FLAC3D的实例应用分析

1、主讲：王金安主讲：王金安 教授教授提提 纲纲一FLAC3D软件简介二FLAC3D应用实例三FLAC3D软件应用四FLAC3D模拟技巧1FLAC3D软件简介1. FLAC3DFast Lagrangian Analysis of Continua in 3Dimensions2. FLAC3D建立在拉格朗日算法基础上，采用有限差分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，这对研究岩土工程设计是非常重要的。3. FLAC3D适用模拟计算岩土材料力学行为，特别适合模拟大变形和扭曲，包括材料的高度非线性(应变硬化/软化)、不可逆剪切破坏和压密、粘弹(蠕

2、变)、孔隙介质的应力渗流耦合、热力耦合以及动力学问题等。1. 采用“混合离散法”用以精确模拟塑性坍塌和塑性流动。这种方法比有限元法中采用的渐进迭代更为有效。2. 采用全动力运动方程，即时对于静力问题也是如此。这使得FLAC3D能够没有任何障碍地模拟物理不稳定性问题。3. 采用显示求解方式（与常用的隐式方法比较）。显示方法在求解非线性问题的（应力应变关系）时间几乎等同于线性关系问题，而隐式算法可能花费很长时间，因为它并不需要储存任何矩阵，因此，不需要修改刚度矩阵，这就意味着：（a）具有中等内存的计算机能够采用较多的计算单元模拟；（b）模拟大应变问题比小应变问题几乎不多花计算时间。1FLAC3D软

3、件简介02220032xfhxfhff02220012xfhxfhffhffxf231020310222hfffxfhffyf242020420222hfffyfxyh0123456789101112h1.1、有限差分法1.2、FLAC3D的求解过程平衡方程(动量方程)应力应变关系(本构模型)Gauss定律单元积分应变率速度节点力新的应力对所有的网格节点对所有单元teGeGKijkkijijij2)32(:.ijijigxdtud1.3、FLAC3D本构模型1. 开挖模型null 2. 3个弹性模型a.各向同性弹性b.横观各向同性弹性c.正交各向同性弹性 3. 8个塑性模型a.Drucker-

4、Prager模型b.双线性应变硬化/软化遍布节理模型c.Morh-Coulomb模型d.应变硬化/软化模型e.遍布节理模型f.修正剑桥模型和胡克布朗模型模模 型型代表性材料代表性材料可能应用范畴可能应用范畴开挖模型开挖模型空区空区孔、开挖体、嗣后充填体孔、开挖体、嗣后充填体弹性模型弹性模型均质、各向同性、连续介质均质、各向同性、连续介质线性应力应变关系线性应力应变关系制造材料（如钢）；加载低于极限强度；制造材料（如钢）；加载低于极限强度；安全系数计算安全系数计算正交各向同性弹性模型正交各向同性弹性模型具有具有3个相互正交轴方向上个相互正交轴方向上弹性介质弹性介质加载低于强度极限下的加载低于强度

5、极限下的柱状玄武岩柱状玄武岩横观各向同性弹性模型横观各向同性弹性模型显现为各向异性弹性显现为各向异性弹性薄层叠合结构材料薄层叠合结构材料加载低于极限强度的加载低于极限强度的层状结构体层状结构体德鲁克普拉格模型德鲁克普拉格模型限制应用的材料：限制应用的材料：具有低摩擦角的软土介质具有低摩擦角的软土介质同隐式有限元程序通用的模型同隐式有限元程序通用的模型摩尔库仑塑性模型摩尔库仑塑性模型松散和粘结的颗粒材料；松散和粘结的颗粒材料；土质、岩石和混凝土土质、岩石和混凝土一般岩土力学一般岩土力学（如边坡稳定性和地下开挖）（如边坡稳定性和地下开挖）应变硬化应变硬化/软化摩尔库仑模型软化摩尔库仑模型应变硬化或

