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1、1/74,主要内容,FLAC3D软件简介 FLAC3D的基本原理 FLAC3D的前后处理 流-固耦合分析 接触单元与应用 完全非线性的动力分析 自定义本构模型的基本方法 结构单元及应用,2/74,主要内容,FLAC3D软件简介 FLAC3D的基本原理 FLAC3D的前后处理 流-固耦合分析 接触单元与应用 完全非线性的动力分析 自定义本构模型的基本方法 结构单元及应用,3/74,FLAC3D简介,Fast Lagrangian Analysis of Continua 美国Itasca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 3.0
2、 Itasca其他软件,4/74,FLAC3D简介,应用： 岩土力学分析，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,5/74,主要内容,FLAC3D软件简介 FLAC3D的基本原理 FLAC3D的前后处理 流-固耦合分析 接触单元与应用 完全非线性的动力分析 自定义本构模型的基本方法 结构单元及应用,6/74,基本原理,有限差分法 Lagrangian网格 空间混合离散技术 Lagrangia
3、n格式动量平衡方程 FLAC3D的求解过程 FLAC3D的本构模型,7/74,有限差分法,古老的方法(上世纪40年代) 用差分格式转化控制方程中的微商格式 流体力学；土工渗流问题；固结 FDM & FEM的混合求解 FDM的新进展,8/74,Lagrangian网格,源自流体力学中的拉格朗日法 跟踪流体质点的运动状态 跟踪固体力学中结点，按时步用Lagrangian法研究网格节点的运动 节点和单元随材料移动，边界和接触面与单元的边缘一致 固体力学大变形理论,法国数学家、物理学家拉格朗日,9/74,空间混合离散技术,结构域离散为可由四面体单元组合形成的五面体或六面体等单元 以 为基本单元(常应力
4、、常应变) 体应变的计算： 偏应变的计算：,10/74,空间混合离散技术,+,/2,=,11/74,Lagrangian格式动量平衡方程,F(t),m,牛顿运动定律,对于连续体,在静力平衡条件下，加速度项为0，方程变为平衡方程,12/74,Case-1自由落体的模拟,G = mg,S = 1/2gt2 = 20m,命令流： config dyn gen zon bri size 1 1 1 ini x mul 0.1 y m 0.1 z m 0.1 model elas prop bulk 3e8 shear 1e8 ini dens 1000 set grav 0 0 -10 solve a
5、ge 2,13/74,Case-1自由落体的模拟(movie),14/74,FLAC3D的求解过程,15/74,FLAC3D中的本构模型,开挖模型null 3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）,16/74,FLAC3D中的本构模型,17/74,主要内容,FLAC3D软件简介 FLAC3D的基本原理 FLAC3D的前后处理 流-固耦合分析 接触单元与应用 完全非线性的动力分析 自定义本构模型的基本
6、方法 结构单元及应用,18/74,FLAC3D的前后处理,命令驱动(推荐) 程序控制 图形界面接口 计算模型输出 指定本构模型及参数 指定初始条件及边界条件，指定结构单元 指定接触面 指定自定义变量及函数(FISH) 求解过程的变量跟踪 进行求解 模型输出,19/74,菜单驱动(计算模式),命令栏,20/74,菜单驱动(Plot),21/74,Case-2 一个最简单的例子,gen zon bri size 3 3 3 ;建立网格 model elas ;材料参数 prop bulk 3e8 shear 1e8 ini dens 2000 ;初始条件 fix z ran z -.1 .1 ;边
7、界条件 fix x ran x -.1 .1 fix x ran x 2.9 3.1 fix y ran y -.1 .1 fix y ran y 2.9 3.1 set grav 0 0 -10 solve ;求解 app nstr -10e4 ran z 3 x 1 2 y 1 2 solve,RUN FLAC3D,22/74,前后处理功能的优点,多种zone类型 后处理快捷、方便、丰富 计算过程中的hist变量动态显示 FISH可进行参数化模型设计 单元状态的可编程 计算暂停时的后处理与可保存,23/74,前后处理功能的缺点,复杂模型的建模功能不强 可以编程导入其他软件形成的网格(比如：
8、Ansys、Adina、GeoCAD) 无等值线的后处理功能(3D) 可编程将.sav文件写入TecPlot等其他后处理软件 全命令操作，学习困难 鼠标功能单一(双击取击点坐标),24/74,主要内容,FLAC3D软件简介 FLAC3D的基本原理 FLAC3D的前后处理 流-固耦合分析 接触单元与应用 完全非线性的动力分析 自定义本构模型的基本方法 结构单元及应用,25/74,流-固耦合分析(单相流),基本功能 理论框架 计算模式 渗流边界条件，初始条件 单渗流计算及渗流耦合计算,26/74,基本功能,渗流各向同性、各向异性 不同的渗流模型和属性 流体压力，涌入量，渗漏量和不渗水边界 抽水井、
