RFPAD基本培训教程

会计学1RFPAD基本培训教程一、RFPA系统概述第1页/共57页§RFPA系统概述◆RFPA是RealisticFailureProcessAnalysis的简称。它是一种基于有限元应力分析和统计损伤理论的材料破裂过程分析数值计算方法，是一个能够模拟材料渐进破裂直至失稳全过程的数值试验工具。该方法的一个重要特色是考虑了材料性质的非均匀性，是一种通过非均匀性模拟非线性、通过连续介质力学方法模拟非连续介质力学问题的材料破裂过程分析新型数值分析方法。

第2页/共57页◆岩石力学问题，广义的讲包括岩石的破坏问题。岩石之所以产生非线性变形，是因为岩石在受载过程中其内部不断产生微细破裂的缘故。这种微细破裂的不断发展便导致最终的宏观破裂。通常的有限元方法尽管可以模拟演示的非线性变形，但只是在宏观上的一种“形似”，而没有模拟出岩石在变形过程中微破裂过程，因而不能做到“神似”。◆为了解决岩石破裂过程的分析，采用有限元法、有限差分法、边界元法、离散元法等数值模拟方法在全面解决复杂的岩土工程问题，例如岩石材料的非线性问题、岩体中节理、裂隙等不连续面对分析计算的影响等等方面不同程度的存在缺陷。1995年软件系统创始人唐春安教授针对这些问题提出了基于有限元基本理论，充分考虑岩石破裂过程中伴随的非线性、非均匀性和各向异性等特点的新的数值模拟方法“RFPA方法”，即真实破裂过程分析方法。§RFPA系统概述第3页/共57页§RFPA方法的主要要点◆将材料的不均质性参数引入到计算单元，宏观破坏是单元破坏的积累过程。◆认为单元性质是线弹-脆性或脆-塑性的，单元的弹模和强度等其他参数服从某种分布，如正态、韦伯、均匀等。◆认为当单元应力达到破坏的准则将发生破坏，并对破坏单元进行刚度退化处理，故可以以连续介质力学方法处理物理非线性介质问题。◆认为岩石的损伤量、声发射同破坏单元数成正比。第4页/共57页二、RFPA系统的基本原理第5页/共57页§非均匀介质单元划分标准◆从提过计算速度的角度讲：自然是单元取得大些比较合适，但较大的单元不仅不能反映细观非均匀的力学性质，使模型不能很好地反映工程实际，而且较大的单元尺寸本身也会给计算带来较大的误差。◆从计算精度的角度讲：在计算机速度允许的情况下，应尽可能的将单元划分得小些，这样不仅能够使模型更加真实地反映实际，而且也有利于提高计算的精度。第6页/共57页◆

单元大小的划分标准：根据精度，是否将单元划分的越小越好呢？未必！大家知道，在断裂力学中，为了数学处理的方便，裂纹的两端被假设为无穷小的尖端。然而，按照这一假设，所计算出的裂纹尖端处的拉应力为无穷大。这意味着什么？意味着只要给定任意有限值得加载，裂纹便会迅速扩展，这显然是与实际情况不相符的。造成这一错误结论的原因是，在现实的介质特别是岩石介质中，裂纹尖端实际上是有一定尺度的。这一尺度是与介质的基本细观性质有关的，我们称之为介质的细观特征尺度。因此，单元大小的划分标准为：只要数值模型中的单元尺寸能够反映或者基本反映这种细观特征尺度，那么该模型的单元尺寸就是合理或者基本合理的。§非均匀介质单元划分标准第7页/共57页§基元的引入◆细观力学认为；通过细观单元的变形、破坏的个体行为的积累来反映宏观行为的演化，为研究介质变形和破裂的宏观行为提供了一种新的途径。所谓的基元，是构成介质的基本细观尺度单元，是在物理力学性质方面能够代表介质特征的最小单元。在岩石破裂过程分析RPFA系统中，为了能够充分考虑介质力学性能的非均匀性以及由这种非均匀性引起的变形、破裂过程的复杂性，我们引入了三种特性的基元，即基质基元、空气基元和接触基元。第8页/共57页§基元的三种形态◆

