离散元软件PFC入门指导.

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1、上海市徐汇区凯旋路3500号华苑大厦2号楼11层A座 (200030) Tel:021-64391516 Fax:021-64391506 www.CnT info PFC2D颗粒流软件培训 中仿科技有限公司 上海市徐汇区凯旋路3500号华苑大厦2号楼11层A座 (200030) Tel:021-64391516 Fax:021-64391506 www.CnT info 主要内容 第一部分 PFC2D颗粒流程序简介 第二部分 有限差分法基础介绍 第三部分 离散元法基础介绍 第四部分 PFC2D的使用 上海市徐汇区凯旋路3500号华苑大厦2号楼11层A座 (200030) Tel:021-64

2、391516 Fax:021-64391506 www.CnT info 第一部分 PFC2D颗粒流程序简介 1 、理论背景 2、颗粒流方法的基本假设 3、颗粒流方法的特点 4、可选特性 5、应用领域 6、求解步骤 上海市徐汇区凯旋路3500号华苑大厦2号楼11层A座 (200030) Tel:021-64391516 Fax:021-64391506 www.CnT info 作为离散元的一种，二维颗粒流程序(Particle Follow Code PFC2D)数值模拟新技术，其理论基础 是Cundall 1979提出的离散单元法，用于颗粒材 料力学性态分析，如颗粒团粒体的稳定、变形及本

3、构关系，专门用于模拟固体力学大变形问题。它通 过圆形(或异型)离散单元来模拟颗粒介质的运动及 其相互作用。由平面内的平动和转动运动方程来确 定每一时刻颗粒的位置和速度。作为研究颗粒介质 特性的一种工具，它采用有代表性的数百个至上万 个颗粒单元，通过数值模拟实验可以得到颗粒介质 本构模型。 1.理论背景理论背景 上海市徐汇区凯旋路3500号华苑大厦2号楼11层A座 (200030) Tel:021-64391516 Fax:021-64391506 www.CnT info PFC2D (Particle Follow Code 2 Dimension) 即二维颗粒流程序，是通过离散单元方法来模

4、拟圆 形颗粒介质的运动及其相互作用。最初，这种方法 是研究颗粒介质特性的一种工具，它采用数值方法 将物体分为有代表性的数百个颗粒单元，期望利用 这种局部的模拟结果来研究边值间题连续计算的本 构模型。以下两种因素促使PFC2D方法产生变革与 发展:(1)通过现场实验来得到颗粒介质本构模型相 当困难:(2)随着微机功能的逐步增强，用颗粒模型 模拟整个问题成为可能，一些本构特性可以在模型 中自动形成。因此，PFC2D便成为用来模拟固体力 学和颗粒流问题的一种有效手段。 上海市徐汇区凯旋路3500号华苑大厦2号楼11层A座 (200030) Tel:021-64391516 Fax:021-64391

5、506 www.CnT info 2、颗粒流方法的基本假设 颗粒流方法在模拟过程中作了如下假设: 1)颗粒单元为刚性体; 2)接触发生在很小的范围内，即点接触; 3)接触特性为柔性接触，接触处允许有一定的“ 重叠”量; 4) “重叠”量的大小与接触力有关，与颗粒大小 相比，“重叠”量很小; 5)接触处有特殊的连接强度; 6)颗粒单元为圆盘形(或球形)。 上海市徐汇区凯旋路3500号华苑大厦2号楼11层A座 (200030) Tel:021-64391516 Fax:021-64391506 www.CnT info 其中，颗粒为刚性体的假设，对于模拟介质 运动为只沿相互接触面的表面发生的问题非

6、常 重要，比如象砂土或粮食这种颗粒组合体材料 ，利用这种假设在总体上来讲是比较恰当的， 因为这种材料的变形是来自于颗粒刚性体间的 滑动和转动以及接触面处的张开和闭锁，而不 是来自于每个刚性颗粒本身的变形，对于这种 特殊材料，没有必要采用非常精确的数值模型 ，来得到对材料特性的近似。 上海市徐汇区凯旋路3500号华苑大厦2号楼11层A座 (200030) Tel:021-64391516 Fax:021-64391506 www.CnT info 3、颗粒流方法的特点 PFC2D可以直接模拟圆形颗粒的运动和相互作 用问题。颗料可以代表材料中的个别颗粒，例如砂 粒，也可以代表粘结在一起的固体材料，