6、软化的非线性应变硬化或软化的非线性颗粒介质颗粒介质研究峰后破坏特性研究峰后破坏特性（如渐进蹋落、矿柱屈服、冒落）（如渐进蹋落、矿柱屈服、冒落）遍布节理模型遍布节理模型显现为强度各向异性的显现为强度各向异性的薄层叠合结构材料薄层叠合结构材料在密集层理地层中的开挖在密集层理地层中的开挖双线性应变双线性应变硬化硬化/软化遍布节理模型软化遍布节理模型表现为非线性硬化或软化的表现为非线性硬化或软化的层状材料层状材料研究层状材料的峰后破坏特性研究层状材料的峰后破坏特性修正的修正的Cam粘土模型粘土模型变形和剪切强度是体积变量函数变形和剪切强度是体积变量函数的材料的材料土体介质中的岩土结构土体介质中的岩土结

7、构1.3、FLAC3D本构模型1. 梁(beam)单元2. 锚索(cable)单元3. 桩(pile)单元4. 壳(shell)单元5. 格栅(geogrid)单元土工织物；土工格栅6. 衬砌(liner)单元beamcableshellgeogridlinerpile结构单元类型1.4、FLAC3D结构单元1. 三角形单元(无厚度!)2. 三种工作模式a.粘结界面b.粘接滑移c.库伦滑动接触单元原理1.5FLAC3D接触单元命令栏1.6、FLAC3D界面介绍1.6、FLAC3D界面介绍图形显示窗口提提 纲纲一FLAC3D软件简介二FLAC3D应用实例三FLAC3D软件应用四FLAC3D模拟技

8、巧 2.1、老虎台矿开采诱发矿震的力学机理分析F25F26F1F7-1F7-1F18地质条件 E5200剖面图老虎台矿开采历史老虎台矿自老虎台矿自19071907年年开始开采，至今已有近百年的开采历史。开始开采，至今已有近百年的开采历史。 1988年1月至2000年5月，随着老虎台矿开采深度增大和向断裂构造逼近，矿震频率和震级都呈上升趋势，平均每月发生矿震52.2次，远远超出了抚顺地区天然地震的数量，最大震级达到3.6ML。矿矿震震震震级级 (ML) 1 1.5 1.6 2.0 2.1 2.5 2.6 3.0 3.1 3.6 合合计计 矿矿震震数数目目 (次次) 5721 1675 298 6

9、3 19 7776 矿震事件统计矿震事件统计矿震震级、频度与时间特征计算模型F7-1F18F1F16F1-AF25F263800m3000m1100mxyz1999-2000E5200E600019922000破坏场发展趋势破坏场发展趋势E5200E60001999-20001999-2000近断层岩体的动力学响应(1992-2000)00.10.20.30.40.50.60.70.80.97.88.08.28.48.68.89.09.29.49.6StepShear Disp., mm78001-1F25断层露头断层露头(1992-2000)00.511.522.537.88.08.28.4

10、8.68.89.09.29.49.6StepShear Disp., mm78001-1F25断层断层-200m（井田西部）（井田西部） (1992-2000)051015207.88.08.28.48.68.89.09.29.49.6StepShear Disp., mm78001-1(1992-2000)0510152025307.88.08.28.48.68.89.09.29.49.6 StepShear Disp., mm78001-1F25断层断层-400mF25断层断层煤层煤层（-595m）（井田西部）（井田西部） 近断层岩体的动力学响应2.2 程潮铁矿主溜井特大塌方治理 N 24

11、 m 措施井 1# 主 溜 井 2# 主 溜 井 西风井 1#、2#主溜井的布置图主溜井的布置图 “托斗法”法方案主视图“托斗法”方案局部剖视图 加固前后主溜井围岩位移矢量场加固前加固前加固后加固后卸矿水平剖面加固前加固前加固后加固后加固前后主溜井围岩位移矢量场卸矿井筒剖面2.3 鹤壁四矿村庄下厚煤层特殊开采剖面图杨吕寨750m2000m280m700m420mF7430m706m300m4F2044F2064F1055163.55154中央条带两翼长壁开采方案80m150m150m三维计算模型图中央条带两翼长壁工作面开采后地表下沉0200400600800100012001400 x(m)0

