岩土工程计算软件FLAC3D基本原理与在工程上的应用[权威资料]

岩土工程计算软件 FLAC3D 基本原理与在工程上的应用 本文档格式为 WORD,感谢你的阅读。 摘要：本文介绍了岩土工程计算软件 FLAC3D 背景、理论依据和软件优缺点，详细讲解 FLAC3D 软件的理论模型计算分析的一般步骤以及方法技巧，说明了 FLAC3D 计算软件可广泛用于广泛岩土工程领域。 关键词：岩土工程，计算软件，基本原理，应用 G623.58 A 一、 FLAC 软件背景介绍 FLAC（ Fast Lagrangian Analysis of Continua）由Itasca 公司开发的。目前，有二、三维两个版本，二维 V3.0以前的为 DOS 版本， V2.5 版本仅能够使用计算机的基本内存64K），所以，程序求解的最大结点数仅限于 2000 个以内。1995 年， FLAC2D 升为 V3.3 版本，程序能够使用护展内存。 FLAC-3D(Three Dimensional Fast Lagrangian Analysis of Continua)也 Itasca Consulting Goup lnc 开发的三维快速拉格朗日分析 程序，该程序能较好地模拟地质材料在达到强度极限或屈服极限时发生的破坏或塑性流动的力学行为，特别适用于分析渐进破坏和失稳以及模拟大变形。它包含 10 种弹塑性材料本构模型，有静力、动力、蠕变、渗流、温度五种计算模式，各种模式间可以互相藕合，可以模拟多种结构形式，如岩体、土体或其他材料实体，梁、锚元、桩、壳以及人工结构如支护、衬砌、锚索、岩栓、土工织物、摩擦桩、板桩、界面单元等，可以模拟复杂的岩土工程或力学问题。 FLAC3D 的输入和一般的数值分析程序不同，它可以用交互的方式，从键盘输入各种命令，也可以写成命令（集） 文件，类似于批处理，由文件来驱动。 二、 FLAC3D 计算软件的理论依据 FLAC3D 是 FLAC2D 的扩展，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。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）。三维是基于三维显式有限差分法的数值分析方法，可以模拟岩土或其他材料的三维力学行为。三维快速拉格朗日分析将计算区域划分为若干四面体单元，每个单元在给定的边界条件下遵循指定的线性或非线性本构关系，如果单元应力使 得材料屈服或产生塑性流动，则单元网格可以随着材料的变形而变形，这就是所谓的拉格朗日算法，这种算法非常适合于模拟大变形问题。可以准确地模拟材料的屈服、塑性流动、软化直至大变形，尤其在材料的弹塑性分析、大变形分析以及模拟施工过程等领域有独到的优点。 1、 FLAC3D 计算软件的优点与缺点 优点：（ 1）对模拟塑性破坏和塑性流动采用的是 “ 混合离散法 ” 。 （ 2）即使模拟的系统是静态的，仍采用了动态运动方程，这使得 FLAC3D 在模拟物理上的不稳定过程不存在数值上的障碍。 （ 3） 采用了一个 “ 显式解 “ 方案。因此，显式解方案对非线性的应力 -应变关系的求解所花费的时间，几互与线性本构关系相同，模拟大变形问题几互并不比小变形问题多消耗更多的计算时间。 缺点：（ 1）对于线性问题的求解， FLAC3D 比其他有限元程序运行得要慢； （ 2）用 FLAC3D 求解时间取决于最长的自然周期和最短的自然周期之比。 2、 Flac3D 应用范围 Flac3D 中为岩土工程问题的求解开发了特有的本构模型，总共包含了 10 种材料模型： （ 1）开挖模型 null （ 2） 3 个弹性模型（各向同性，横观各向同性和正交各向同性弹性模型） （ 3） 6 个塑性模型（ 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 /软化遍布节理模型和修正的 cam 粘土模型）。 Flac3D 网格中的每个区域可以给以不同的材料模型，并且还允许指定材料参数的统计分布和变化梯度。 还包含了节理单元，也称为界面单元，能够模拟两种或多种材料界面不同材料性质的间断特性。节理允许发生滑动或分离，因此可以用来模拟岩体中的断层、节理或 摩擦边界。 Flac3D 中一共有五种计算模式： (l)静力模式； (2)动力模式； (3)蠕变模式； (4)渗流模式 ； (5)温度模式 Flac3D 可以模拟多种结构形式： (l)对于通常的岩体、土体或其他材料实体，用八节点六面体单元模拟。 (2)FIAC3D 包含有四种结构单元 :梁单元、锚单元、桩单元、壳单元。可用来模拟岩土工程中的人工结构如支护、衬砌、锚索、岩栓、土工织物、摩擦桩、板桩等。 (3)FLAC3D 的网格中可以有界面，这种界面将计算网格分割为 若干部分，界面两边的网格可以分离，也可以发生滑动，因此，界面可以模拟节理、断层或虚拟的物理边界。 Flac3D 有多种边界条件，边界方位可以任意变化，边界条件可以是速度边界、应力边界，单元内部可以给定初始应力，节点可以给定初始位移、速度等，还可以给定地下水位以计算有效应力、所有给定量都可以具有空间梯度分布。 