7、例如混凝 土或岩石。当粘结以渐进的方式破坏时，它能够破 裂。粘结在一起的集合体可以是各向同性，也可以 被分成一些离散的区域或块体。这类物理系统可以 用处理角状块体的离散单元程序UDEC和3DEC来模拟 。 上海市徐汇区凯旋路3500号华苑大厦2号楼11层A座 (200030) Tel:021-64391516 Fax:021-64391506 www.CnT info PFC2D有三个优点： 第一、它有潜在的高效率。因为圆形物体间的 接触探测比角状物体间的更简单。 第二、对可以模拟的位移大小实质上没有限制 。 第三、由于它们是由粘结的粒子组成，块体可 以破裂，不象UDEC和3DEC模拟的块体不

8、能破裂。 用PFC2D模拟块体化系统的缺点是，块体的边 界不是平的，用户必须接受不平的边界以换取 PFC2D提供的优点。 上海市徐汇区凯旋路3500号华苑大厦2号楼11层A座 (200030) Tel:021-64391516 Fax:021-64391506 www.CnT info PFC2D中几何特征、物理特性和解题条件的说 明不如FLAC和UDEC程序那样直截了当。 例如用连续介质程序，创建网格、设置初始压 力、设置固定或自由边界。在象PFC2D这样的颗 粒程序中，由于没有唯一的方法在一个指定的空 间内组合大量的粒子，粒子紧密结合的状态一般 不能预先指定。必须跟踪类似于物体压实的过程

9、，直到获得要求的孔隙率。 由于颗粒相对位置变化产生接触力，初始应力 状态的确定与初始压密有关。由于边界不是由平 面组成，边界条件的设定比连续介质程序更复杂 。 上海市徐汇区凯旋路3500号华苑大厦2号楼11层A座 (200030) Tel:021-64391516 Fax:021-64391506 www.CnT info 当要求满足有实验室实际测试的模拟物体的 力学特性时，出现了更大的困难。在某种程度上 ，这是一个反复试验的过程，因为目前还没有完 善的理论可以根据微观特性来预见宏观特性。 然而，给出一些准则应该有助于模型与原型 的匹配，如哪些因素对力学行为的某些方面产生 影响，哪些将不产生影

10、响。应该意识到，由于受 现有知识的限制，这样的模拟很难。然而，用 PFC2D进行试验，对固体力学，特别是对断裂力学 和损伤力学，可以获得一些基本认识。 上海市徐汇区凯旋路3500号华苑大厦2号楼11层A座 (200030) Tel:021-64391516 Fax:021-64391506 www.CnT info PFC2D能模拟任意大小圆形粒子集合体的动态力 学行为。 粒子生成器根据粒子的指定分布规律自动 概率地生成。粒子半径按均匀分布或按高斯分 布规律分布。 初始孔隙度一般比较高，但通过控制粒子 半径的扩大可以获得密度压实。在任何阶段任 何因素都可以改变半径。所以不需反复试验就 可以获得

11、指定孔隙度的压实状态。 上海市徐汇区凯旋路3500号华苑大厦2号楼11层A座 (200030) Tel:021-64391516 Fax:021-64391506 www.CnT info 属性与各个粒子或接触有关，而不是与“类型号” 有关。 因此，可以指定属性和半径的连续变化梯度。“节 理生成器”用来修改沿指定轨迹线的接触特性。假定 这些线叠加在颗粒集合体上。用这种方法，模型可以 被成组的弱面，如岩石节理切割。 粒子颜色也是一种属性，用户可以指定各种标记方 案。 上海市徐汇区凯旋路3500号华苑大厦2号楼11层A座 (200030) Tel:021-64391516 Fax:021-6439

