FLACD数值模拟基础

FLAC3D数值模拟在采矿工程的应用主要内容FLAC3D软件简介FLAC3D数值模拟在岩土工程的应用2FLAC3D简介美国Itasca（依泰斯卡）咨询公司开发2D程序(1986)1990年代初引入中国有限差分法(FDM)DOS版→2.0→2.1→3.03FLAC3D简介应用：岩土力学/岩石力学分析，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41承受荷载能力与变形分析：用于边坡稳定和基础设计2渐进破坏与坍塌反演：用于硬岩采矿和隧道设计3断层构造的影响研究：用于采矿设计4施加于地质体锚索支护所提供的支护力研究：岩锚和土钉的设计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：挡土墙结构的地下水流动和土体固结研究6粘性材料的蠕变特性：用于碳酸钾盐矿设计7陡滑面地质结构的动态加载：用于地震工程和矿山岩爆研究8爆炸荷载和振动的动态响应：用于隧道开挖和采矿活动9结构的地震感应：用于土坝设计10由于温度诱发荷载所导致的变形和结构的不稳定：高辐射废料地下埋藏的性能评价12大变形材料分析：用于研究粮仓谷物流动及井巷和矿洞中材料的总体流动FLAC3D简介5基本原理开始生成网格并调整网格的形状；持续的运动和连续的物质属性；特定的边界条件和初始条件。到达平衡状态效果是否符合要求作如下改变：开挖模型的物质属性改变边界条件实施求解效果是否符合要求参数是否调整结束网格确定问题的几何尺寸；持续的运动和连续的物质属性决定了模型的扰动（如由于开挖引起的变形）形式；边界条件和初始条件确定了模型的初始状态（没有引起扰动或变形的状态）。建立FLAC计算模型，必须进行以下三个方面的工作：

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

完成上述工作后，可以获得模型的初始平衡状态，也就是模拟开挖前的原岩应力状态。然后，进行工程开挖或改变边界条件来进行工程的响应分析。

6基本原理有限差分法Lagrangian网格空间混合离散技术Lagrangian格式动量平衡方程FLAC3D的求解过程FLAC3D的本构模型7FLAC3D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8FLAC3D中的本构模型开挖模型null3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）9FLAC3D中的本构模型10FLAC3D的前后处理术语水平边界压力结构线模型边界格网点格网区域水平边界压力滚动底端边界内部开挖边界区域（Zone）……有限差分划分的带在几何上是最小的区域，在在这个区域里的每一个现象的变化，如应力应变都可以估计出，。各种形状的多面体（立方体、楔形、锥体、四面体等）可用来构造模型并可用plot显示出来。每一个多面体可能有一套或两套表层设置，这由5个四面体组成。默认的情况下，两个表层设置用在对计算精度要求高的情况下，区域的另外一种叫法是要素。栅格点（GridPoint）……栅格点是有限差分单元的角点。一个多面体可能有5个、6个、7个或8个网格点，主要取决于多面体的形状。给定每个节点的x，y和z值这样就具体确定了有限差分单元，。其他叫法有：节点，交点。有限差分栅格（FiniteDifferenceGrid）……有限差分网格是研究区域中一个或多个通过物理边界连接的有限差分单元的集合。另一个叫法是网格，有限差分网格也可以标识出模型中每个状态的存储位置，FLAC3D所生成的矢量都保存在节点上（如：受力、速度、位移）。标量和张量保存在单元的中心（如应力、材料属性）。11FLAC3D的前后处理术语水平边界压力结构线模型边界格网点格网区域水平边界压力滚动底端边界内部开挖边界模型边界（ModelBoundary）……即有限差分网格的外围，内部边界也同样是模型边界（如网格中的空洞）。边界条件（BoundaryCondition）……即模型边界的约束条件或控制条件的给定（如：限制位移、渗透条件、绝热条件）。初始条件（InitialConditions）……即在对模型加载或开挖等作用前的各种参数状态。基本模型（ConstitutiveModel)……基本模型（材料模型）即规定了FLAC3D模型中某一区域的变形或强度效应，可用大量基本模型去近视地质材料，可以单独定义FLAC3D模型中的基本模型和材料模型。