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内 容,FLAC/FLAC3D软件简介 FLAC/FLAC3D基本原理 FLAC/FLAC3D前后处理 FLAC/FLAC3D网格生成 FLAC/FLAC3D本构模型 结构单元及应用,FLAC/FLAC3D简介,概况 FLAC3D是通用程序，可以模拟包含流体耦合，热流动及(土/石与)结构相互作用的完全非线性静力学和动力学问题，问题几何形状和边界条件不受任何限制。 FLAC3D使用广义有限差分法(任意形状单元，又称为有限体积法)模拟非线性连续介质的力学行为。 FLAC3D对完整的动力学方程求解，即使对于准静态问题也是如此，这种方法对于涉及物理不稳定问题(如坍塌)很有优势。在模拟系统的静态响应时，使用阻尼吸收动能。,基本特征,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： 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),用户使用FISH定义自己的模型 可以指定任何材料性质参数按照连续梯度或统计规律分布 使用内置编程语言 (FISH)添加用户自定义特征 FLAC3D 可以通过TCP/IP链接与其他程序进行耦合计算 边界/初始条件设置方便根据地下水位进行有效应力计算进行流固完全耦合计算 (包括负孔隙水压，非饱和流动和浸润面条件) 模拟结构单元，如隧道衬砌，桩，锚索，岩石锚杆或地质格珊与周围岩土介质的相互作用,自动三维网格生成器(FLAC3D)使用预定义形状 可以创建交叉内部区域（如交叉隧道） FLAC3D 拥有部分图形用户界面(用来进行绘图和文件操作) 强大绘图功能等值线,矢量 ,张量等 工业标准格式图形输出(包括PostScript, BMP, JPG, PCX, DXF (AutoCAD), EMF等),并可以用剪贴板进行图形剪切和粘贴,浅隧道的顺序开挖和支护,喷射混凝土，锚索及土钉支护开挖,可选特征,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由域 使用C+定义自己的模型,核废料储存中的热力学研究问题,坝体地震动力响应,应用： 岩土力学分析，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,结构-土相互作用,坝基饱和 稳定流,隧道围岩中的 非饱和稳定流,FLAC系统要求,处理器 1 GHz 硬盘 至少要有100M的空间 随机存取存储器 启动FLAC并使用GIIC至少需要60M 的内存用户可根据需要增加内存 显示器 屏幕分辨率 1024 x 768 像素,16-字节调色版 操作系统 任何安装Windows 98及以上版本的因特尔计算机 单机网络 FLAC 5.0 有网络版,FLAC3D系统要求,处理器 1 GHz； 硬盘 至少要有100M的空间； 内存 载入 FLAC3D需要 3 MB内存; 当模型创建后内存可以自动增添和释放； 显示器 屏幕分辨率 1024 x 768 像素,16-字节调色版 操作系统 任何安装Windows 98及以上版本的因特尔计算机 单机网络 FLAC3D 3.0 有网络版,FLAC 5.0 版 新特征,滞后阻尼比瑞雷阻尼更真实有效地进行动力学分析 内置霍克-布朗本构模型 热对流模型可进行热/流体流动耦合计算 网络版 更有效地进行流-固耦合分析 新结构单元类型:衬砌,岩石锚杆, 条形锚单元(FLAC) 由于计算循环的优化和编译器的更换,计算速度加快了10-20%,多处理器计算机上并行计算 新结构单元 “嵌入式衬砌”在两面的剪切和法向方向与网格相互作用(例如,模拟被埋排桩墙) 节点混合离散方法可以为四面体网格时朔性问题提供更为精确的解. 64 bit FLAC3D版本* 包含命令手册,FISH手册和应用实例的在线帮助文件.* 隧道网格生成工具.* *not yet available 新添加了AVI或DCX格式的动画放映功能 可选网格前处理器3DSHOP可以方便地生成复杂的网格,2006年08月发行预售版 2006年11月发行正式版,FLAC3D 3.1版新特征,FLAC/FLAC3D基本原理,FLAC/FLAC3D利用有限差分，显示方案，动态松弛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。,混和离散技术,FLAC混和离散,+,/2,=,每个,为常应力/应变:,体积应变由整个四边形算出,. 