12、1506 www.CnT info PFC2D模型中为了保证数据长期不漂移，用双精 度数据存储坐标和半径。接触的相对位移直接根据 坐标而不是位移增量计算。接触性质由下列单元组 成： 1）线性弹簧或简化的Hertz-Mindlin准则； 2）库仑滑块； 3）粘结类型：粘结接触可承受拉力，粘结存 在有限的抗拉和抗剪强度。 可设定两种类型的粘结，接触粘结和平行粘结 。这两种类型粘结对应两种可能的物理接触：接 触粘结再现了作用在接触点一个很小区域上的附着 作用；平行粘结再现了粒子接触后浇注其它材料 的作用（如水泥灌浆）。平行粘结中附加材料的有 效刚度具有接触点的刚度。 上海市徐汇区凯旋路3500号华苑

13、大厦2号楼11层A座 (200030) Tel:021-64391516 Fax:021-64391506 www.CnT info 块体逻辑支持附属粒子组或块体的创建，促进 了程序的推广普及。块体内粒子可以任意程度的重叠 ，作为刚性体具有可变形边界的每一个块体，可作为 一般形状的超级粒子。通过指定墙的速度、混合的粒 子速度、施加外力和重力来给系统加载。“扩展的 FISH库”提供了在集合体内设置指定应力场或施加应 力边界条件的函数。时步计算是自动的，包括因为 Hertz接触模型刚度变化的影响。模拟过程中，根据 每个粒子周围接触数目和瞬间刚度值，时步也在变化 。基于估计的粒子数，单元映射策略采用

14、最佳的单元 数目，自动调整单元的外部尺寸来适应粒子缺失和指 定的新对象。单元映射方案支持接触探测算法以保证 求解时间随粒子数目线性增加，而不是二次方增加。 上海市徐汇区凯旋路3500号华苑大厦2号楼11层A座 (200030) Tel:021-64391516 Fax:021-64391506 www.CnT info 类似于FLAC，PFC提供了局部无粘性阻尼。这 种阻尼形式有以下优点： 1）对于匀速运动，体力接近于零，只有加速 运动时才有阻尼； 2）阻尼系数是无因次的； 3）因阻尼系数不随频率变化，集合体中具有 不同自然周期的区域被同等阻尼，采用同样的阻 尼系数。 PFC2D可以在半静态模

15、式下运行以保证迅速收 敛到静态解，或者在完全动态模式下运行。 PFC2D包含功能强大的内嵌式程序语言FISH， 允许用户定义新的变量和函数使数值模型适合用 户的特殊需求。例如，用户可以定义特殊材料的 模型和性质、加载方式、实验条件的伺服控制、 模拟的顺序以及绘图和打印用户定义的变量等。 上海市徐汇区凯旋路3500号华苑大厦2号楼11层A座 (200030) Tel:021-64391516 Fax:021-64391506 www.CnT info 4、可选特性 1）热学分析 2）并行处理技术 3）能写用户定义接触模型 4）用户写C+程序的C+编程。 上海市徐汇区凯旋路3500号华苑大厦2号楼

16、11层A座 (200030) Tel:021-64391516 Fax:021-64391506 www.CnT info 热学选项用来模拟材料内热量的瞬间流动和热 诱导位移和力的顺序发展。热学模型可以独立运行 或耦合到力学模型。通过修改粒子半径和平行粘结 承受的力，产生热应变来解释粒子和粘结材料的受 热。 用户定义的接触本构模型可以用C+语言来编写 ，并编译成动态链接库文件，一旦需要就可以加载 。 用户写的C+程序选项允许用户用C+语言写自 己的程序，创建可执行的PFC2D个人版本。这个选 项可以用来代替FISH函数，大大提高运行的速度。 并行处理技术允许将一个PFC2D模型分成几个部 分，每个部分可以在单独的处理器上平行运行。与 一个PFC2D模型在一个处理器上运行相比，平行处 理在内存容量和计算速度方面得到大大提高。 上海市徐汇区凯旋路3500号华苑大厦2号楼11层A座 (200030) Tel:021-