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1、FLAC/FLAC3D基础与应用,陈育民 河海大学土木与交通学院 2015年6月2日,1,河海大学研究生课程岩土数值分析,关于教师,2002年本科毕业于中国矿业大学 2007年博士毕业于河海大学 2013.7-2014.7美国普渡大学访问学者 2015.22015.5日本东京大学访问学者 研究方向： 土动力学与岩土地震工程 土木工程防灾减灾 岩土工程数值分析 联系方式：,关于教材,3,关于课程,2005-11-29 河海土木院研究生会组织 2006-10-13 同济大学土木工程学院 2006-10-26 河海大学金水节 2007-04-15 东南大学交通学院 2007-07-18 同济大学土木
2、工程学院 2007-11-03 河海大学岩土所组织FLAC学术沙龙 2007-11-29 河南工业大学 2008-11-15 河海大学河海金水节培训 2010-11-10 河海大学校庆报告 2011-06-18 河海大学举办ITASCA技术与应用专题（南京）研讨会 2011-10-16 河南理工大学 2011-11-03 南京工业大学交通学院 2011-11-24 河海大学土木与交通学院研究生会 2011-06-18_ITASCA技术与应用专题（南京）研讨会 2012-08-31_解放军理工大学FLAC讲座,4,课程目的,什么是FLAC？ 为什么要用FLAC？ FLAC能做什么？ FLAC为何
3、这么流行？ 怎么学FLAC？,课堂“作业”,研究生课程岩土数值分析上课学生调查,6,课堂“作业”,7,什么是FLAC？,Fast Lagrangian Analysis of Continua,8,为什么要用FLAC？,9,检索期刊： 岩土工程学报 岩土力学 岩石力学与工程学报 关键词：,Updated on June 2, 2015,为什么要用FLAC？,10,检索期刊： Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering Geotechnique Canadian geotechnical Journal Soils and f
4、oundations 关键词：,Updated on June 2, 2015,为什么要用FLAC？,11,检索期刊： GEO* SOILS* 关键词：,Updated on June 2, 2015,FLAC能做什么？,岩土工程中的绝大多数问题 土力学、岩石力学、防灾减灾、隧道、地下空间等 采矿工程中的大部分问题 水工结构中的部分问题 结构工程,国际通用的岩土工程专业分析程序,12,FLAC为何这么流行？,Charles Fairhurst 美国工程院、瑞典皇家工程院院士，国际岩石力学学科和岩石力学学会创始人之一，历任国际岩石力学学会主席和副主席，国际岩石力学学会Muller奖、美国岩石力学
5、学会终生成就奖获得者。 Peter Cundall 美国工程院、英国皇家工程院院士，国际资深计算岩石力学学家。,13,课程安排,第一讲：基本介绍、静力分析、前后处理 第二讲：接触面、FISH语言、流固耦合分析 第三讲：动力分析、自定义本构、结构单元 第四讲：FLAC（2D）基本介绍与应用实例 讨论,14,课程要求,了解FLAC的基本概念 了解FLA的适用范围和缺陷 了解深入学习FLAC的方法 会用FLAC分析简单的路堤填筑问题（考题）,题外话 “虚拟”与“现实”,现实的复杂与虚拟的简化,是否一定要“像”,我们也做过很像的东西,认清土体数值分析的影响因素,复杂的网格往往会把核心问题覆盖掉，经常会
6、造成计算结果无法解释。,虚拟是简单的世界,现实中的桩,虚拟的桩,虚拟是简单的世界,冰碛土体结构模拟结果,台阶坡面上的砾石产出状态,小结,数值分析要对实际工程进行大量的、细心的简化，从效率和结果两方面保证数模分析的成果 结果的判断，需要深入扎实的理论功底及“丰富”的工程经验 数值分析的作用从“锦上添花”到“雪中送炭”，在于各位的努力，指日可待,第一讲,FLAC3D基本介绍、静力分析、前后处理,24,软件介绍,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) 3D版本：DOS版2
7、.0 2.1 3.0 3.14.05.0 2D版本：DOS版4.05.06.07.0,25,FLAC,大应变、小应变计算模式. 丰富的本构模型、提供自定义的本构模型功能 接触面可以模拟不同材料的接触 流固耦合实现土体的固结与渗流 拥有各种功能的结构单元类型，模拟土与结构的相互作用 强大的动力分析功能. 流变分析，拥有粘弹性模型和粘塑性模型 热力学分析.,26,Shear strainrate contours,FLAC3D,27,与FLAC类似，是FLAC的三维版本 与 FLAC拥有相同的优点,upstream,downstream,基本特点,内置材料模型 连续介质非线性，大应变模拟 显式解题
8、方案，为不稳定物理过程提供稳定解 界面或滑动面用来模拟可产生滑动或分离的离散面，从而模拟断层，节理或摩擦边界 内置材料模型丰富： 零模型, 三个弹性模型 (各向同性，横观各向同性和正交各向异性), 八个朔性模型 (德鲁克-布拉格, 摩尔-库伦, 应变硬化/软化，单一节理，双线性应变硬化/软化单一节理, 双屈服，修正剑桥粘土，霍克-布朗),28,可选模块,可选模块包括: 热力学,热-力学耦合,热-流体-力学耦合包括热传导和对流; 粘弹,粘朔性(蠕变)材料模型; 动力学分析,并可以模拟静边界和自由域 使用C+定义自己的模型,29,核废料储存中的热力学研究问题,FLAC/FLAC3D基本原理,FLA
