数值模拟简介3D(老孟)

• 网格点（GRINPOINT） 网格点是有限差分单元各角的连接点。 根据单元形状，有５个、６个、７个或８ 个点与每个多面体连接。 每个网格点都有一组x、y、z坐标，这样 就可以确定有限差分单元的确切位置。 网格点的另外术语是节和节点。
• 有限差分网格（FINITE DIFFERENCE GRID） 有限差分网格是由通过欲分析的物体范围 的一个或多个有限差分单元而组成的集合。 “grid”的另一术语是“mesh（网格）”。 有限差分网格和具体位置也是固定的。在 FLAC程序运行中，网格点位置储存着所有 向量（如力、速度、位移）。而标量和张 量（如应力和材料特征）储存在单元中心 位置。
• 范围（range） FLAC模型中的范围是对特定的空间体积 的限制。 范围设定了命令作用的范围，范围或范 围要素由x、y、z坐标值来表示， 即使模 型是运动的，这些坐标点在空间中也是 固定的，它与单元和网格点没有关系。
• 组（group） FLAC模型的组是指被唯一命名的单元 的集合。 组可以用来限制某个FLAC命令的范围， 如“MODEL”命令，指定材料模型为已 命名的组。 任何命令指出了组名，就暗示这个命令 在这个单元组中运行。
• FLAC采用显式算法来获得模型全部 运动方程(包括内变量)的时间步长 解，从而可以追踪材料的渐进破坏 和垮落，这对研究采矿设计是非常 重要的。
FLAC-3D可能应用的范围
（1）机械加载能力和变形 —— 边坡稳定性和地基设计； （2）渐变和坡断的演变 —— 用于硬岩开采和隧道设计； （3）断裂构造影响评估 —— 矿井设计； （4）地质体锚杆支护控制 —— 岩石锚固、回填和土层固定； （5）充分饱和的流体和孔隙压力建立及排水或不排水条件下的孔隙压力扩 散、地下水流、固土结构研究； （6）不同材料随时间的蠕变行为—— 盐矿和钾盐矿开采设计； （7）有滑动倾向的地质构造的动力加载 —— 地震工程和矿井岩石突出研究； （8）爆炸加载和振动的动力作用 —— 隧道开挖或矿井开采设计； （9）构筑物的地震激发 —— 土坝设计； （10）因热力影响产生的荷载引起变形和机械失稳 —— 地下存储高辐射废 料仓库的影响评价； （11）分析强变形材料 —— 仓中和矿石开采中材料膨胀流变研究。
FLAC3D数值模拟技术
内容提要
• FLAC3D简介 • FLAC3D语法 • FLAC3D基本模块 3D • FLAC 应用实例
3D 一、FLAC 简介
1、概述
FLAC3D(Fast Lagrangian Analysis of Continua in 3 Dimentions)是美国明尼苏达大 学和美国Itasca Consulting Group Inc.开发的 三维有限差分计算机程序 。
• 步长（step） 典型问题的解一般2000至4000步内就能 达到要求，复杂的问题需要上万步才能 达到要求。 解决动力学问题时，步长是指实际的时 间步长。步长的其他术语是时间步长和 循环（timestep cycle）。
• 静态解（static solution） 当模型中的变化速度值可以忽略不记 时，就得到静态解。 • 不均衡力（unbalanced force） 当每个网格点的静节点力向量为0时，模 型是实际平衡的。 FLAC3D中控制最大且不均衡力的变化， 当使用STEP和SLOVE命令时，最大不均 衡力会显示在屏幕上。
• 初始条件（INITIAL CONDIONS） 基本（或材料）模型代表FLAC模型中单 元变形和承受力行为的限制。 FLAC中提供了几种基本模型来模拟地质 学材料的不同类型的行为表现。
FLAC-3D程序本构模型
1)空单元模型(null model) (可用来模拟地下硐室的开挖和煤 层开采 2)弹性模型（elastic model） 3)各向同性弹性材料模型(isotropic elastic model)； 4)正交各向异性弹性模型（elastic orthotrpic model） 5)Drucker-prager plasticity model 6)莫尔-库仑弹塑材料模型(mohr-coulomb plasticity model) ； 7)应变软化/硬化塑性材料模型（strain hardening softening plasticity model）； 8)遍布节理材料模型(ubiquitous joint plasticity model)； 9)双线性应变软化/硬化遍布节理塑性材料模型（bilinear strain hardening softening ubiquitous joint plasticity model）； 10)modified cam-clay plasticity model
• 最简单的形式，generate命令可提供网格新的坐标， • 如，假设模型的现实坐标为x方向为-10.0至 10.0．y方向为-10.0至10.0，z方向为-20.0至0.0 如下命令： p7 p5 gen zone brick size 6 , 8, 8 & p6 p3 p0 -10 , -10 , -20 & p1 10 , -10 , -20 & p2 -10 , 10 , -20 & p2 p4 2 p3 -10 , -10 , 0 回车 ,r n2
• 空元（NULL ZONE） 空元代表有限差分网格是空的（如没有 材料存在）。 • 亚网格（SUB-GRID） 有限差分网格可以由一些亚网格组成。亚 网格可以用来创建模型中不同形状的区 域。
• 接触面（attracted faces） 接触面是分离的亚网格的网格面，这些 亚网格面可以接触或连接在一起。 接触面必须是共同的接触面。但是，在 每个面上的网格点不一定必须对称。不 同密度的亚网格单元可以接触。 • 不连续面（INTERFACE） 不连续面是计算过程中可以分离的亚网 格之间的连接。 不连续面代表物体不连续，如断层、接 触面，或两种不同材料之间的界面。
command keyword value … <keyword value…> …
• < >表示可选的参数，输入时括号不用输入 • …表示可以有任意个参数
• 由( ;)号开始到行末为注释行，FLAC在执行时 不于理会。
