FLAC,FLAC3D基础与应用-陈育民

● 美国Itasca咨询公司开发2D程序(1986)
● 1990年代初引入中国 ● 有限差分法(FDM) ● 3D版本：DOS版→2.0 →2.1 →3.0 →3.14.05.0 ● 2D版本：DOS版4.05.06.07.0
25
FLAC
● 大应变、小应变计算模式. ● 接触面可以模拟不同材料的接触 ● 流固耦合实现土体的固结与渗流
河海大学研究生课程《岩土数值分析》
FLAC/FLAC3D基础与应用
陈育民
河海大学土木与交通学院
2015年6月2日
1
关于教师
● 2002年本科毕业于中国矿业大学 ● 2007年博士毕业于河海大学 ● 2013.7-2014.7美国普渡大学访问学者 ● 2015.2~2015.5日本东京大学访问学者
● 研究方向：
G = mg S = 1/2gt2 = 20m
41
自由落体的模拟(movie)
42
FLAC3D中模型术语
gridpoint：节点 zone：单元 boundary：边界 节点
43
FLAC3D的求解过程
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)
效率和结果两方面保证数模分析的成果
● 结果的判断，需要深入扎实的理论功底及“丰富”的 工程经验 ● 数值分析的作用从“锦上添花”到“雪中送炭”，在 于各位的努力，指日可待
第一讲
FLAC3D 基本介绍、静力分析、前后 处理
24
软件介绍
● Fast Lagrangian Analysis of Continua
○
28
可选模块
● 可选模块包括:
○
热力学,热-力学耦合,热-流体-力学
耦合包括热传导和对流;
○ ○
粘弹,粘朔性(蠕变)材料模型;
动力学分析,并可以模拟静边界和自
来自百度文库由域
核废料储存中的热力学研究问题
○
使用C++定义自己的模型
29
FLAC/FLAC3D基本原理
● FLAC/FLAC3D利用有限差分，显示方案，动态松弛
1. 多处理器的并行计算功能
2. 新结构单元类型 “Embedded Liner” 提供两个方向的
接触作用，可以很好地模拟挡土墙 3. 对四面体单元采用新的混合离散方法 “Nodal Mixed Discretization” 提供塑性问题更精确的解答 4. 64位程序
5. 包含命令手册、FISH手册和应用实例的帮助
38
New Features in FLAC3D Version 4.0
● 模拟颗粒状材料的硬化模型
● 自动网格重画功能，解决 bad-geometry 问题.
● 改进的interface ● 更快的渗流计算 ● 更新的动力计算功能
39
Lagrangian格式动量平衡方程
du 牛顿运动定律 F m a m dt
206
278
FLAC
ABAQUS
ANSYS
PLAXIS
ADINA
PFC
UDEC
Updated on June 2, 2015
9
为什么要用FLAC？
检索期刊： • • • • Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering Geotechnique Canadian geotechnical Journal0 Soils and foundations
upstream downstream
27
基本特点
● 内置材料模型 ● 连续介质非线性，大应变模拟
● 显式解题方案，为不稳定物理过程提供稳定解
● 界面或滑动面用来模拟可产生滑动或分离的离散 面，从而模拟断层，节理或摩擦边界 ● 内置材料模型丰富：
○ ○
隧道工程
零模型, 三个弹性模型 (各向同性，横观各向同性和正交各向异 性), 八个朔性模型 (德鲁克-布拉格, 摩尔-库伦, 应变硬化/软 化，单一节理，双线性应变硬化/软化单一节理, 双屈 服，修正剑桥粘土，霍克-布朗)
11
FLAC能做什么？
● 岩土工程中的绝大多数问题
○
土力学、岩石力学、防灾减灾、隧道、地下空间等
● 采矿工程中的大部分问题 ● 水工结构中的部分问题
● 结构工程
国际通用的岩土工程 专业分析程序
12
FLAC为何这么流行？
● Charles Fairhurst
美国工程院、瑞典皇家工程院院士，国际岩石力学

体应变的计算：
;