12、20040060080010001200140016001800y(m)-7000-6500-6000-5500-5000-4500-4000-3500-3000-2500-2000-1500-1000-5000W(max) = -6507.68(mm)mm中央条带两翼长壁工作面开采后地表水平变形200400600800100012001400 x(m)2004006008001000120014001600y(m)-12-10-8-6-4-20246810Ex = (-11.8236,11.3979)(mm/m)mm/m(a) X-方向方向200400600800100012001400 x

13、(m)2004006008001000120014001600y(m)-14.0-12.0-10.0-8.0-6.0-4.0-2.00.02.04.06.08.010.012.0Ey =(-12.8346,12.839) (mm/m)mm/m(b) Y-方向方向2.4 综放采场围岩应力分布与稳定性研究三 维 模 型走向剖面倾向剖面模型剖面图综放工作面煤层内垂直应力分布三维视图 沿煤层走向综放工作面中部围岩主应力场采空区采空区老顶岩层老顶岩层140.8m沿煤层倾斜剖面工作面前方150m围岩主应力场 沿煤层倾斜剖面工作面前方15m围岩主应力场沿煤层倾斜剖面工作面处围岩主应力场 沿煤层倾斜剖面工作面

14、后方200m围岩主应力场沈阳地铁一号线线路图 2.5沈阳地铁沈阳站施工力学行为分析沈阳站地表建筑图 沈阳站剖切模型图 地下结构模型图 Z向位移X向位移Y向位移开挖后地表土体位移分析 基坑开挖后围护结构分析 主应力矢量图围护结构水平位移图提提 纲纲一FLAC3D软件简介二FLAC3D应用实例三FLAC3D软件应用四FLAC3D模拟技巧3.1、建模与模拟过程1.根据研究目的对实际模型进行构思与概化，计算模型所涉及的复杂程度取决于研究目的。2.根据工程影响区域确定计算模型的尺寸, 单元类型的确定、网格划分，形成计算网格。3.安排工程对象（开挖、支护等）。4.输入力学参数 。5.确定边界条件 。6.进

15、行模拟计算。7.结果分析 。基本步骤单元单元节节 点点结构单元结构单元水平应力水平应力边界边界内部边界内部边界水平应水平应力边界力边界模型边界模型边界位移边界位移边界3.2 、FLAC3D基本称谓FLAC3D 3.00Itasca Consulting Group, Inc.Minneapolis, MN USASettings: Model Perspective08:46:55 Sat Jul 29 2006Center: X: 2.000e+000 Y: 2.000e+000 Z: 2.000e+000Rotation: X: 25.000 Y: 0.000 Z: 40.000Dist:

16、 1.486e+001Mag.: 0.64Ang.: 22.500Block Group64136360429629595645203256158366155552194125221355757185415113751345317175350503333494949NoneAxes LinestyleXYZFLAC3D 3.00Itasca Consulting Group, Inc.Minneapolis, MN USASettings: Model Perspective08:47:50 Sat Jul 29 2006Center: X: 2.000e+000 Y: 2.000e+000

17、Z: 2.000e+000Rotation: X: 25.000 Y: 0.000 Z: 40.000Dist: 1.486e+001Mag.: 0.64Ang.: 22.500Block Group11912412512031414333118123124119114119120115131519173343716611712212311821313323113118119114108114115110667196911557591991115132333666111612112211711211711811357828459919612111610611311410832123610710

18、8110109115557156166918627119821071098462361525580825711111611711286911161117535511104112113106136410510610810714725261867780105107825378805510211111210446525145153777861111021031041061057810310580515277765176785310110210410376771021017610110378NoneAxes LinestyleXYZ3.3 、FLAC3D节点与单元编号节点单元3.3、基本单元生成基本单

19、元基本单元Gen zone brick p0 p1 p2 p3 p4 p5 p6 p7 size n1 n2 n3 & ratio r1 r2 r3 group name命令 p0 p1 p2 p3 p4 p5 p6 p7为各节点空间坐标n1 n2 n3为沿x,y,z方向单元数r1 r2 r3为沿x,y,z方向单元大小的比值group 后为自定义组名注释 3.3、基本单元生成p0p2p3p1r3n3gen zone brick p0 0 0 0 p1 20 0 0 p2 0 10 0 p3 0 0 10 & size 10 5 5 ratio 0.8 0.8 0.8 group name例 3