9、点源、体积源 饱和渗流可采用显式差分法、隐式差分法 非饱和渗流采用显式差分法 渗流-固体-热的耦合 流体和固体的耦合程度依赖于土体颗粒(骨架)的压缩程度，用Biot系数表示颗粒的可压缩程度。 循环荷载引起的动水压力变化和土体液化。,27/74,理论框架,准静态Biot理论 多孔介质中遵循Darcy定律的单相渗流 描述多孔介质中流体渗流的变量 孔隙水压力，饱和度，特定排水向量的三个分量 质量守恒定律 达西定律 本构定律 考虑流体响应孔隙水压力改变，饱和度改变，体积应变改变和温度改变,28/74,流-固耦合的计算模式,无渗流模式 孔压计算 有渗流模式 瞬态渗流分析 流-固耦合计算,29/74,无渗
10、流模式,不设置CONFIG Fluid 孔压不改变 INITIAL pp WATER table WATER density SET gravity WATER table face 手动设置干湿密度,设置CONFIG fluid 瞬态渗流分析 有效应力计算 不排水计算 设置土体干密度 渗流模型 MODEL fl_isotropic MODEL fl_anisotropic MODEL fl_null,渗流模式,30/74,渗流边界条件，初始条件,默认的边界条件是不透水边界 孔隙压力自由(不透水边界 ) 固定孔隙水压力(透水边界) 如：井 孔隙压力，孔隙率，饱和度和流体属性的初始分布可以用IN
11、ITIAL命令或者PROPERTY命令定义。,31/74,单渗流计算及渗流耦合计算,时间比例 完全耦合分析方法 孔压固定分析(有效应力分析) 单渗流得到孔压分布 无渗流计算孔压的力学响应 流-固耦合计算,32/74,时间比例(scale),力学过程的特征时间 流体扩散过程的特征时间,33/74,完全耦合分析方法,时间比例 短期行为 (不排水) ts(分析时间)tc 施加扰动的属性 流体扰动：渗流可不与力学过程耦合 力学扰动：耦合等级取决于流固刚度比 流固刚度比,34/74,单渗流得到孔压分布,用途：排水沟；抽水井；耦合计算 计算步骤 CONFIG fluid SET mech off SET
12、fluid implicit on/off MODEL fl_; PROP STEP; SOLVE age; SET fluid ratio SET fluid off mech on PROP biot_c 0 (or INI fmod 0),35/74,无渗流计算孔压的力学响应,不排水短期响应 两种分析方法：干法和湿法 干法：Ku=K+a2M 两种破坏形式 WATER或INI获得常孔压，不排水的c, (孔压改变较小) =0,c=cu (MK+4/3G) 湿法：耦合体系的短期行为 使用排水的K, c, 若SET fluid off, Biot_mod(fmod)真实,36/74,流-固耦合计
13、算,CONFIG fluid; M(Kf); K(渗透系数) 真实，则FLAC3D默认耦合计算 pv vp 预估流/力特征时间 耦合计算前先达到一个平衡状态 SET fluid on mech off; SET fluid off mech on; STEP SET mech force; SET mech substep n auto; SET fluid substep m (=1) STEP:渗流步足够小,37/74,Case-3真空预压的简单模拟,孔压边界条件 tstc 长期分析(排水) Rk1 骨架很软 孔压扰动 进行biot_mod调整,砂层,软土层,粘土层,PVD,2m,8m,1
14、0m,Data file:,38/74,数值分析过程(movie),39/74,主要内容,FLAC3D软件简介 FLAC3D的基本原理 FLAC3D的前后处理 流-固耦合分析 接触单元与应用 完全非线性的动力分析 自定义本构模型的基本方法 结构单元及应用,40/74,接触面单元的用途,岩体介质中的解理、断层、岩层面 地基与土体的接触 箱、槽及其内充填物的接触 空间中无变形的固定“障碍”,41/74,接触面的原理,三角形单元(无厚度!) 参数较多 三种工作模式 粘结界面 粘接滑移 库伦滑动,42/74,接触单元模型的建立(1),关键要形成同一位置的两个节点(面) “移来移去”(推荐) 建两个分开
15、的模型 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,43/74,接触单元模型的建立(2),“导来导去” 利用expgrid, impgrid命令进行网格导出与导入 配合DELETE命令 适于内部接触面的建立，或 其他前处理工具建立的网格,44/74,“导来导去”具体方法,save 1.sav del ran grop 2 not Interface 1 face save 2.sav rest 1.sav del ran group 2 expgrid 1.fac3d rest 2.sav impgrid 1.flac3d,45/74,接触面参数的确定
16、,虚构的为了合并节点而设置的接触面 Kn=ks=10* 真实的刚性接触面 如料仓下料 c,D,Tension重要，kn,ks不重要 真实的柔性接触面 断层；水力劈裂材料 试验得到参数 对于kn,ks：岩石断层10100MPa/m(粘土); 100GPa(岩石) 反分析方法：通过断层中岩石的变形与原岩的变形,46/74,主要内容,FLAC3D软件简介 FLAC3D的基本原理 FLAC3D的前后处理 流-固耦合分析 接触单元与应用 完全非线性的动力分析 自定义本构模型的基本方法 结构单元及应用,47/74,完全非线性的动力分析,特点 动力荷载 动力边界条件 地震波的调整 动孔压的生成,48/74,FLAC3D动力分析特点,完全非线性分析 遵循任何指定的非线性本构关系 不同频率间会出现干涉和混合 模拟不可恢复的位移和永久变形 合适的塑性理论，塑性应变增量与应力有关 易进行不同本构模型的对比分析,49/74,动力