9、C/FLAC3D利用有限差分，显示方案，动态松弛方法模拟连续体的非线性力学行为： 即使对准静态问题，程序仍然求解完整的动力学方程。这种方法的好处在于可以为物理非稳定过程例如塌方提供稳定解； 在 “松弛”方法中，使用阻尼来吸收动能以模拟系统的“静态”反应。 这种方法可以用比其它方案如解矩阵法更为真实有效地模拟塌方问题。,30,Lagrangian法,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,31,法国数学家、物理学家拉格朗日,混合离散技术,32,
10、+,/2,=,每个,为常应力/应变:,体积应变由整个四边形算出,. 应变偏量则有两个三角形,和,分别算出,(混合离散 过程),解题过程中网格坐标按照“拉格朗日方式更新” (网格随材料移动), 且为显式 (一个时步内局部变化不会影响邻域),混合离散技术,FLAC3D混和离散,33,+,/2,=,FLAC3D混和离散,34,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、常应变); 体应变的计算： ; 偏应变的计算： .,动态松弛,动态松弛法 在动态松弛法中，网格点根据牛顿运动定律运动. 网格点的速度与该点的不平衡力呈正比. 这种求解方法所决定的一系列位移将把系
11、统带入平衡状态，或表明破坏模式. 在动态松弛法中有两个因素很重要: 时步的选择 阻尼效应,35,显式算法,显式解与隐式解的比较,36,显式,逐时推进,隐式, 静态,1.无需进行反复迭代来实现非线性本构关系 . 2. 类似问题求解时间呈 N3/2 规律增长 3. 物理非稳定性不会引起数值不稳定性. 4. 因为无需储存矩阵，用较小内存即可模拟大尺度问题. 5.对大位移、大应变问题同样适合，无需额外的计算 .,1.需进行反复迭代来实现非线性本构关系 2.类似问题求解时间呈 N2 甚至 N3规律增长. 3.难以模拟物理非稳定性问题. 4.需存储刚度矩阵，需克服相关的带宽问题，需要的内存较大 . 5.对
12、大位移、大应变问题需进行大量的计算 .,New Features in FLAC Version 6.0,使用Intel Fortran compiler拥有更快的计算速度 自动网格重画功能，解决 bad-geometry 问题. 新的模拟颗粒土材料的硬化模型 更新的通用网格生成工具,37,New Features in FLAC3D Version 3.1,多处理器的并行计算功能 新结构单元类型 “Embedded Liner” 提供两个方向的接触作用，可以很好地模拟挡土墙 对四面体单元采用新的混合离散方法 “Nodal Mixed Discretization” 提供塑性问题更精确的解答
13、64位程序 包含命令手册、FISH手册和应用实例的帮助,38,New Features in FLAC3D Version 4.0,模拟颗粒状材料的硬化模型 自动网格重画功能，解决 bad-geometry 问题. 改进的interface 更快的渗流计算 更新的动力计算功能,39,Lagrangian格式动量平衡方程,40,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,自由落体的模拟,41,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
14、 0.1 z m 0.1 model elas prop bulk 3e8 shear 1e8 ini dens 1000 set grav 0 0 -10 solve age 2,自由落体的模拟(movie),42,FLAC3D中模型术语,43,节点,gridpoint：节点 zone：单元 boundary：边界,FLAC3D的求解过程,44,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个弹塑性模型 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
15、模型、修正剑桥模型和胡克布朗模型,45,FLAC3D中的本构模型,46,一个最简单的例子,gen zon bri size 3 3 3 ;建立网格(前处理) model elas ;材料参数 prop bulk 3e6 shear 1e6 ini dens 2000 ;初始条件 fix z ran z -.1 .1 ;边界条件 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
16、 1 2 solve plo con zd ;后处理 切片功能,47,RUN FLAC3D,分析问题的过程,48,建立网格,初始条件,边界条件,初始应力平衡,外荷载,求解,前处理,后处理,FLAC3D的文件格式,保存文件 (*.sav) 含有所有状态变量和用户定义条件的二进制文件 数据文件 (*.dat) 数据文件由用户创建的一种ASC格式的文件，它包括一系列的用于描述所分析问题的FLAC3D命令 FISH文件(*.fis) FISH程序文件 FLAC3D文件(*.flac3d) FLAC3D的网格信息文件 历史记录文件 (*.his) 记录输入输出历史值的文件 图形文件 图形文件(各种标准格式) 电影文件 (*.dcx) AVI或PCX图像文件，这些图像文件可以当作电影放映,49,初始应力的生成