基质基元；是指基元在模型中的当前功能为实体介质。它的性能由岩石的本构关系来描述。◆空气基元；是指基元在模型中的当前功能为虚体特性。当单元介质在拉应力条件下发生断裂后，形成断裂面。就断裂面的物理本质而言，也就是应力的传递在此出现不连续或中断。通常的数值计算方法解决这一问题的方法是将单元中的节点分开，或者是将单元从模型中去掉。但是，这样做的结果使得模型的数学处理变得极其复杂，而且一般不适合多裂纹、特别是多裂纹相互交叉的情形。RFPA系统采用的裂纹处理方法，即空气基元。当基元介质发生断裂后，我们不是将该单元从模型中去掉，而是用弹模极低的基元性质取代原有的实体基元的性质，由于新的基元弹模极低，可以近似的认为实体介质的行为已不存在，这样在不改变模型数学结构的前提下，却可以使得模型在总体特性上能够反映出因基元破裂而引起的物理特性的改变。第9页/共57页◆接触基元；压、剪破坏后的基元在一定范围内维持残余强度状态。但是，对于现实中的介质来说，破坏后的介质在继续受压应力、特别是各向均受压应力的条件下，将出现所谓的压密或压实现象，其力学表现则是压密后的介质刚度不仅不降低，反而出现上升。从而引入了接触基元。§基元的三种形态第10页/共57页§三种基元在不同条件下的转化基质基元空气基元接触基元受拉应力破坏进行刚度退化处理裂纹两面的介质受压作用产生接触，接触面传递压应力激活空气单元，单元刚度增加当压应力变为拉应力时，进行刚度退化处理受压应力破坏进行刚度强化处理第11页/共57页§基元的相变◆所谓基元的相变，三种基元在一定条件下，将由一种突然转化为另一种，这种其力学性质全然改观，叫做相变。其临界条件即为相变点。第12页/共57页分离相残余相弹性相残余相接触相基元及其特性分离点相变点2相变点1接触点图中个参数的意义:——1类相变阀值——1类相变残余阀值——2类相变阀值——2类相变残余阀值——最大压应变——极限压应变——最大拉应变——极限拉应变①基元相变之前，它代表实际的完好介质，具有线弹性应力-应变特性。②基元相变之后的一定范围内，它代表相变后阶段的弱介质，具有残余阀值特性。③如果相变后的基元被高度挤压，则基元犹如被压密的介质。如果相变后的基元受拉，使其拉应变达到一定的值时不再将基元看成是它所代表的介质，处理成空气基元。第13页/共57页§RFPA分析过程流程图开始实体建模和网格划分，用统计分布函数，赋每一个基元的刚度和相变值等施加荷载产生一个新的边界位移或载荷形成新的刚度矩阵将相变基元进行弱化处理线弹性有限元求解器计算基元节点力和位移根据相变准则判断是否有基元相变加载是否需要结束结束是否是否实体建模应力分析相变分析第14页/共57页三、RFPA-Basic可研究的问题第15页/共57页§RFPA-2D基本版◆

RFPA-2D基本版：集中了RFPA系列软件的基本功能，可进行岩石、混凝土等脆性材料受载的变形破坏分析，其声发射模式的探测，亦可进行简单的工程应用分析，如地下工程开挖及支护过程中的应力场、位移场监测及声发射（微震）监控等。

请看岩石材料单轴压缩的破坏过程……第16页/共57页岩石材料单轴压缩的破坏过程及声发射第17页/共57页四、RFPA系统平台介绍第18页/共57页§RFPA系统平台介绍Ⅰ、RFPA系统计算方面的特点：①允许模拟计算由于分步开挖引起的应力重新分布对进一步变形和破坏过程的影响，也就是说在模拟地下开采中伴随的破坏过程时更接近于实际情况。②可以通过专门提供的作图工具和参数输入模块，在模型中考虑模拟材料的微观缺陷，也可以考虑节理、裂隙等宏观缺陷。③可以模拟自重引起的破坏过程，新的RFPA2D软件系统增加了对地下工程开挖，地下破坏、地表沉陷、采动影响下煤岩顶板冒落、边坡失稳等问题的模拟功能。④增加了对多种统计分布函数如韦伯分布、正态分布、均匀分布等在材料特性中的嵌入，来考虑材料力学参数（强度、弹模等）的非均匀性分布特征，从而可以从本质上研究岩石变形的非线性特征。⑤新的RFPA2D软件系统增加了对流固耦合（如：水力压裂、底板突水、水工中岩石、体渗流）、气固耦合（媒岩体瓦斯突出）、温度应力场耦合问题的模拟分析功能。⑥边坡稳定性分析模块，主要为强度折减法和离心机法。第19页/共57页Ⅱ、RFPA系统使用方面的特点：