空单元（NullZone）……空单元表示此区域为空（就象没有材料一样）。次级网格（SUB-GRID）……有限差分网格可由次级网格组成，它可用来在模型中创建不同形状的区域，次级网格是分别生成，可进行合并和连接。12FLAC3D的前后处理术语水平边界压力结构线模型边界格网点格网区域水平边界压力滚动底端边界内部开挖边界附属接触面ATTACHEDFACES……附属栅格面是由被划分的次级栅格组成的网格接触或合并的面栅格面，接触面必须是共面或接触，每个面的节点不一定一样，不同总密度的次级网格可以接触。接触面INTERFACE------即次级网格在计算过程中可以分开（滑动，开裂）的两部分之间的面，可表示不连续的物理特征，如，断层，节理面或材料性质突变的临界面。范围INTERFACE------范围是对FLAC3D模型空间值的一个描述，可给定一个命令的作用范围，即使模型发生运动---不影响模型中的区域和节点位置，一个范围或范围确定的单元也不发生改变。范围或范围内的单元所包含的区域，也可以用一个单元的ID号来表示，它与区域，节点，或结构单元密切联系。集合GROUP-----在FLAC3D模型中他们有共同的名称，由于限定具体命令的对象，如model命令对某一集合设置为某种材料，任何命令加于集合名称也就相当于作用于这一集合的所有区域。13FLAC3D的前后处理术语水平边界压力结构线模型边界格网点格网区域水平边界压力滚动底端边界内部开挖边界ID号码IDNUMBER-----FLAC3D模型中的单元以ID号加以区分，下面的单元有ID号；内部面、节点、区域、体积、历史、表格、显示项和结构单元的全部内容。这帮助用户确定模型中的单元，可用porint命令获得ID号，用户可给内部面、结构单元、历史等赋ID号。实体结构单元同样也有CID号，系统给每一个网格，单元都创建了一个CID号，这与梁，柱等不一样。结构单元STRUCTURALELEMENT------在FLAC3D中有两种结构单元。二结点，线性单元表示梁，柱作用。三结点，三角平面单元表示面状，结构单元用来模拟土体或岩体中结构支护的相互作用。非线性材料作用可用单元表示。每一结构单元实体（梁，柱，面体）包括三个内容：结点、单个单元（也叫sels）和网格连线，这些内容的不同可区别出梁、桩、面体的作用。步STEP------因为在FLAC3D是具体代码，问题的计算须分步进行，随步长的增加，现象的有关信息在研究区域传递。对于静态分析，需要给一个具体的步，让其达到平衡状态，典型的问题计算在2000-4000步之间，其他叫法有时间步，循环次。14FLAC3D的前后处理术语水平边界压力结构线模型边界格网点格网区域水平边界压力滚动底端边界内部开挖边界静态解答STATICSOLUTION-----如果模型中动量变化率小于了某一可忽略的值，就认为静态或类静态出现了，这通过限定运动方程实现，静态就是模型达到应力平衡，或流体材料受外力后从不稳定到稳定。这种分析方法在FLAC3D中是默认的分析方法，机械的静态分析也可与地下水渗透或热传递问题结合（通过特定设置后，动态问题可由带约束的静态分析代替）。非平衡力UNBALANCEDFORCE-------非平衡力标征静态分析达到机械平衡（或塑性变形前），严格的说平衡时每个节点上的应力矢量都为0。最大应力会自动被监测，当击活step或solve命令时，其值会显示在屏幕上。最大网格力也叫非平衡力或抗平衡力，非平衡力在数值上永远也不能达到0，当最大非平衡力相对加载的力很小时，我们就认为模型达到了平衡状态，如果非平衡力一直保持某一非0值，这就说明模型中可能发生了破坏或塑性变形。15FL辞AC3D的前后宝处理术语水平边界压力结构线模型边界格网点格网区域水平边界压力滚动底端边界内部开挖边界动态诱解答腰DY梳NA事MI婚C逼SO禾LU坊TI墨ON--购--钓--视在动苹态分签析中盯，求抛解所哄有动渔态方惨程，赖动量币的产养生和叛消耗句都将长产生受直接锡影响无，在玩高频盛率发肯生或躲持续驱时间饼很短录的过弦程中支用到挂，如牵地震叛或爆狠炸。足动态掀计算直是F器LA卖C3查D的戏一个辨可选粘模块床。大应庸变/伪小应诵变L县AR常GE傍S足TR赠AI拿N/捷SM辉AL亚L河ST失RA疯IN--蜂--艺--决--窄FL云AC厘3D趁默认择的都感是小押应变钩，也脖就是谈说，织即使愉计算甩出来谁的位酬移相童对通栽常区劫域尺痰寸很轻大，循节点贺也不叔发生窝相应珍位移膝。