偏应变的计算：
.
34
动态松弛
●
○
动态松弛法
在动态松弛法中，网格点根据牛顿运动定律运动. 网格点的
速度与该点的不平衡力呈正比. 这种求解方法所决定的一 系列位移将把系统带入平衡状态，或表明破坏模式.
●
○ ○
在动态松弛法中有两个因素很重要:
时步的选择 阻尼效应
35
显式算法
显式解与隐式解的比较 显式,逐时推进
检索期刊： • • GEO* SOILS*
3
论文数量
16
关键词：×××
12
软件
88
论文数量 88 50 27
FLAC ABAQUS ANSYS
74
PLAXIS ADINA
PFC
27
74 3
12 16
50
UDEC
FLAC
ABAQUS
ANSYS
PLAXIS
ADINA
PFC
UDEC
Updated on June 2, 2015
Shear strainrate contours
● 丰富的本构模型、提供自定义的本构模型功能
● 拥有各种功能的结构单元类型，模拟土与结构的相互作用
● 强大的动力分析功能. ● 流变分析，拥有粘弹性模型和粘塑性模型 ● 热力学分析.
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FLAC3D
- 与FLAC类似，是FLAC的三维版本
- 与 FLAC拥有相同的优点
是否一定要“像”
我们也做过很像的东西
认清土体数值分析的影响因素
参数
本构
网格
软件
复杂的网格往往会把核心问题覆盖掉，经 常会造成计算结果无法解释。
虚拟是简单的世界
现实中的桩
虚拟的桩
虚拟是简单的世界
台阶坡面上的砾石产出状态
冰碛土体结构模拟结果
小结
● 数值分析要对实际工程进行大量的、细心的简化，从
1.无需进行反复迭代来实现非线 性本构关系 . 2. 类似问题求解时间呈 N3/2 规 律增长 3. 物理非稳定性不会引起数值 不稳定性. 4. 因为无需储存矩阵，用较小 内存即可模拟大尺度问题. 5.对大位移、大应变问题同样适 合，无需额外的计算 . 隐式, 静态 1.需进行反复迭代来实现非线性 本构关系 2.类似问题求解时间呈 N2 甚至 N3规律增长. 3.难以模拟物理非稳定性问题. 4.需存储刚度矩阵，需克服相关 的带宽问题，需要的内存较大 . 5.对大位移、大应变问题需进行 大量的计算 .
拉格朗日算法 有限差分法 快速
8
为什么要用FLAC？
检索期刊： • • • • 岩土工程学报 岩土力学 岩石力学与工程学报 关键词：×××
41 61 650 171 73
论文数量
软件 FLAC ABAQUS 论文数量 650 278
ANSYS
PLAXIS ADINA PFC UDEC
206
61 41 171 73
对于连续体
i ij du gi dt x j
m
在静力平衡条件下，加速度 项为0，方程变为平衡方程
, u u, u
F(t)
40
自由落体的模拟
命令流： config dyn gen zon bri size 1 1 1 ini x mul 0.1 y m 0.1 z m 0.1 model elas prop bulk 3e8 shear 1e8 ini dens 1000 set grav 0 0 -10 solve age 2
●
● ● ● ● ● ● ●
2008-11-15 河海大学河海金水节培训
2010-11-10 河海大学校庆报告 2011-06-18 河海大学举办ITASCA技术与应用专题（南京）研讨会 2011-10-16 河南理工大学 2011-11-03 南京工业大学交通学院 2011-11-24 河海大学土木与交通学院研究生会 2011-06-18_ITASCA技术与应用专题（南京）研讨会 2012-08-31_解放军理工大学FLAC讲座
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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
36
New Features in FLAC Version 6.0
● 使用Intel Fortran compiler拥有更快的计算速度
● 自动网格重画功能，解决 bad-geometry 问题.
● 新的模拟颗粒土材料的硬化模型 ● 更新的通用网格生成工具
37
New Features in FLAC3D Version 3.1
14 9 2 31
论文数量
软件 FLAC ABAQUS ANSYS
论文数量 31 23 5
关键词：×××
PLAXIS ADINA
5
14 0
2 9
PFC UDEC
23
FLAC
ABAQUS
ANSYS
PLAXIS
ADINA
PFC
UDEC
Updated on June 2, 2015
10
为什么要用FLAC？
学科和岩石力学学会创始人之一，历任国际岩石力 学学会主席和副主席，国际岩石力学学会MULLER
奖、美国岩石力学学会终生成就奖获得者。
● Peter Cundall
美国工程院、英国皇家工程院院士，国际资深计算
岩石力学学家。
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课程安排
● 第一讲：基本介绍、静力分析、前后处理
● 第二讲：接触面、FISH语言、流固耦合分析
● 第三讲：动力分析、自定义本构、结构单元 ● 第四讲：FLAC（2D）基本介绍与应用实例 ● 讨论
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课程要求
● 了解FLAC的基本概念
● 了解FLA的适用范围和缺陷
● 了解深入学习FLAC的方法 ● 会用FLAC分析简单的路堤填筑问题（考题）
题外话—— “虚拟”与“现实”
现实的复杂与虚拟的简化
● 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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混合离散技术
=
每个 为常应力/应变: 体积应变由整个四边形算出 和 分别算出
○ ○
土动力学与岩土地震工程 土木工程防灾减灾
○
岩土工程数值分析
● 联系方式：ymchenhhu@163.com
关于教材
3
关于课程
● ● 2005-11-29 河海土木院研究生会组织 2006-10-13 同济大学土木工程学院
●
● ● ● ●
2006-10-26 河海大学金水节
2007-04-15 东南大学交通学院 2007-07-18 同济大学土木工程学院 2007-11-03 河海大学岩土所组织FLAC学术沙龙 2007-11-29 河南工业大学
(混合离散 过程)
+
. 应变偏量则有两个三角形
/2
解题过程中网格坐标按照“拉格朗日方式更新” (网格随材料移动), 且为显式 (一个时步内局部变化不会影响邻域)
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混合离散技术
FLAC3D混和离散
=
+
/2
33
FLAC3D混和离散

结构域离散为可由四面体单元组合形成的五面体或六面体等
单元;

以
为基本单元(常应力、常应变);
4
课程目的
● 什么是FLAC？
● 为什么要用FLAC？
● FLAC能做什么？ ● FLAC为何这么流行？ ● 怎么学FLAC？
课堂“作业”
● 研究生课程《岩土数值分析》上课学生调查
6
课堂“作业”
7
什么是FLAC？
● Fast Lagrangian Analysis of Continua
连续介质
方法模拟连续体的非线性力学行为：
○
即使对准静态问题，程序仍然求解完整的动力学方程。这种 方法的好处在于可以为物理非稳定过程例如塌方提供稳定
解；
○
在 “松弛”方法中，使用阻尼来吸收动能以模拟系统的“静 态”反应。 这种方法可以用比其它方案如解矩阵法更为真实
有效地模拟塌方问题。
30
Lagrangian法
应变率
新的应力
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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个弹塑性模型
○
Drucker-Prager模型、Morh-Coulomb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