RFPA2D软件系统由于从设计到具体的实现过程就时刻注意到系统的可视化，所以新系统的用户界面不出现任何与数值计算方法有关的术语，用户无需掌握专门的数值计算方法，只需提供与研究对象有关的几何参数和力学参数，就可以用几何作图方式构造力学模型；所有操作都是针对图形进行的。用户只需利用内藏的高性能作图工具绘出结构物的图形，并为组成结构物的各个部分指定材料的力学参数，然后指定边界条件，即可进行计算分析。①赋值（前处理）。RFPA对任何一个实际模拟对象的赋值，包括网格大小、力学参数、边界条件、加载条件等，都是基于面向用户的对话框。②计算。RFPA可快速进行100,000个单元以上的模型分析计算，而且最大容量只取决于计算机的硬件性能。在RFPA系统中，应力分析和相变分析（破坏分析）是相互独立的，有限元仅完成应力、应变计算，不参与相变分析。但整个应力分析、相变分析过程是连贯依此完成的，不需要用户进行任何干预。③显示（后处理）。在RFPA中专门设置了一组显示工具条和菜单栏用于对模拟结果进行显示操作。RFPA实时显示中间的计算结果，从而可以及时反馈给用户计算进度。RFPA还具有对计算结果重画图形的功能，以便获得更为理想的后处理结果。④

图形编辑。RFPA具有对模拟结果图形进行缩放、拷贝等编辑功能，还可以直接运用windows的剪切、复制、粘贴等功能将模拟结果图形传输到图形处理软件（如MS-Word，CorelDraw等）进行后处理编辑。第20页/共57页RFPA-2D工作平台的装入……Ⅰ：通过鼠标双击桌面上RFPA图标装入Ⅱ：通过开始菜单装入，开始>>程序>>RFPAⅢ：通过WindowsExplorer中运行RFPAstudio.exe

命令：c：\RFPA\RFPAstudio.exe第21页/共57页初始工作平台新建工程文档打开已有的*rfp类型文档第22页/共57页设计平台RFPA模型工作区显示工具条基本工具条作图工具条材料特性类型材料特性分布图菜单条调色板状态条第23页/共57页工具条介绍

(toolbar)工具条：是为了方便菜单中的主要命令的使用而设置的快捷工具第24页/共57页基本工具条New新建Open打开Save保存Print打印Copy复制Zoom缩放FullScreen全屏显示Meshdividing网格划分Boundaryconditions边界条件Controlconditions控制条件Runstepbystep单步运行Autorun自动连续运行Stoprun强制停止运行第25页/共57页作图工具条Drawbymouse鼠标键盘输入切换Materialproperty材料类型选择Selectarea区域选择Rectangle矩形Circle圆Line单直线Doubleline双直线Polyline多线Polygon任意多边形Compositematerial复合材料ClosedArc封闭弧Arc圆弧Anchor支护复合材料增强介质颗粒设置第26页/共57页显示工具条Shearstress剪应力图Max.principalstress最大主应力图Min.principalstress最小主应力图Elastic弹性模量图AcousticEmission声发射图e/AE弹模和声发射图Load-stepcurve载荷与加载步曲线AEcurve声发射曲线AreaAE圈定声发射图Multi-ElementInformation多单元信息Slideplay幻灯播放Displacementvector位移矢量图Stressvector应力矢量图第27页/共57页§颜色灰度调整颜色灰度调整(ColorAdjustment):用户根据自己的研究和兴趣需要，可进行结果图颜色灰度的调整；单击左边颜色框，调节右边Minimum和Maximum滑动按钮。第28页/共57页§网格划分YLength(mm),Xlength(m):Y方向和X方向的尺寸均为所研究问题的实际尺寸，单位为毫米，建立模型的时候需要将实际尺寸换算成毫米，单元尺寸为实际尺寸除单元个数。Rows(Elements),Cols(Elements):单元列数和行数，单元尺寸的划分原则前面已讲述。HeterogeneityIndex行：为均质度，weibull统计分布函数中的参数m，反映岩石介质的均质性。若模拟地下工程等必须考虑模型本身的重力的工程问题时，需要输入自重的参数，注意自重的单位：N/mm3。MeanValue:为单元物理力学参数的平均值。Weibull分布函数：第29页/共57页§强度特性设置摩擦角(Friction)：材料在垂直力作用下发生剪切破坏时错动面的倾角（材料固有）。压拉比(C/Tratio)：材料抗压强度与抗拉强度的比值。残余强度百分比(Residualstrength(%))：破坏后的残余强度与破坏前强度的比值。残余泊松比百分比(Residualpoisson(%))：破坏后的泊松比与破坏前泊松比的比值。最大应变(Maximumstrain)：极限最大应变与弹性最大应变的比值（理解参见基元与其特性）。第30页/共57页§力边界条件设置加载方式(Loadmode)：位移加载、应力加载、围压控制、自由。加载初始步(Initialstep)：开始施加力边界条件的开始步。加载初始值(Initialvalue)：计算循环中加载起始步的值（选择不同的加载方式则对应不同的加载值）。加载增量(Increment)：两个加载步之间变化量。正值表示压，负值表示拉。加载终值(Finalvalue)：用于设置加载循环中某方向上的终值。加载终止步(Finalstep)：设置加载的终止步。第31页/共57页§控制条件设置执行完网格划分命令就要对模拟区进行控制条件设置。总控制步(Totalstep)：控制整个程序的循环计算步。也就是所计算的循环步最终取决于此处的步数。步中步(stepInstep)：根据计算精度而显示的两步之间的小步。求解类型(Loadtype)：可进行平面应变问题、平面应力问题和轴对成问题的求解。重力方向(Weightdirection)：重力方向的确定。第32页/共57页系统自定义