20、.3、基本单元生成3.3、基本单元生成weduwedgen zone wed p0 0 0 0 p1 10 0 0 p2 0 10 0 p3 0 0 10 size 8 6 8 & ratio 1.2 1 0.83 group namegen zone uwed p0 0 0 0 p1 10 0 0 p2 0 10 0 p3 0 0 10 size 8 6 8 & ratio 1.2 1 0.83 group nameweduwed例 Gen zone wed p0 p1 p2 p3 p4 p5 size n1 n2 n3 ratio r1 r2 r3 group nameGen zone u

21、wed p0 p1 p2 p3 p4 p5 size n1 n2 n3 ratio r1 r2 r3 group name命令 3.3、基本单元生成3.4、特殊单元生成例 gen zone cylinder p0 p1 p2 p3 p4 p5 size n1 n2 n3 ratio r1 r2 r3 group namegen zone cshell p0 p1 p2 p3 p4 p5 dim d1 d2 d3 d4 size n1 n2 n3 n4 & ratio r1 r2 r3 r4 group name1 fill group name2命令 gen zone cylinder p0

22、0 0 0 p1 10 0 0 p2 0 10 0 p3 0 0 10 size 6 7 8 group 1gen zone cshell p0 0 0 0 p1 10 0 0 p2 0 10 0 p3 0 0 10 dim 5 5 5 5 size 6 7 8 group 1gen zone cshell p0 0 0 0 p1 10 0 0 p2 0 10 0 p3 0 0 10 dim 5 5 5 5 size 6 7 8 3 group 1 fill group 23.4、特殊单元生成3.4、特殊单元生成例 gen zone radcylinder p0 p1 p2 p3 p4 p5

23、p6 p7 dim d1 d2 d3 d4 size n1 n2 n3 n4 ratio r1 r2 r3 r4 group name1 fill group name2gen zone radtunnel p0 p1 p2 p3 p4 p5 dim d1 d2 d3 d4 size n1 n2 n3 n4 & ratio r1 r2 r3 r4 group name1 fill group name2命令 gen zone radcylinder p0 0 0 0 p1 10 0 0 p2 0 10 0 p3 0 0 10 dim 5 5 5 5 & size 6 7 6 5 group 1

24、 gen zone radtunnel p0 0 0 0 p1 10 0 0 p2 0 10 0 p3 0 0 10 dim 5 5 5 5 & size 6 7 6 5 group 1gen zone radcylinder p0 0 0 0 p1 10 0 0 p2 0 10 0 p3 0 0 10 dim 5 5 5 5 & size 6 7 6 5 group 1 fill group 23.4、特殊单元生成3.4、特殊单元生成gen zone cylint p0 p1 p2 p3 p4 p5 dim d1 d2 d3 d4 d5 d6 d7 size n1 n2 n3 & n4 n5

25、 ratio r1 r2 r3 r4 r5 group name1 fill group name2gen zone tunint p0 p1 p2 p3 p4 p5 dim d1 d2 d3 d4 d5 d6 d7 size n1 n2 n3 & n4 n5 ratio r1 r2 r3 r4 r5 group name1 fill group name2命令 例 gen zone cylint p0 0 0 0 p1 10 0 0 p2 0 10 0 p3 0 0 10 dim 3 3 3 3 3 3 3 & size 6 7 6 5 2 group 1 gen zone tunint p

26、0 0 0 0 p1 10 0 0 p2 0 10 0 p3 0 0 10 dim 3 3 3 3 3 3 3 & size 6 7 6 5 5 group 1gen zone cylint p0 0 0 0 p1 10 0 0 p2 0 10 0 p3 0 0 10 dim 3 3 3 3 3 3 3 & size 6 7 6 5 2 group 1 fill group 23.4、特殊单元生成gen zone reflect normal xv yv zv origin x y z range命令命令 例 gen zone cshell p0 0 0 0 p1 10 0 0 p2 0 20