应变偏量则有两个三角形,和,分别算出,(混合离散 过程),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),FLAC3D混和离散,+,/2,=,单元计算基础,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); 体应变的计算： ; 偏应变的计算： .,Lagrangian格式动量平衡方程,F(t),m,牛顿运动定律,对于连续体,在静力平衡条件下，加速度项为0，方程变为平衡方程,三维快速Lagrangian原理,在四面体内运用高斯定律，速度场空间导数：,对于等效体系，运用虚功原理，以及单元为常应力和常应变这两个最重要的基本假定，得出节点平衡方程的牛顿表达形式：,不平衡力：,空间导数,节点运动方程,将本构方程 ,以及上式代入节点运动方程，得,时间导数,由空间导数可以得到应变率张量：,中心差分，速度变量有限差分估算：,注：节点位移及节点位置可由速度场更新，默认nstep=10,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,时步 为满足数值稳定性，时步必须满足如下条件: 这里 Cp 与 1 /mgp成比例。对于静态分析，网格点质量按比例调节使得局部临界时步等于( ) ，这样收敛速度最优. 然后调节节点惯性质量以满足稳定条件: 注意介质实际重量不受影响.,阻尼 与速度成比例的阻尼会引入体力而影响求解. 局部阻尼- 网格点的阻尼力的大小与该点的不平衡力成比例，其方向上则确保震动模式被阻尼: 阻尼力引入运动方程： 阻尼力为：,在程序中检测不平衡力比率 (不平衡力, Fi , 施加力的幅度, Fm的比率) 来决定静态条件； 当 Fi / Fm 0.001(默认值) , 模型被认为处于平衡状态。,显式解与隐式解的比较,显式,逐时推进,隐式, 静态,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 .,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 .,FLAC手册,FLAC安装 目录介绍,用户指南 第一节 简介 本节介绍FLAC的功能和特点。同时也提供对FLAC最新版本新特点的总览。 第二节 开始 如果你初次使用FLAC，或者仅仅是偶尔使用FLAC，建议你阅读第二节。这一节教你如何安装和执行程序，以及简单的菜单驱动操作和命令驱动操作，指导用户进行FLAC数值分析。 第三节 解决问题 第三节指导用户解决实际问题。一旦你熟悉了程序操作，FLAC分析的每一步在这一节中都会有详细的讨论，并且在建模、解决问题以及解释FLAC模拟时，会给用户最有效程序的建议。 第四节 FISH初学者指南 第四节向初学者介绍了FLAC中的FISH程序设计语言，其中包括了如何使用FISH语言，详细的介绍在本书第五章FISH语言章节中。 第五节 其它 本节包含了各种信息，包括FLAC的运行时间基准和错误报告以及帮助支持等。同时也对支持FLAC运行的应用文件进行了描述。 第六节 参考书目 本节包含了有关FLAC参考的论文集等出版物。,命令参考 第一节 参考指令 在指令参考的第一节描述了所有的指令都可以通过FLAC中的命令驱动模式而完成。 FLAC中的FISH语言 第一节 FISH初学指南 FISH这一章的第一节向初学者介绍了FLAC中的FISH程序设计语言。包括如何使用FISH语言。 第二节 FISH参考 FISH一章中的第二节包含了FISH语言的详细参考资料。所有的FISH指令、变量和函数都得到解释，并且给出了示例。 第三节 FISH函数库 在FISH一章中的第三节给出了许多常用和综合的FISH目的函数。这种模型有助于FLAC模型的生成和解决的各个方面。 第四节 程序指南 FISH卷中的包括对FLAC链接数据结构的程序指南。这是为了使高级用户更直接地访问FLAC的变量。,可选模块的特征 第一节 热力学选项 可选模块的第一节描述了热力学选项，并且提出了几个关于反应存在和不存在热力学与应力和孔隙压力相互作用的问题论证。 第二节 蠕变材料模型 在可选模块的特征中第二节描述了不同的蠕变材料模型。这些模型也是作为FLAC中的可选模块，并进行了一些实例验证。 第三节 动态分析 在可选模块特征的第三节描述了动态分析可选模块，并且对运行动力学模型进行了描述，本节也包括了几种验证实例。 验证问题 本章包含了一系列FLAC验证问题。这些问题测试FLAC解与理论解的比较结果。 实例应用 本章包括需要用FLAC进行解决的各种应用实例。 命令和FISH指令概述 本章包括了所有的FLAC指令和FISH指令。 FLAC-GIIC指令 本章描述了所有的GIIC的组成部分（FLAC的用户图形界面）。 