(selfdefine)第33页/共57页§系统自定义(selfdefine)图片类型和尺寸(PictureTypeSize)结果图类型(Type)：此命令主要是定义在模型计算完成后要显示图形的类型和尺寸。根据研究问题的需要将相应的结果图选项上钩上即可。图形尺寸(Size)：对系统生成的结果图进行大小设置，选Default默认，系统根据窗口大小随机生成。矢量单元间隔(Vectorelementintervals)：因为要表示矢量场，用箭头表示矢量的大小方向，箭头方向为矢量方向，箭头长短表示矢量大小。位移矢量放大系数(Displacementvectoramplifiedcoeff)：为了计算结果显示的我们能更好的看清以说明问题，对原始矢量大小给予适当的放大。应力矢量放大系数(Stressvectoramplifiedcoeff)：解释同位移放大系数。注：这些参数定义可在计算运行命令之前执行，也可在计算命令之后执行。第34页/共57页显示步(Showstep)显示步(Showstep)：此命令在设置重画计算结果图时候设置，设置重画计算步的间隔。也可在inputredrawstep下面直接输入要重画的计算步，用英文状态下的逗号相隔。重画(Redraw)：是系统对计算数据进行重新生成图像的操作，原计算数据不变化，只是新生成的结果图将覆盖和上次生成的名称相同的图形。不同于系统重置(reset)。§系统自定义(selfdefine)第35页/共57页

声发射图设置(AEPictureSetting)声发射圆大小(Typesize)：设置声发射圆大小（代表相对能量或震级大小），Amplifiedradius是指在原能量圆大小的基础上放大的倍数。所有步(Forallsteps)：显示当前所有步的声发射圆。当前步(Forcurrentstep)：显示当前单步的声发射圆。发射圆颜色(AEcolor)：用声发射圆颜色进行区别单元的破坏是抗拉破坏、抗压破坏、还是抗剪破坏。双击颜色框进行调节。§系统自定义(selfdefine)第36页/共57页高级设置(AdvancedSetting)主要对破坏后和空气单元的参数进行调整(初学者将词项默认)。分离系数(Detachedcoeff)：主要为了处理破坏后单元的显示状态，当破坏单元的变形(受拉)达到分离系数指定的变形量时，认为单元已彻底分离，将不在显示此单元，值为1-100。设置为5时，表示当单元的最大变形超过5倍单元原始尺寸时，不再显示此单元。灰度系数(Graydegreecoeff)：是通过去掉高亮度单元来调整总体的亮度范围，值在0—1之间，其意义为：假设模型单元数为10，000个，灰度系数为0.01，则表示在显示时去掉10，000×0.01=100个最亮的个单元级别。大位移(Largedisplacement)：是在处理自重问题时，当破坏的单元下落的位移超过设置值时，则认为破坏单元脱离母体单元，值为单元边长的倍数。§系统自定义(selfdefine)第37页/共57页变形放大系数(Deformation)：对破模型的尺寸在显示时做放大处理，如有时计算完成后发现模型没有变化则可能是放大系数设置的太小；反之，当计算完成后显示的图形出现全黑时，则有可能是因为放大系数设置过大的缘故。计算精度系数(Accurateofstress)：表示控制计算精度，如设置为0.0001时，则表示当破坏单元达到总单元数万分之一时，系统不再做当前不的循环计算。§系统自定义(selfdefine)其他设置(Otherssetting)第38页/共57页五、工程算例模拟演示第39页/共57页◆岩石的压缩加载数值试验◆岩石的剪切加载试验★

RFPA工程算例（基本模块）第40页/共57页§RFPA计算步骤（三大步）构造模型（前处理）1建立工程文档2网格划分和参数赋值3插入模型结构4边界条件和控制条件计算单步运行连续运行结果分析（后处理）第41页/共57页§岩石的压缩加载数值试验试验内容：◆岩石压缩加载的应力-应变曲线◆破坏模式◆声发射第42页/共57页第1步：模型建立及参数选择

模型：

试样模型尺寸150mm×100mm，网个划分为150×100个基元。采用平面应力问题，整个加载过程通过位移加载方式。加载位移量△s=0.002mm.力学性质参数如下表：

表1基元的力学参数、相变准则均质度弹性模量强度Poisson自重1.5600002000.250摩擦角