FLAC3D在岩土工程中的应用(西安2012.1.7)

FLAC3D在岩土工程中的应用中国科学院计算所教育中心徐帮树系主任/副教授山东大学岩土与结构工程研究中心山东大学城市地下空间工程系2012年1月7-9日西安2主要内容软件介绍快速入门基本原理静力计算FISH语言接触面单元结构单元及应用流固耦合分析非线性动力分析自定义本构模型3软件介绍FastLagrangianAnalysisofContinua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→3.1软件介绍—使用特征命令驱动模式：界面操作/人机交互专一性:专为岩土工程而开发本构模型12个（1个空/3个弹性/8个塑性）计算模式5种（静力/动力/蠕变/渗流/温度）结构单元6种（梁/锚杆/桩/壳/格栅/衬砌）界面单元节理/断层/虚拟物理边界机理分析绘图/时步函数开放性：命令驱动模式/fish/C++软件介绍—计算特征混合离散法离散集成法动态松弛法：完全动态运动方程在模拟物理上的不稳定过程不存在数值上的障碍显式差分法:非线性/大变形/刚度矩阵6软件介绍—应用范围岩土工程/采矿工程土木建筑/交通/地质/石油/环境/核电/水利工程岩土体渐进破坏和崩坍现象断层结构影响和加固系统固结过程流变现象地下存储效果变形局部化剪切带演化动力稳定分析岩土体与结构相互作用分析振动液化现象不足之处求解时间受网格尺寸的影响很大某些模式下的计算求解时间很长前处理功能较弱可以克服！！!软件介绍8主要内容软件介绍快速入门基本原理静力计算FISH语言接触面单元结构单元及应用流固耦合分析非线性动力分析自定义本构模型快速入门—图形界面快速入门—分析的基本组成部分生成网格单元设置边界条件定义材料性质设置初始条件初始地应力平衡加载及连续建模求解输出计算结果建立分析模型模拟求解快速入门—简单分析命令概要功能命令功能命令清除/调用命令文件NewCall初始平衡计算求解Step/SolveSetmech/grav生成网格GenerateImpgrid/Expgrid执行变更Model/PropertyApply/Fix定义本构关系/性质ModelProperty计算结果保存及应用SaveRestore定义边界/初始条件Apply/FixInital图形绘制及结果输出PlotHist快速入门—文件类型.dat命令文件call记事本.fis二次开发call记事本.tmp临时文件自动消失.sav结果文件restore.log日志文件记事本.flac3d网格文件Impgrid记事本快速入门—成果输出图片输出记录结果输出histidnhnstep=nkeyword…xyzhistidnhnstep=nkeyword…id=nhistwritenhist1nhist2…nhistnkeyword记事本编辑14快速入门—一个最简单的例子genzonbrisize333;建立网格(前处理)modelelas;材料参数propbulk3e6shear1e6inidens2000;初始条件fixzranz-.1.1;边界条件fixxranx-.1.1fixxranx2.93.1fixyrany-.1.1fixyrany2.93.1setgrav00-10solve;求解appnstr-10e4ranz3x12y12solveploconzd;后处理切片功能RUNFLAC3D例2.1快速入门—收敛标准和变量解释常用标准不平衡力比10exp(-5)/不平衡力/典型内力自定义标准不平衡力网格节点速度塑性区标识shear-n/shear-ptension-n/tension-p历时曲线例2.116主要内容软件介绍快速入门基本原理静力计算FISH语言接触面单元结构单元及应用流固耦合分析非线性动力分析自定义本构模型17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18基本原理—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19基本原理—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20基本原理—空间混合离散技术+/2=21基本原理—Lagrangian格式动量平衡方程F(t)duFmamdtijiijdugdtx,,uuum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22基本原理—FLAC3D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23基本原理—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/软化遍布节理模型、双屈服面塑性模型、修正剑桥模型和胡克布朗模型24岩石各向同性的岩石材料胡克-布朗模型粘土变形和抗剪强度是体变的函数修正剑桥模型轻胶结的粒状材料，在压力作用下导致永久体积减小双屈服面塑性模型层状材料破坏后研究具有非线性材料硬化或软化的层状材料双线性应变硬化/软化遍布解理模型松散沉积地层中的开挖具有强度各向异性的层状材料(即板岩)遍布解理模型破坏后研究(失稳过程，立柱屈服，顶板崩落)存在非线性硬化或软化的粒状材料应变硬化/软化摩尔-库仑模型岩土力学通用模型(边坡稳定性分析，地下开挖)松散或胶结的粒状材料：土，岩石，混凝土摩尔