FLAC3D和3DEC的区别(itasca论坛)培训资料

FLAC3D和3DEC的区别（itasca论坛）
在“三维可视化”专区中一位坛友讲到了3DEC建模和参数取值困难的问题，且被业界所“诟病”。

楼主是3DEC的忠实用户，也用过FLAC3D和PFC，就3DEC自身的这些“问题”，略谈一二。

在建模环节上，3DEC是典型的“欺生”，即生手上来的时候可能觉得无从下手，而掌握以后觉得游刃有余。

有兴趣的坛友可以访问Itasca网站中咨询研究专题下的一些应用实例，看看那里的3DEC模型，所有这些模型，除其中一个以外，建模时间都在5天以内，一般为3天，不助任何第三方软件。

大家可以比较一下，这些模型用其他软件建模时需要花多长时间。

与其他ITASCA软件如FLAC3D一致地，3DEC采用命令流建模，可以嵌入FISH。

这对初学者而言有些困难，但如果掌握了就很灵活：
相比较菜单操作而言，命令流显然要困难一些，因此难学。

但一旦掌握，修改模型只需要修改命令流，无需进行重复的菜单操作，熟手因此多喜欢命令流的方式；
FISH本身就不是为初学者准备的，但掌握了FISH以后，任何有规律性对象的建模就容易得多。

比如多机组的地下厂房洞室群，用FISH建立起来了其中一个单元以后，修改参数即可很快获得其他单元。

建模过程中FISH的应用可以大大提高效率，是命令流、特别是菜单操作所难以比拟的。

因此，3DEC是典型的“欺生”，学习3DEC和训一匹“烈马”有得
一比，如果你不能驯服它，你只能是望而却步。

学习3DEC还需要“洗脑”，即固有的理论和思维模式可能会有所障碍。

不知道哪位坛友在基础理论学习过程中系统学习过非连续力学方法、或者说学习过离散元方法。

以楼主的理解，国内一些关于离散元的文献中，只要谈深一点，就不乏误解和错误。

其中的原因是多方面的，一是没有跟上国际潮流，没有真正弄懂就开始写文章。

二是既往的教育背景基本都是连续理论和有限元方法，当用这种思维定式来应用离散元程序如3DEC时，可能会受到一些制约。

3DEC处理的对象包括两大部分，即块体和接触（结构面），相比较而言，有限元乃至FLAC3D针对的对象只是其中的块体，即便存在结构面，但在程序结构中的处理方式也与3DEC有着本质的差别。

如果说单元网格是数值模型的基本单元，那么，3DEC中包括两种网格体系，即接触网格和块体网格。

这要求用户在脑子里建立这种概念，即3DEC程序结构中有两个系列的网格，而不是传统的一个系列。

当然，从应用角度，如果不理会这一点也无所谓，但如果是达到写文章和理解程序的深度，则需要理解这种差别及其带来的不同。

在3DEC中，接触被作为块体的边界，因此，两个块体相接触时，无需节点之间有任何的对应关系。

在FLAC专区中有一幅帖子问“这样的网格行不行”，如果放在3DEC中，这不是问题。

这一差别显
然对用户有利--你无需考虑块体之间的单元节点匹配问题，简单地说，一个块体相当于一个独立的FLAC3D或有限元模型，块体边界相当于模型边界，3DEC把这些模型综合到了一起，形成一个超级模型。

既然接触时块体边界，因此，计算结果可以在边界附近出现应力和位移的不连续，这是看3DEC成果时需要注意的环节。

按传统方式输出应力等值线图时，3DEC就算结果的等值线可能很难看，但却真实。

当大家都习惯了漂亮的“等值线”时，可能就会“诟病”3DEC
的计算结果和3DEC程序。

事实上，问题很可能出现在自身，即用固有的理念看待新问题。

所以，当决定学习3DEC时，请先做好“洗脑”的思想准备。

再就是对“调参”的诟病。

对于数值计算中的“调参”，楼主倒是有话要说。

首先，我不止一次听到工程界对数值计算的抱怨，即只知道坐在计算机跟前去调参，以获得与现场“一致”的结果。

而不是真正去探讨问题的本质，在解决本质问题上下功夫。

水电界的一些坛友可能都知道锦屏一级地下厂房下游拱肩一带
出现的持续变形问题，以楼主之见，毫无疑问是破裂随时间扩展的工程表现，从本质上考察问题时，需要采取相适应的数值方法、即微力学程序与PFC开展工作。