FLAC-3D 内嵌语言 FISH： FLAC-3D 具有强大内嵌语言 FISH，使得用户可以定义新的变量或函数，以适应用户的特殊需要，例如，利用 HSH做以下事情 : (l)用户可以自定义材料的空间分布规律，如非线性分布等。 (2)用户可以定义变量，追踪其变化规律并绘图表示或打印输出。 (3)用户可以自己设计 FLAC-3D 内部没有的单元形态。 (4)在数值试验中可以进行伺服控制。 (5)用户可以指定特殊的边界条件。 (6)自动进行参数分析。 (7)利用 FLAC-3D 内部定义的 Fish 变量或函数，用户可以获得计算过程中节点、单元参数，如坐标、位移、速度、材料参数、应力、应变、不平衡力等。 三、 FLAC3D 的理论 模型计算分析的一般步骤以及方法技巧 与大多数程序采用数据输入方式不同， FLAC 采用的是命令驱动方式。建立 FLAC 计算模型须进行以下工作： （ 1）有限差分网格 ；（ 2）本构特性与材料性质 ；（ 3）边界条件与初始条件 方法技巧： 用 FLAC3D 解决问题时，为了得到最有效的分析使模型最优化是很重要的。这个章节对改进模型的运行提供了一些方法建议。同时，准备计算时需要避免的一些通常出现的缺陷也列了出来。 1.检查模型运行时间 ； 2.影响运行时间的因素 FLAC3D 有时需较长时间才可以收敛主要发生在下列情况下： (a)材料本身刚度变异或材料与结构及接触面之间的刚度差异很大。 (b)划分的区域尺寸相差很大。 3.考虑网格划分的密度 FLAC3D 使用常应变单元。如果应力 /应变曲线倾斜度比较高，那么你将需要许多区域来代表多变的分区。通过运行划分密度不同的同一个问题来检查影响。 4.自动发现平衡状态 默认情况下，当执行 SOLVE 命令时，系统将自动发现力的平衡。当模型中所有网格顶点中所有力的平均量级与其中最大不平衡力的量 级的比率小于1*10 时，认为达到平衡状态。注意一个网格顶点的力由内力（例如重力）和外力共同引起。 5.考虑选择阻尼对于静力分析，默认的阻尼是局部阻尼，对于消除大多数网格顶点的速度分量周期性为零时的动能很有效。这是因为质量的调节过程依赖于速度的改变。局部阻尼对于求解静力平衡是一个非常有效的计算法则且不会引入错误的阻尼力。 6.检查模型反应 FLAC3D 显示了一个相试的物理系统是怎样变化的。做一个简单的试验证明你在做你认为你在做的事情。 7.初始化变量在模拟基坑开挖过程时，在达 到目的前通常要初始化网格顶点位移。因为计算次序法则不要求位移，所以可以初始化位移，这只是由网格顶点的速度决定，并有益于用户初始化速度却是一件难事。如果设定网格顶点的速度为一常数，那么这些点在设置否则前保持不变。 8.最小化静力分析的瞬时效应对于连续性静力分析，经过许多阶段逐步接近结果是很重要的 即，当问题条件突然改变时，通过最小化瞬时波的影响，使结果更加 “ 静力 ” 。 9.改变模型材料 FLAC3D 对一个模拟中所用的材料数没有限制，这个准则已经尺寸化，允许用户在自己所用版本的FLAC3D 中 最大尺寸网格每个区域使用不同的材料。 10.运行在现场原位应力和重力作用下的问题有很多问题在建模时需要考虑现场原位应力和重力的作用。 四、 FLAC3D 计算软件现阶段使用的领域 根据手册中所说，总结如下： （ 1）承受荷载能力与变形分析（ 2）渐进破坏与坍塌反演（ 3） 断层构造的影响研究（ 4）施加于地质体锚索支护所提供的支护力研究（ 5）排水和不排水加载条件下全饱和流体流动和孔隙压力扩散研究（ 6） 粘性材料的蠕变特性（ 7）陡滑面地质结构的动态加载（ 8）爆炸荷载和振动的动态响应（ 9）结构的地震感应（ 10）由于温度诱发荷载所导致的变形和结构的不稳定 （ 11）大变形材料分析。 隧道方面：（ 1）做地表沉降槽（ zdisp）（ 2）地表横向位移（ xdisp）（ 3）隧道中线竖向沉降曲线（ zdisp）（ 4）提取位移矢量图（ 5）显示初期支护结构内力（ 6）显示state（找塑性区） 基坑方面：（ 1）做地表沉降槽（ zdisp） （ 2）提取位移矢量图（ 3）显示初期支护结构内力（ 4）显示 state（找塑性区） 四、 FLAC3D 计算软件在实际工程当中的应用 以边坡在地 震作用下的模拟为例： 图 1.边坡变形矢量图 图 2.边坡变形云图 图 3. 计算过程变量 1 的变化 图 4. 计算过程变量 1 6 的变化 图 5. 边坡位移场云图 图 6. 边坡应力云图 文档资料：岩土工程计算软件 FLAC3D 基本原理与在工程上的应用 完整下载 完整阅读 全文下载 全文阅读 免费阅读及下载 阅读相关文档 :岩体力学发展史与新技术展望的综述 提高电力工程管理的措施分析 信息时代的网络安全问题 新形势下建筑工程施工管理之我见 土建施工 技术在高层建筑中的应用 新时期水利工程施工的相关技术与管理 现代性背景下的城市特色文化营造策略 小区域 GPS 数据优化处理探索 谈建筑工程管理中如何控制施工成本 现代建筑幕墙设计中的结构抗震设计解析 现代建筑装饰工程管理的重要性探