-库仑模型与隐式有限元程序相比的常用模型极限分析，底摩擦角的软粘土德鲁克-普拉格模型不超过强度极限的层压材料横观各向同性弹性(即板岩)横观各向同性弹性不超过强度极限的柱状玄武岩正交各向同性材料正交各向同性弹性低于强度极限的人工材料(如钢铁)；安全系数计算均匀各向同性的线形本构关系线弹性模型孔洞，开挖，后续施工材料(如回填)空空模型实际应用材料特性模型岩石各向同性的岩石材料胡克-布朗模型粘土变形和抗剪强度是体变的函数修正剑桥模型轻胶结的粒状材料，在压力作用下导致永久体积减小双屈服面塑性模型层状材料破坏后研究具有非线性材料硬化或软化的层状材料双线性应变硬化/软化遍布解理模型松散沉积地层中的开挖具有强度各向异性的层状材料(即板岩)遍布解理模型破坏后研究(失稳过程，立柱屈服，顶板崩落)存在非线性硬化或软化的粒状材料应变硬化/软化摩尔-库仑模型岩土力学通用模型(边坡稳定性分析，地下开挖)松散或胶结的粒状材料：土，岩石，混凝土摩尔-库仑模型与隐式有限元程序相比的常用模型极限分析，底摩擦角的软粘土德鲁克-普拉格模型不超过强度极限的层压材料横观各向同性弹性(即板岩)横观各向同性弹性不超过强度极限的柱状玄武岩正交各向同性材料正交各向同性弹性低于强度极限的人工材料(如钢铁)；安全系数计算均匀各向同性的线形本构关系线弹性模型孔洞，开挖，后续施工材料(如回填)空空模型实际应用材料特性模型基本原理—FLAC3D中的本构模型25主要内容软件介绍快速入门基本原理静力计算FISH语言接触面单元结构单元及应用流固耦合分析非线性动力分析自定义本构模型26前后处理基本前后处理命令操作菜单操作外界模型的导入复杂模型的网格检查27菜单驱动(前处理/计算模式)命令栏28FLAC3D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模型输出前后处理功能的优点13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：Ansys、Adina、ABQUS、GeoCAD)无等值线的后处理功能(3D)可编程将.sav文件写入TecPlot/Surfer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)FLAC3D网格模型FLAC3D网格模型FLAC3D的建模功能不是很强大，一般用ANSYS/ABQUS建模，然后导入FLAC3D，可以通过编写接口程序实现。FLAC3DGridGenerationwithANSYS+AutoCAD33外界模型的导入复杂网格的生成难度大接口编写不同软件之间的精度差异Group的定义采用.flac3d的文件格式.flac3d文件的格式G11.0e+001.0e+001.0e+00ZB812345678ZGROUPSoil123impgrid&expgrid仅限于网格FLAC3D网格单元数据形式L5.1例5.335外界模型导入实例AutoCAD辅助建模Ansys建模Ansys模型数据导出Ansys_command-ywd.dat/APDLFlie—Readinputfrom生成node-01.dat和elem-02.dat数据格式转换myansytoflac2.exe得到flaczone.FLAC3D得到FLAC3D模型Flie—Importgridflaczone.FLAC3DSavgeo.sav后处理—查看分析结果云图、矢量图、曲线、数据和动画等值线图TecPlot/SurferPlot命令格式/快捷键分组：PLOTblockgroup/界面方式出色背景：Ctrl+G/界面方式快捷键：缩放/旋转/平移图形输出到文档（word）图形窗口：【Edit】/【Copytoclipboard】（建议使用：矢量图）命令窗口：【File】/【PrintType】/【JpgFile】【File】/【PrintSetup】/【JpgFile】【File】/【Print】/【1Base0】例6.1SetplotjpgSetploquality100Pothardfile1.jpg后处理—查看分析结果后处理—查看分析结果初始地应力结果后处理Plocon/bcon应力云图PLOTconszz/界面方式Plocon/bconPLOTconszzouon;显示网格PLOTconszzefon;有效应力PLOTconszzinter1e4;改变云图显示增量PLOTconszzmax-10e3;改变应力最大值PLOTbconszzPLOTcon节点/单元（插值）PLOTbcon单元（检查）PLOTbconpropbu例6.1后处理—施加荷载后的计算结果变形云图：ploconzd/szzouonmagf20动态显示ploskmagf20变形矢量图：ploskdisscale0.7塑性区分布：plotblockstateshear/tension-p/statenowprintzonestate变量监测:plothist2vs3根据坐标指定/根据ID号指定sethist_rep1监测数据导出histwrite7vs8file6-3hist.txt结果输出:printapply,fish,gp,group,history,model,zone等？setlogon/setlogfile6-1.log切片操作(插值)：plosetplaneori01.50norm010ploconzdplane/ploaddske,di