27、 0 p3 0 0 10 dim 5 5 5 5 & size 6 7 8 group 1gen zone reflect nor -1 0 0 ori 0 0 0 gen zone reflect nor 0 0 -1 ori 0 0 0 注释注释 1. xv yv zv分别为镜像面法向量沿各坐标轴分量2. x y z为镜像面上任意一点空间坐标3.4、特殊单元生成其他特殊单元3.4、特殊单元生成3.4、特殊单元生成3.4、特殊单元生成3.4、特殊单元生成3.4、特殊单元生成3.4、特殊单元生成3.4、特殊单元生成3.4、特殊单元生成3.4、特殊单元生成3.4、特殊单元生成3.5赋单元材料性质

28、 在FLAC3D 中，除了横观各向同性弹性和正交各向同性弹性模型外，采用了体积模量K和剪切模量G作为计算参数,而不是杨氏模量E和泊松比。K K转换关系 当V0.5时，上式计算的K值变为无穷大，导致解的收敛速度非常慢，所以使用时注意。)21 ( 3EK)1 (2EGmod e (弹性)prop bu 12.5 sh 5.77 range ini density 2400e-6 rangemod m （弹塑性Mohr-Coulumb准则）prop bu 12.5 sh 5.77 c 0 fri 20 ten 0.015 rangeini density 1800e-6 rangemod ss （应

29、变软化模型）Prop bulk 710 shear 310 coh 2.44 fric 25 dil=10 ten 1.06 ct 4 ft 2 dt 3 ct 1 ft 2 dt 3 tt 4 rangetab 1 0.0,2.44 1e-8,0.48 tab 2 0.0,25 1e-8,12 tab 3 0.0,10 1e-8,2.0 tab 4 0.0,1.06 1e-8,0.32ini density 1400e-6 rangerange 后为赋值范围,缺省值时为整个模型3.5赋单元材料性质density 重度 bulk 体积模量shear 剪切模量cohesion 粘聚力fricti

30、on 摩擦角ctable 涉及凝聚力c 与塑性剪切应变的表号dilation 剪胀角dtable 涉及剪胀交与塑性剪切应变的表号ftable 涉及摩擦角与塑性剪切应变的表号tension 抗拉强度ttable 涉及极限张拉强度与塑性剪切应变的表号3.5赋单元材料性质S I长度mmmcm密度Kg/m310 3Kg/m310 6Kg/m310 6Kg/m3力NKNMN达因(Mdynes)应力PaKPaMPa巴(bar)重力m/sec2m/sec2m/sec2m/sec2S I水体积模量Pa巴(bar)水密度Kg/m310 6g/m3渗透率m3sec/Kg106cm sec/g样本渗透率m2cm2水

31、力传导率m/seccm/sec注：1bar=106dynes/cm2=105N/m2=105Pa注意：在FLAC 3D中渗透率 样本渗透率（cm2）9.9102 水力传导率（cm/sec）1.02106 系统单位力学参数系统单位力学参数系统单位渗透参数系统单位渗透参数注意单位一致性岩土工程常用单位3.5赋单元材料性质固定边界命令 fix x range x a-0.1 a+0.1fix x range x b-0.1 b+0.1fix y range y c-0.1 c+0.1 fix y range y d-0.1 d+0.1fix z range z e-0.1 e+0.1（a,c. e）

32、（b,c, e）XYZ注释： 1.上语句中，上语句中，0.1可根据单元可根据单元大小自动设置大小自动设置2.a,b,c,d,e为模型各边界节点为模型各边界节点坐标值坐标值（b,d, e）3.6边界条件apply yf -10 range或 apply syy -10 rangeapply xf -5 range或 apply sxx -5 rangeini sxx -10 rangeini syy -5 range1. apply yf用于集中力用于集中力2. apply SYY用于面力，如均布荷载用于面力，如均布荷载3. ini Sxx用于体力，如地应力的施加用于体力，如地应力的施加4. r

