shadow gauss x 0 6 y 0 6 rad .2 .22 id=1,50 del wall 1 ；定义的wall的光面是向下的，故而在定义球时的no_shadow即这光面上方。 wall id 1 nodes 10 10 -10 -10 gen no_shadow gauss x 0 6 y 0 6 rad .3 .32 id=51 75
；给球赋属性，密度为1000kg/m3,刚度都为108N/m
prop density 1000 kn 1e8 ks 1e8
；给球的半径乘以一个系数，从而减小球与球间的空隙
prop rad mul 1.51
；每5步监测一下变量的变化，从而将变化的数据存入一数组，默认为每10步；两个变量被监测， 一个是圆点在（3，0）附近的球在Y方向的速度，一个是平均不不衡力mean unbalanced force(muf) 的诊断
set hist_rep = 5
history ball yvel (3, 0) history diagnostic muf ；因为这是一个静态分析，用密度缩放参数(density-scaling option)使问题最优化 set dt dscale cycle 4000 ；视图Footing中，图像每20步进行一次更新，更新间隔可以通过SET pinterval 命令改变 ；以下4条命令进入到视点0中，显示刚才设定的历史1的图形，在该例中是圆点在（3，0）附近的 球在Y方向的速度和hist 2的图形 plot current 0 ；当前视点
； 定义宏 macro wall_s_stiff ’1e6’ macro wall_n_stiff ’1e6’ macro wall_fric ’0.0’ macro pt1 ’0.0 0.0’ macro pt2 ’1.0 0.0’
/old/dispbbs.asp?boardid=49&Id=3606[2009-4-26 23:31:23]