西安离散元

ITASCA程序介绍西安2007-1-12-14目录•ITASCA及其专家介绍•FLAC/FLAC3D•UDEC/3DEC•PFC/PFC3D•PeterCundall博士，英国皇家工程院院士，FLAC和离散元法的创始人，世界著名计算岩石力学专家，Itasca系列软件设计总监。•PeterCundall博士分别于1966年和1971年获得英国伦敦帝国理工学院(ImperialCollege)电子工程学士和岩石力学博士学位，曾任Dames&Moore首席工程师，ITASAC咨询公司创始人之一。STAFF•CharlesFairhurst博士，美国工程院院士、瑞典皇家工程院院士，国际著名岩石力学、采矿工程、核废料隔离处理专家，国际岩石力学学科和国际岩石力学学会创始人之一，Itasca创始人之一。•CharlesFairhurst博士的职业生涯中获得了无数荣誉和显赫声望，历任国际岩石力学学会主席和副主席、北美岩石力学学会主席、美国岩石力学学会主席、美国能源部科技委员会成员，曾获国际岩石力学学会LeopoldMuller奖、美国岩石力学国家委员会颁发的“25年杰出成就奖”、美国地下空间协会颁发的Pergamon奖章、AIME杰出成就奖等。STAFF•RogerHart博士，Itasca软件开发与技术服务部主任。70年代初在俄亥俄大学获土木工程学士和硕士学位，1981年获明尼苏达大学土木工程博士学位。•RogerHart博士是Itasca系列岩土体工程软件(FLAC、FLAC/SLOPE、FLAC3D、UDEC、3DEC、PFC2D和PFC3D)的开发协调人，负责程序发的调度与监督、升级产品的测试；全面负责用户技术支持、技术培训和技术交流（包括国际研讨会）。STAFF•Capabilities•Capabilities•CapabilitiesFLAC有限差分公式FLAC基础即使对准静态问题，FLAC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。通过使用“松弛”方案中阻尼进行吸收动能来模拟系统地“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。基本原理简单的力学类比mF(t)牛顿运动定律dtudmamF对于连续体,该公式可一般化为ijijigxdtud这里=密度,xi=坐标矢量(x,y)ij=应力分量gi=重力加速度u,u,u基本原理应力-应变公式除了运动定律，连续介质必须遵守本构关系，即：应力应变关系弹性材料本构：一般地，形式如下：这里基本原理通用有限差分公式在有限差分方法中，前面方程式（运动和应力应变方程）中每一项导数由一个代数表达式来替代，该代数表达式将变量与网格中特定点联系起来；代数表达式是完全显示的，式右所有的量都是已知的。相应地，每个计算时步中FLAC网格的每个单元（网格域或网格点）都与它相邻点/域相隔离，这是计算循环的基础。基本原理基本显式计算循环平衡方程（运动方程)应力-应变关系(本构方程)对所有网格点(节点)对所有网格域（单元）LnFjiji新应力节点力高斯定理应变率速度ijijigxdtud基本原理FLAC四边形网格是由三角形组成。推导多边形的差分方程的方法如下：重叠单元带有速度矢量三角单元结点力矢量基本原理FLAC:针对所有单元...高斯定理，SAiidAxffdSn用来推导任意形状单元的有限差分公式：)b(iu节点速度ba)a(iu节点速度S对于多边形公式变为SiiSnfA1xf这个公式用来计算网格域应变增量，eij：txuxu21eSnuuA21xuijjiijSj)b(i)a(iji基本原理FLAC:对所有网格点...一旦所有应力被计算出以后，可以由作用于每个三角形边上的牵引力推导出网格点力。例如，然后，使用经典中心有限差分公式获得新的应力和位移：(…大应变)基本原理FLAC中的单元重叠和混合离散方法+/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“拉格朗日方式更新”（网格随材料移动），显式（一个时步内局部变化不会影响邻域）基本原理在时间域的求解方法位移u力FxF应力u数值网格显式所有单元:,ufF(非线性定律)所有节点:tmFu重复n时步时步中不用迭代一个时步内两个单元间没有信息传播假定位移(u)是固定的假定力(F)是固定的如下式成立即正确pminCxtp-波速隐式uKF单元FuKum全局每个时步求解整套方程非线性时每时步内需要迭代基本原理Methodscompared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.对大位移、大应变问题需进行大量的计算。基本原理安装FLAC的系统要求处理器–1GHz硬盘–至少要有100M的空间随机存取存储器–启动FLAC并使用GIIC至少需要60M的内存用户可根据需要增加内存显示器–屏幕分辨率1024x768像素，16-字节调色版操作系统–任何安装Windows98及以上版本的因特尔计算机基本原理基本特征基本特征基本特征FLAC与通用有限元软件的比较基本特征•FLAC/FLAC3D可解决众多有限元程序（包括ANYSY）难以模拟的复杂的工程问题，例如大变形大应变，非线性及非稳定系统(甚至大面积屈服/失稳或完全塌方)。•FLAC/FLAC3D系列程序采用的显式拉格朗日算法和混合-离散分区技术能够非常准确模拟材料的塑性破坏和流动。由于无须形成刚度矩阵，因此，基于较小内存空间就能够求解大范围的三维问题。