33、ange 后为赋值范围后为赋值范围,缺省值时为整个缺省值时为整个模型模型施加边界力 (结点)赋单元应力 (结点)注释3.6边界条件Gen merge valueAttach face an valueAttach face tol valueGeom_testSet grav 9.81Set largeStep nSave name.sav3.7计算粘结相邻节点粘合相邻角度小于value的面粘合相邻距离小于value的面单元测试设置重力加速度启用大变形模式设置运行步数存盘3.8结果显示命令Plot show ;进入图形窗口plot create szz_contourplot set cent

34、 4 4 5plot set rot 20 0 30plot set mag 1.0Plot add cont szzsyysxxsxysminsmaxPlot add block szzsyysxxsxysminsmaxPlot add block statePlot add axesctrl+c 设置窗口消息ctrl+g 在灰色与彩色之间转换ctrl+r 恢复到窗口默认状态ctrl+z 用矩形窗口栏选shift+m模型缩小 m模型增大 方向键使模型向其方向移动命令快捷键3.8结果显示菜单gen zon bri size 3 3 3 ;建立网格model elas ;材料参数prop bul

35、k 3e8 shear 1e8ini dens 2000 ;初始条件fix z ran z -.1 .1 ;边界条件fix x ran x -.1 .1fix x ran x 2.9 3.1fix y ran y -.1 .1fix y ran y 2.9 3.1set grav 0 0 -10 solve ;求解app nstr -10e4 ran z 3 x 1 2 y 1 2solveplot cont szz简单应用 13.9简单应用简单应用 23.9简单应用gen zone radcylinder size 25 1 25 25gen zone reflect normal -1 0

36、 0gen zone reflect normal 0 0 -1gen merge 1e-5model mohrprop dens=1000 bu=1e8 sh=7e7 fric 25 coh 3.5e4 tens 1e10fix yfix x range x -24.9 -25.1fix x range x 24.9 25.1fix z range z -24.9 -25.1set grav 10ini szz -1e6 grad 0 0 1e6ini sxx -0.5e6 grad 0 0.5e6 0ini syy -0.5e6 grad 0 0.5e6 0plot add contour

37、 zdispsolve ratio 2e-3建立1/4模型沿x轴镜像沿z轴镜像粘合节点赋予本构模型赋材料参数固定边界固定边界固定边界固定边界设置重力加速度赋初始应力赋初始应力赋初始应力显示设置运算3.9简单应用3.9简单应用3.9简单应用功功 能能 COMMAND产生网格产生网格 GEN材料模型和参数材料模型和参数 MODEL PROPERTY边界条件边界条件/初始条件初始条件 APPLY FIX INITIAL SET gravity初始平衡初始平衡 STEP SOLVE开挖或变化分析开挖或变化分析 MODEL PROPERTY APPLY FIX FREE SET cable保存保存/恢复

38、求解后的状态恢复求解后的状态 SAVE RESTORE3.10小结提提 纲纲一FLAC3D软件简介二FLAC3D应用实例三FLAC3D软件应用四FLAC3D模拟技巧1. 模型尺寸2. 模型单元数与计算机配置，运行时间的关系。 FLAC3D运行时间正比于 ，N为单元数3. 建模时命令gen zone reflect /copy的应用4. gen merge value命令中value值大小，小粘结功能失效，大则网格嵌入5. 合理选择本构模型与材料参数6. 模型开挖时mode null与dele选择4.1模型建立与开挖34N1. 关键：要形成同一位置形成两个节点(面)2. 步骤： 建两个分开的模型

39、 建立接触单元 通过INI * add使模型接触 注意dist的含义接触面dist断层建立步骤4.2模拟断层gen zone brick size 3 3 3 & p0 (0,0,0) p1 (3,0,0) p2 (0,3,0) p3 (0,0,1.5) & p4 (3,3,0) p5 (0,3,1.5) p6 (3,0,4.5) p7 (3,3,4.5)group Basegen zone brick size 3 3 3 & p0 (0,0,1.5) p1 (3,0,4.5) p2 (0,3,1.5) p3 (0,0,6) & p4 (3,3,4.5) p5 (0,3,6) p6 (3,0,6) p7 (3,3,6