如果使用FLAC3D等这些程序进行“调参”，要诟病的很可能是用户自己。

以楼主了解的情况，使用3DEC时大家常问的一个问题是刚度如何取。

楼主有一个问题要问，你是否知道现实中结构面刚度受到哪些因素的影响、如何影响到计算结果？
首先，从岩石力学专业的角度，刚度本身就不是一个简单的力学常数，除了直接受到结构面自身刚度（软、硬）影响以外，还与尺寸密切相关。

同一结构面，3m长和30m长时的刚度可以差别10倍，给结构面赋刚度时，不仅要看结构面性质，还要看结构面长度，这是两个基本因素，是专业知识问题。

在给结构面赋刚度时，我们是否遗漏了什么？
其次，刚度影响什么？影响位移。

如果你希望研究的是块体稳定，刚度取值就不怎么重要了，因为那是结构面强度参数、而不是刚度参数说了算。

取不同的刚度，该失稳的块体仍然失稳，不该失稳的仍然处于稳定。

不同的是，取高的刚度时，块体发生破坏时对应的位移量小一些，而取低的刚度时，破坏时对应的位移量大。

如果是回答稳定问题，你完全可以不回答位移；如果你希望给出位移，心中需要有数，这是与刚度相关的相对位移。

最后，如果必须面对刚度取值问题，即重点是结构面导致的真实位移大小，这与确定岩体的弹模没有两样，最好的办法是利用现实中的位移监测“校对”出刚度值，这才是正确的“调参”方式。

当然，你或许会说，此时还涉及到岩体弹模的“调参”。

这是对的，离散元计算就是比连续力学计算复杂，要不然为什么从UDEC/3DEC中抽取出来的FLAC/FLAC3D有那么多人学，而问津UDEC/3DEC的人少很
多。

不过，任何问题深究时都复杂，前述锦屏一级地下厂房，或许你仍然可以用FLAC3D计算，但你调参时不应该是调整弹模和峰值强度，而是残余强度以及描述破裂随时间扩展的参数，这是专业理解环节的问题。

以楼主之见，在复杂问题调参前，先看看哪些参可以调，哪些不能调。

以楼主的经验，以岩体为例，峰前行为只有GSI需要调也可以调，峰后可能是复杂问题特别需要关注和调参的地方。

ITASCA软件中最先是UDEC，其中对块体应力--应变关系的数学求解采用了拉格朗日方法，把UDEC中对块体的这种求解方式拿出来形成单独的、针对连续体的程序时，这个程序就是FLAC，然后发展成FLAC3D。

打过不恰当的比方，儿子得到了广泛认可，老子的血统到成了问题，这就是UDEC、3DEC在中国面临的窘境。

很多人奇怪为什么ITASCA中国公司不出来宣传和辟谣，如果了解Itasca中国公司的业务范围，也就不足为奇了，数值计算工程应用是Itasca公司的主要业务范围，没有必要花很多精力去教会竞争对手。

事实上，在市场竞争激烈的一些国家，如智利、西班牙等，那里的Itasca公司根本就不愿意卖软件。

好在中国很大，市场也很大，没有谁能占很大的份额，卖卖软件业无妨。

如果是常规性的岩体工程问题，3DEC完全可以取代FLAC3D，由于FLAC3D建模具有相对严格的规则要求，在处理复杂几何模型时，3DEC显然更灵活有效一些。

请注意灵活两个字，不同的人有不
同的做法，取决于你自己，这就是3DEC的特点之一。

与FLAC3D 相比，3DEC的缺陷是功能要少一些，比如，支护方式没有前者多，耦合计算功能不强等，这些也反映了二者针对对象的差别，3DEC侧重于岩体，支护方式本身就不如土体工程多。