• 一个输入行,包括注释在内,允许80个字符. 如果一行超过80个字符,就必须在行尾加 "&"( ampersand )符号.每个命令后最多允 许有1024个字符。
n3,r3
p0 n1,r1 brick mesh p1
二、FLAC3D语法规则
• FLAC的输入和一般的数值模拟程序不一样，它可 以用交互的方式从键盘输入各个命令，也可以写 成命令文件，类似于批处理，由文件来驱动。 • FLAC命令大小写一样，所有的命令可以附带若干 个关键词和有关的数值。数值间可以用空格隔开， 空格的数目不限，也可以用下面的分隔符隔开： （），/ =
elastic, elastic orthotrpic ,ubiquitous-joint, strain hardening softening plasticity
FLAC3D程序本构模型
1)空单元模型(null model) (可用来模拟地下硐室的开挖和煤层开采 2)弹性模型（elastic model） 3)各向同性弹性材料模型(isotropic elastic model)； 4)正交各向异性弹性模型（elastic orthotrpic model） 5)Drucker-pragor plasticity model 6)莫尔-库仑弹塑材料模型(mohr-coulomb plasticity model) ； 7)应变软化/硬化塑性材料模型（strain hardening softening plasticity model）； 8)遍布节理材料模型(ubiquitous joint plasticity model)； 9)双线性应变软化/硬化遍布节理塑性材料模型（bilinear strain hardening softening ubiquitous joint plasticity model）； 10)modified cam-clay plasticity model
FLAC模型（FLAC MODEL ）
• FLAC模型是用户为了模拟实际问题而创 建的。 • 用户可使用FLAC的一系列命令，用数据 方法定义问题的条件。

• 单元（ZONE） 有些差分单元是最小的几何空间，评估这个 小区域的现象的变化（如压力与张力）， 不同形状的多面体区域（如块状、楔状、尖 塔形（角锥）和四面体形状）用来创建模型， 并且可用绘图工具显出来。 每个多面体区域包含一组或两组重叠的5个四 面体区域。 默认情况下，两组重叠的5个四面体对解决问 题精度更高。 区域的另一个术语是单元（element）
• 该程序主要适用模拟计算地质材料和岩 土工程的力学行为 • 特别是材料达到屈服极限后产生的塑性 流动 • 可计算地质类材料的高度非线性(包括应 变硬化/软化)、不可逆剪切破坏和压密、 粘弹(蠕变)、孔隙介质的固—流藕合、 热—力藕合以及动力学行为等。
FLAC3D是在二维FLAC程序基础上建立起 来的。 • 可以模拟土层，岩石或其它材料承受塑 性流变的三维结构行为。 • 用户可以根据目标物的形状来划分三维 网格，这些网格单元就构成FLAC3D计算 的依据。
• 识别号（IDNUMBER） FLAC模型中每个独立单元都有一个明确 的识别号。 模型要素有识别号：不连续面、网格点、 单元、体积、参照点、历史、表、图形细 节和结构单元实体（即梁（beam）、锚 （cable）、桩（pile）、骨架（shell））。
• 结构单元（structure element） FLAC中有两种结构单元。两个节的线性 单元代表梁、锚 和桩。三个节的平坦三 角形单元代表骨架。 结构单元用来模拟土层或岩体的结构力 的相互作用。 非线形材料的性质可以在单元内模拟。
FLAC3D语言及主要命令
• 程序控制 NEW CALL filename QUIT SAVE filename RESTORE filename RETURN STOP
• 计算模式说明 CONFIG AXisymmetric, p-stress Creep,dynamic ,extra, gwflow,, thermal • 几何模型的建立 GENERATE ZONE meshname coordinate ratio ATTACH face • 本构模型参数输入 MODEL null,mohr-coulomb,elastic,isotropic
• 模型边界（MODE BOUNDARY） 模型边界是有限差分单元的周边界，内部边界（如 网格中的洞）也是模型边界。 • 边界条件（BOUNDARY CONDITION） 边界条件是沿模型边界的一个约束或控制条件的 规定（如力学问题中的固定位移或压力，地下水 流问题中的不能渗透边界，热传导问题中的热绝 缘边界）。
save restor
简单网格生成
•generate命令和其他一些关键字形成网格。关键词定 义模型单元数和适合某些问题的网格形状确定。 •网格生成器中提供了几种适合简单形状问题的网格， 包括块状(brick)，楔状(wedge)，尖锥状(pyramid)和圆 柱体(cylinder)，命令 •gen zone brick size 6, 8, 8 回车 表示创建一个块状网格，这个网格包括x方向６个单 元，y,z方向８个单元． •单元数目由关键词size确定，选择模型的单元数目 时一定要小心，因为单元数目影响到计算精度和解算 速度．
基本命令表
功 能 命 令
网格生成 gen 材料模型和特征 model properly
边界/初始条件
<有应力时>
apply fix initial set grravity
初始平衡
step solve
执行修改
<有支护时>
model property apply fix ree set cable
保存/重建状态
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• 另外， FLAC3D程序设有界面单元，可以 模拟断层、节理和摩擦边界的滑动、张开 和闭合行为。 • FLAC还可以模拟支护结构，如砌衬、锚 杆、可缩性支架或板壳等与围岩的相互作 用。 • 同时，用户可根据需要在FLAC中创建自 己的本构模型，进行各种特殊修正和补充。
• FLAC3D程序是建立在拉格朗日算法基础 上，特别适合模拟大变形和扭曲。 • 显现的Lagrangian计算系统和混合离 散化数据区域技术被引用到FLAC3D中， 这使得可精细地模拟塑性变形和流变