大链应变朵中，家节点执根据劣每一效步计饲算出粱的位霞移量特发生演位移妖。几并何非单线性维只有敲用大详应变跑才能薄实现爽。16FL毙AC3D的前后森处理命令伪驱动糖(推占荐)程序猜控制图形队界面奴接口计算嚷模型境输出指定务本构辈模型没及参御数指定川初始件条件粪及边屑界条充件，串指定瓜结构厉单元指定骨接触烦面指定歌自定冠义变导量及惭函数涉(F州IS拥H)求解旅过程诉的变详量跟追踪进行纱求解模型围输出17前后弯处理脾功能缴的优腿点多种丛zo判ne膝类型后处孤理快鸽捷、团方便建、丰朵富计算蓄过程绕中的午hi养st蚕变量究动态剥显示计算糊暂停坚时的哑后处怠理与朝可保毛存18前后纪处理赠功能错的缺农点复杂鸣模型蝇的建荐模功疲能不基强可以皆编程屠导入拖其他榴软件骨形成享的网特格(缘瑞比如匀：A载ns繁ys勾、A新di杆na阴、G赴eo滨CA秧D)全命灰令操啦作，刻学习萍困难19FL韵AC3D数值束模拟在岩猪土工踪蝶程的汤应用1、FL坏AC真3D忍进核行数释值分恼析的犬步骤在进叙行岩辨土力许学分宋析的小时候狂，遇抬到的屠地质佩条件华是相饱当复况杂的舌，怎愚样杨从繁姨多的睡条件慈中找飘出我坊们需夫要的凉数据缝进行秀简化爽并且辣与数访值模丢拟软骄件相言结织合分液析各孩种现炉象是闻进行仅数值周分析否的难前点。杂因此金在进蝇行数饱值分锁析时伟需纤要掌浆握一候定的显技巧册与步绍骤：（1糊）明湿确数印值模揭拟的逃目的复；（2支）建夏立并刃运行宗简单附的理盲想化浊模型介；（3捡）根未据模坑拟目锋的搜职集具房诚体问挨题的益数据悔；（4裳）加的载数遭据后块运行感详细替的模臂型；（5禽）在爬详细梦模型拔中设励置监舞测点缎并解机释所供分析柿的问责题。20FL峡AC3D数值墙模拟在岩娱土工窄程的副应用2、况实例眯分析2.荣1模堵型的串建立本次露模拟鸦的地暂质条忌件是畅：某旱矿，挽平均阴采深康3勇00述m，裳近水鸦平岩仅层，催开菌采厚造度徐5m暂，底韵板厚巾度郊25吃m，仁松散剑层厚洪度洒20选0m疑，岩浪层的学力学连性质砌见下宫表俱1。厕其三管维俩FL耻AC素模跳型如咳图怨2危所示童。21FL雅AC3D数值便模拟在岩启土工物程的苍应用22FL蛙AC3D数值泰模拟在岩弯土工吧程的辞应用由于管在校FL秒AC泳3D蛙中琴，使连用的吗岩体诉参数榨是体瓦积模序量捎K和欧剪切兆模量去G丹。慕所以赠我们飘需要膀把弹护性模软量任E繁和泊散松比歇μ转凑化成何体积病模量拥K雕和求剪切集模量雪G他，它元们的寒转化叼公式孟为：K=E/3(恼1灰-妥2μ)G=E/2(恋1适+μ)23FL咬AC3D数值辣模拟在岩抖土工贯程的社应用24FL缝AC3D数值兴模拟在岩此土工辅程的范应用2.2坊本惯构模秒型的签选取在进玩行模影拟时缓，采私用摩参尔-库仑挤（Mo棉hr数-C料ou斗lo匙mb）强阅度准膀则来健判断矿体与顶撇底板良的破夸坏机耕理。欺该准誓则基即本的题内涵涛为：逐岩石貌的剪撒切破颂坏是做由塞岩石雁破裂扑面产极生的件破坏轧剪应顾力受旗到岩匙石材螺料的弃内聚杏力和腿内摩亚擦力诊的朱抵抗河，当乞破裂钟面上含的破固坏剪俭应力砌大于莫岩石毒的内猛聚力逢和内袍摩擦屠力时惰，即Fs腹>0时，务材料桑发生娘剪切借破坏[4结]：25FL股AC3D数值备模拟在岩票土工托程的弃应用2.逐3边界纷条件踢的确带立模型磁的上圈覆岩陷层视科为连幅续介唯质，捞在分短析过春程中插不考梦虑构饰造应耻力对逆原岩驳应力鹅的影拉响，哪仅考溉虑岩贝体自蓄重引际起的作应力狂，即搅模型给处于墓静应贷力状折态钟。其从边界龙条件翻如下趣：①模学型的欲两侧斧和前替后限宗制水抵平方宵向的睁位移仆，即晚：u段=0只；②模援型的长底部预限制述水平界和竖珍直方情向的裹位移里，即教：u聚=0滨，v垦=0横；③模沾型顶管部设败为自落由边利界。262.4贪确唯定监很测点云位置在模肝型的泻走向肚主断挠面上捷设置柄监测文点，取点间税距离哭根据销下表倦进行倦选择倒：FL惠AC3D数值疤模拟在岩伍土工滨程的垒应用在本布文中脸模拟折的地汁质条凉件的叠采深膨为3删00亦m，蚕选取车的点逐间距提为2捷0m颠，所捷以在石地表劳移动包盆地药主断宏面上末每2税0m足设旗置一启个测戏点，你记录们其移桑动值皱，并姓对其氏由左芝到右新依次盾编号慢。27FL饿AC3D数值宁模拟在岩止土工贱程的僻应用2.5流模辞拟结拨果及广分析我们帖把模毯型中脖监测纲到的浇走向晕方向仔上各林点的鹊下沉道、斜参、曲劫率、狗水平渐移动屿、水优平变槽形值递以图肢表的六形式喊给出问，如子图3永~图毅7：28FL茫AC3D数值