楼主发帖时用了“血统”两个字来比较，不是功能。

FLAC系列是从DEC系列衍生而成，但不是说DEC的功能一定比FLAC强大。

DEC针对的是岩体，就没有考虑研究土体问题的一些功能。

之所以这样比，是因为谈到FLAC系列时大家都认可，但DEC的成熟性受到质疑。

补充一点，这两款软件也是同宗同门，最初均出自Peter Cundall 之手，在一般性问题上二者没有什么差别。

最大的内在差别是DEC 可以处理大量结构面，而FLAC系列不能。

随着不断发展，FLAC系列更偏向于解决土体和多场耦合方面的问题，因此这方面的功能增加了不少。

DEC功能性开发的进展相对较慢一些，内在原因是DEC的开发班子人员相对要少得多。

关于dec系列、flac系列和pfc系列的区别
FLAC系列和DEC系列的最大区别在于后者增加了接触系列，如果没有接触，二者都是拉格郎日插值求解程序，方法和基本功能上没有大的区别。

增加接触系列的目的是能处理大量结构面问题，其中
的现实问题到并不是非连续力学理论和方法，而主要是计算效率。

DEC中的接触被处理成块体边界，当完成一步阶段以后，块体之间的接触关系或接触力会发生变化，这就要求每次计算以后都要判断块体之间的接触关系，获得每个块体的边界条件，再进行计算。

与FLAC 系列相比，这些都是多出来的。

如果一个模型有数千乃至上万个块体，按传统的接触判别方式，计算时间可能非常沉长，缺乏现实可行性。

Cundall在提出离散元理论方法以后，其中的最大贡献是把这一方法转化成为了具有实用价值的商业化软件，在这一过程中，程序中接触关系的判断和处理方式显得非常灵巧，突显了Cundall一贯的风格。

很遗憾的是，曾经偶尔读过某位教授的大作，讨论离散元和3DEC，却认为这是3DEC中存在的问题，看来这位教授是误解Cundall的贡献了。

DEC系列只能模拟已经存在的结构面的张开、滑移等行为，但不能模拟新形成的破裂面。

PFC的开发，其功能之一是解决这方面的问题。

实用PFC与80配混凝土很相似，混凝土的力学性质取决于骨料性质、级配、水泥标号、配比等。

PFC对介质材料的模拟也是这样，它由颗粒（骨料）和粘结材料（水泥）两种基本单元组成。

当需要模拟某种岩体时，需要在计算机中配置出这种材料，其中需要确定的参数就是颗粒几何级配、力学特性、水泥含量等，这些称之为微观力学参数。

当给一组微观力学参数以后，所描述的介质是不是你需要的材料，这需要在计算机中做数值试验确定。

所谓数值试验，就是用这种
配比做成模型，模型的尺寸与试验室试样一致，边界荷载与试验室加载过程类似，由此可以得到介质的数值试验结果，如应力--应变关系曲线，从而获得介质的宏观力学参数，如弹模、泊松比等，当这些参数与你需要模拟的岩体力学参数一致时，这组配比即被认为是你需要的PFC材料参数。

否则，你需要不停地更换配比参数，直至获得与你需要的结果。

PFC因此具有如下两点突出的特点：
所赋的力学参数为微观力学参数，它描述了介质的基本力学特性，决定了介质具备的宏观力学特性；
摆脱了常规方法中对介质本构方程的依赖，无需定义本构，且可以用以研究介质的本构。

PFC中的基本单元为颗粒和接触，接触方式可以不同，如粘结或不粘结。

当接触的粘结破坏时，对应于现实中一个微裂缝的出现，因此可以直接描述破裂问题。

当介质中破裂不断增加时，介质的宏观力学特性可以不断发生变化，因此可以研究脆性介质材料的启裂强度、损伤强度、峰值强度、和残余强度等不同强度指标描述的介质力学行为。

在使用PFC进行专业问题研究时，先可能要花大量的时间找“配合比”，即先要确定微力学参数，是这种微力学参数决定的介质的宏
观力学特性（本构和参数）与预期的指标充分接近。