•FLAC/FLAC3D几乎涵盖了岩土工程涉及到的所有材料模型库：包括“NULL(空)”模型，三种弹性模型(各向同性，横观各向；同性和正交各向异性)，七个塑性模型(莫尔库仑塑性模型、应变硬化/软化模型、双线性模型、应变硬化/软化模型、通用节理模型、双屈服模型和改进的剑桥粘土模型)。•FLAC/FLAC3D自动三维网格生成器使用预定义形状生成内部交叉区域(例如，交叉隧道)；其分块建模的思想避免了ANSYS中的布尔操作失败。•FLAC/FLAC3D可以模拟结构单元如隧道衬砌，桩，排桩，锚索，岩石锚杆等与周围岩石或土的相互作用。•FLAC/FLAC3D提供可相界面(interface)来模拟滑移面或分离面，因此(相界面)可用来模拟断层，节理或摩擦边界。基本特征FLAC程序特点：•连续介质大应变模拟，并提供可选择的相界面来模拟滑移面或分离面；•显式计算方案，能够为非稳定物理过程提供稳定解；•地下水流动与力学计算完全耦合(包括负孔隙水压，非饱和流及相界面计算)；•通用边界条件设定方便；•结构单元(包括非线性锚索)与连续介质的普遍耦合；•材料模型库(例如：弹性模型，莫尔库仑塑性模型，通用节理模型，双屈服模型，粘性及应变软化模型)；•预定义材料性质，用户也可增加他们自己的材料性质设定并储存到数据库中；•一系列可选择模块，包括：热力学及蠕变计算，动力学分析模型，二相流模型等，用户还可用C++建立自己的模型；•物体间滑移和开口界面(适用于连续介质和结构单元)；•与无限弹性边界的耦合；•任何性质参数的统计分布；•用户可用内部语言(FISH)增加自己定义的各种特性(如：新的本构模型，新变量或新命令)。基本特征FLAC3D程序特点：•显式计算方案，能够为非稳定物理过程提供稳定解；•可选择模块包括：热力学及蠕变计算，动力学分析功能及用户可用C++定义自己的模型；•可设定所有性质参数的连续梯度或统计分布；•边界条件和初始条件的方便设定；•可定义地下水高度以计算有效应力；•地下水流动与力学计算进行完全耦合(包括负水压，非饱和流以及相面条件)；•用内在编程语言(FISH)来增添用户自定义特征；•使用多种工业标准化格式图形输出，包括PostScript,BMP,JPG,PCX,DXF(AutoCAD),EMF和用来剪切-粘贴操作的剪贴版。基本特征建立高级二/三维连续介质模型，对岩石，土和结构支护系统进行岩土工程分析连续介质非线性，大应变模拟；显式解体方案，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界面，从而模拟断层，节理或摩擦边界。浅隧道的建造产生的位移FLAC&FLAC3D基本特征建立高级二/三维连续介质模型，对岩石，土和结构支护系统进行岩土工程分析内质材料模型：•零模型；•三个弹性模型（各向同性，横观各向同性和正交各项异性）；•八个塑性模型（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、邓肯张）；用户使用FISH(FLAC)定义自己的模型；任意性质的连续梯度或统计分布。支护开挖FLAC&FLAC3D基本特征建立高级二/三维连续介质模型，对岩石，土和结构支护系统进行岩土工程分析内置编程语言(FISH)添加用户自定义特征；FLAC和FLAC3D可以通过TCP/IP链接与其他程序进行耦合计算；边界/初始条件设置方便。连接连个主隧道的服务隧道的模型网格FLAC&FLAC3D基本特征建立高级二/三维连续介质模型，对岩石，土和结构支护系统进行岩土工程分析根据地下水位进行有效应力计算；进行流固完全耦合计算（包括负孔隙水压、非饱和流动和浸润面条件）；模拟结构单元，如隧道衬砌、桩、锚索、岩石锚杆或地质格珊与周围岩土介质的相互作用。喷射混凝土，锚索及土钉支护开挖FLAC&FLAC3D基本特征建立高级二/三维连续介质模型，对岩石，土和结构支护系统进行岩土工程分析使用预定义形状自动生成三维网格(FLAC3D)，可以创建交叉内部区域（如交叉隧道）；FLAC拥有完全图形用户界面；FLAC3D拥有部分图形用户界面（用来进行绘图和文件操作）；大量绘图特征—等值线、矢量、张量等；工业标准格式图形输出（包括PostScript、BMP、JPG、PCX、DXF(AutoCAD)、EMF等），并可以用剪贴板进行图形剪切和粘贴。浅隧道的顺序开挖和支护FLAC&FLAC3D基本特征建立高级二/三维连续介质模型，对岩石，土和结构支护系统进行岩土工程分析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、粘塑性（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。桩支护码头的液化破坏FLAC&FLAC3D可选模块FLAC接触面模型FLAC(或连续介质程序)根据节理密度采用不同模拟方法，两种极端情况可如下处理单个或被隔离不连续面多个，封闭包装块体“接触面”“单一节理”问题接触面•接触面代表可以发生滑移或分离的面：-节理,断面或断层-土与基础间相互作用-不同材料间接触面•连接具有不同网格域尺寸的区域•弹塑库仑滑移：-接触面的拉伸分离-轴向刚度以避免网格域间相互贯穿接触面力学模型接触面两边物体上每一个节点拥有接触面的长度L，从而可以将应力转换成力L，由如下方法算出物体1物体2A1D1E2B1C1C2B2A2D2LB2LC2LB1LD2LC1LD1线性模型n=-Knun=-Ksus=max(max,)sgn()max=ntanf+cFn=nLFs=L[Kn]=应力/位移接触面单元步骤1.使用网格生成命令形成接触面2.挖空该区域3.将网格移到一起4.生成接触面intnasidefromi1,j1toi2,j