FLAC/Slope 用户指南 本卷指导用户如何使用FLAC/Slope，它是小型FLAC版本，专门用来完成边坡稳定性分析的安全系数计算。,流体-力学相互作用 第一节 流体-力学相互作用 在流体-力学相互作用的第一节中对地下水流模型的公式做了描述，并且描述了存在和不存在固体相互作用的地下水流动模拟的各种方法。 第二节 两相流 流体-力学相互作用的第二节主要包括对可选的二相流模型的公式描述和一些应用实例。 结构单元 第一节 结构单元 结构单元的第一节描述了FLAC中的各种结构单元模型和应用。,FLAC3D手册,FLAC/FLAC3D的前后处理,分析过程(推荐) 程序控制 图形界面接口 计算模型输入 指定本构模型及参数 指定初始条件及边界条件，指定结构单元 指定接触面 指定自定义变量及函数(FISH) 求解过程的变量跟踪 进行求解 模型输出,图形界面主窗口,资源面板,状态框,模型选项框,模型视图板,建模阶段标签,标题框,主菜单,FLAC,菜单驱动(计算模式),命令栏,FLAC3D,FLAC3D,项目文件 (*.prj) 这种文件是一个ASC文件，包含用来描述保存项目时GIIC所处的状态，还包括一个到和项目相关的FLAC保存文件“.SAV”的链接。 保存文件 (*.sav) 含有所有状态变量和用户定义条件的二进制文件 数据文件 (*.dat) 数据文件由用户创建的一种ASC格式的文件，它包括一系列的用于描述所分析问题的FLAC命令 历史记录文件 (*.his) 记载输入输出历史值记录的文件 材料文件 (*.gmt) 含有用户希望为不同的项目应用保存的材料性质的值，可以用材料清单对话框对这种文件进行更新和修改 图形文件 图形绘制文件(各种标准格式) 电影文件 (*.dcx) 抓取图像，稍后将这些图像在显示器上像电影一样重放,FLAC的文件格式,FLAC3D的文件格式,保存文件 (*.sav) 含有所有状态变量和用户定义条件的二进制文件 数据文件 (*.dat) 数据文件由用户创建的一种ASC格式的文件，它包括一系列的用于描述所分析问题的FLAC3D命令 历史记录文件 (*.his) 记录输入输出历史值的文件 图形文件 图形文件(各种标准格式) 电影文件 (*.dcx) AVI或PCX图像文件，这些图像文件可以当作电影放映,FLAC中模型术语,网格域号,网格点号,FLAC3D中模型术语,前后处理功能的优点,多种单元类型 后处理快捷、方便、丰富 计算过程中的hist变量动态显示 FISH可进行参数化模型设计 单元状态的可编程 计算暂停时的后处理与可保存,FLAC/FLAC3D网格生成,FLAC/FLAC3D网格设置要点 从粗糙的网格开始调试. 避免畸形网格域和域宽的突然跳跃. 避免高应力区的网格域长宽比太大. 确保边界足够远以避免影响结果. 避免自由面上三角形网格域. *对于动力学分析,网格域尺寸应该足够小以模拟波的精确传播.,FLAC：,Build (建造)工具,Alter (改变)工具,FLAC网格生成的关键特征： FLAC 是命令驱动. 使用GIIC 工具可以通过鼠标驱动生成网格. FISH 库函数可以用来创建复杂的网格.,FLAC基元网格,FISH库函数网格,FLAC3D：,FLAC网格生成的关键特征： FLAC3D 是命令驱动. 使用FLAC3D内置基元进行形状组合可形成复杂网格. 用户自定义FISH 函数可以用来修改基元网格以创建更为复杂的网格. 第三方软件导入.,FLAC3D网格基元,块体,径向柱体,柱状交叉,FLAC/FLAC3D本构模型,弹性本构模型,零模型 所有的应力均为零: 模拟挖空区 弹性模型 各向同性，线性 各项异性 弹性，假定单元为横观各项异性,a-b 面为对称面. a, b 轴与 x, y轴呈任意角度:,德鲁克-布拉格; 摩尔-库伦; 单一节理; 应变硬化-软化; 双屈服; 修正剑桥粘土; 霍克-布朗,所有模型都由屈服函数，硬化/软化函数，和流动准则描述; 塑性流动基于塑性理论，即总应变可以分解为弹性分量和塑性分量，只有弹性应变分量根据弹性定律引起应力增加。而且，弹性和塑性分量与主应力同轴; 德鲁克-布拉格，摩尔-库伦，单一节理, 应变硬化-软化模型使用剪切屈服函数和非相关联流动法则; 德鲁克-布拉格，摩尔-库伦，单一节理, 应变硬化-软化模型另外还定义了拉伸强度准则及其相关流动法则; 所有模型都使用有效应力描述; 双屈服和修正剑桥粘土考虑了体积改变对材料可变形性和体积变形的影响; 霍克-布朗包含非线性破坏面，随围压改变的塑性流动法则.,塑性本构模型,德鲁克-布拉格 带有非相关流动法则的弹性/塑性模型:剪切屈服应力是平均应力的函数,德鲁克-布拉格 破坏准则,摩尔-库仑 带有非相关流动法则的弹性/塑性模型: 根据最