打个比方，我们现在要建一个II类大理岩地区的隧洞，我们知道II类大理岩的弹性模量、泊松比、C和F等宏观力学参数。

与传统数值方法不同地，我们无法直接把这些参数赋给模型，而是需要不断地调整PFC微力学参数，然后模拟试验室中的单轴、三轴、和抗拉等试验，获得每个配比下的介质宏观力学参数，当数值试验获得的宏观参数与所需要的II类大理岩基本相同时，对应的微力学参数即模拟了II类大理岩的力学特性。

如果熟悉“地质力学模型试验”，则PFC的上述过程与地质模型试验完全等同，即开始进行工程模拟前，需要“配比”出岩体材料。

地质模型试验中往往是用真实的砂和石膏，PFC中则使用了颗粒和粘结，二者完全等价。

上述过程也与配混凝土完全等价，对于某项工程，我们需要混凝土达到某个标号，这个标号对应着某组力学参数如弹模、泊松比、和强度指标等。

这个标号的混凝土只能通过试验配出来，需要配的内容主要是骨料参数、水泥标号、配合比等，这些相当于PFC中的微力学参数。

与FLAC3D和3DEC中直接给介质赋宏观力学参数相比，PFC 中配材料的过程完全是多余的，因此更费时，也往往要求对宏观力学参数能准确把握，否则，利用PFC“调参”则可能非常费时。

当然，PFC的优势也是FLAC3D和3DEC等这些传统数值方法无法比拟的：1）它从介质结构着手模拟介质的力学特性，无需对本构进行简化和理想化；2）可以逼真地模拟介质内部结构变化导致宏观力学特征的概念及其对工程的影响，自然地从机理的角度看问题，特别适合于复杂机理问题的分析研究。

做好数值计算其实不是一件容易的事情，需要一个团队的努力，一个高水平团队需要如下几个方面的能力：良好的理论基础和必要的开发经验，深刻了解程序如何工作，避免数值误差对计算结果的影响；
良好的工程实践经验，计算之前对问题已经有一个基本判断，能知道计算结果的合理程度。

这就所谓对基本结果已经有一个估计，数值计算帮助验证和揭示某些环节的具体问题。

“盲算”只能是让计算机牵着鼻子走，难有作为；
良好的驾驭能力。

一般而言，对一个大型计算机程序，没有5个
以上大型问题的计算经验，难说掌握。

1--2个项目下来，大多也只是能熟练操作，遇到复杂问题把模型建完已经耗掉了一大半的精力。

Itasca举办各种类型的培训，是与用户分享团队的积累，希望从中发现和吸收人才。

赞同，如果DEC和FLAC那样容易学，盗版就多了。

挑DEC毛病的人不少，前些天在武汉的岩石力学大会上，有一位大专家和我谈起，说DEC不成熟。

很无语，不知道这位大专家接触过多少，很可能是学生没搞通，给老师交差时说DEC缺点很多，老师就长了见识。

好在ITASCA的专家们是靠应用软件挣钱糊口，如果是靠卖软件，这下给封杀了。

外面传，估计ITASCA的专家们偷着乐，他们好安心地应用，免得竞争对手太多。

补充：FLAC3D是二维的有限差分程序FLAC2D的拓展，能够进行土质、岩石和其它材料的三维结构受力特性模拟和塑性流动分
析。

通过调整三维网格中的多面体单元来拟合实际的结构。

单元材料可采用线性或非线性本构模型，在外力作用下，当材料发生屈服流动后，网格能够相应发生变形和移动（大变形模式）。

FLAC3D采用了显式拉格朗日算法和混合-离散分区技术，能够非常准确地模拟材料的塑性破坏和流动。