flac3D蠕变基础知识

flac3D蠕变基础知识蠕变模型将flac3d的蠕变分析option进行了简单的翻译，目的是为了搞清楚蠕变过程中系统时间是如何跟真实时间对应的。1.简介Flac3d可以模拟材料的蠕变特性，即时间依赖性，flac3d2.1提供6种蠕变模型：1.经典粘弹型模型modelviscous2.modelburger3.modelpower4.modelwipp5.modelcvisc6.powe蠕变模型结合M-C模型产生cpow蠕变模型（modelcpow）7.然后WIPP蠕变模型结合D-P模型产生Pwipp蠕变模型（modelpwipp）；8modelcwipp以上模型越往下越复杂，第一个模型使用经典的maxwell蠕变公式，第二个模型使用经典的burger蠕变公式，第三个模型主要用于采矿及地下工程，第四个模型一般用于核废料地下隔离的热力学分析，第五个模型是第二个模型的M-C扩展，第六个模型是第三个模型的M-C扩展，第七个模型是第四个模型的D-P扩展，第八个模型也是第四个模型的一种变化形式，只是包含了压硬和剪缩行为。2.flac3d解流变问题2.1简介流变模型和flac3d其他模型最大的不同在于模拟过程中时间概念的不同，对于蠕变，求解时间和时间步代表着真实的时间，而一般模型的静力分析中，时间步是一个人为数量，仅仅作为计算从迭代到稳态的一种手段来使用。2.2flac3d的蠕变时间步长对于蠕变等时间依赖性问题，flac3d容许用户自定义一个时间步长，这个时间步长的默认值为零，那么材料对于粘弹性模型表现为线弹性，对于粘塑性模型表现为弹塑性。（命令setcreepoff也可以用来停止蠕变计算。）这可以用来在系统达到平衡后再开始新的蠕变计算。蠕变公式中包含时间，所以计算中时间步长对程序响应有影响。虽然用户可以对时间步进行设置，但并不是任意的。蠕变过程由偏应力状态控制，从数值计算的精度来讲，最大蠕变时间步长可以表示成材料粘性常数和剪切模量的比值：Forthepowerlaw----------省略。FortheWIPPlaw-----------省略Forthecviscmodel,上面方程应该写成：tmax=min(ηK/GK，ηM/GM)上标K和M分别代表Kelvin和Maxwell。蠕变压缩的时间限制包括系统体积反应，并且估计为粘性和体积模量的比值。粘性可以表示为σ和体积蠕变压缩速率的比值。建议利用FLAC3D作蠕变分析开始时所采用的蠕变时间步，比根据上式算得的时间tmax小两到三个数量级。通过调用SETcreepdtautoon，可以利用自动时间步自动调整。作为一项规则，时间步的最大值（SETcreepmaxdt）不能超过tmax。用来计算tmax的应力σ大小，可由蠕变开始之前的初始应力状态决定。同样，σ作为vonMises不变量，可以用FISH函数计算。涉及体积变化响应的蠕变分析，其最大时间步长可以表示成材料粘性常数和体积模量的比值，这里粘性常数就是平均应力和蠕变体应变率的比值。一般flac3d推荐使用的初始蠕变时间步长比最大时间步长（由上述公式计算得到的）约小2到3个数量级。如果使用setcreepdtautoon命令，那么程序将自动调整蠕变的时间步长，同样应当记住通过命令（setcreepmaxdt）设置的最大蠕变时间步不能超过。2.3自动调整蠕变时间步长用户可以设置蠕变时间步为一个常数值，也可以使用setcreepdtautoon命令自动调节。如果时间步长自动变化，那么当最大不平衡力超过某一阀值时，它就会减小；当最大不平衡力小于某一水平时它就会增大。系统将该阀值定义为最大不平衡力和平均节点力的比值。对于即将求解的问题，先只考虑弹性效应，通过观察接近初始平衡状态时的不平衡力就可以大概知道整个问题的不平衡力大小。在有些算例中，又会尽量避免对时间步长的连续调整，这样的话，在某一次时间步长调整之后，可以定义一个“延迟阶段”（比如100步），在这一“延迟阶段”内不再发生进一步的时间步长调整。一般来说，为了适应开挖之类的瞬变，时间步长一开始是一个较小值，然后在模拟过程中增大，如果再发生瞬变，最好人工调小时间步长，然后让它自动增大。要解决问题的典型的不平衡力准则，可以通过观察只有弹性作用的初始阶段接近平衡时的不平衡力来决定。很多情况下通过逐渐增大或减小时间步可以达到很好的性能。（例如默认比值lmul=1.01和umul=0.90).一些情况下，最好避免对时间步进行连续调整，这可能产生“干扰”。为了达到这个目的，时间步发生改变后应有一个“等待时间”（比如：100步），让系统暂停，这段时间中时间步不做进一步调整。通常时间步开始与小的数值来适应短暂的过程比如开挖，然后随模拟进程增加。如果增加一个短暂过程，则需要手工减小时间步然后在让其自动增加。命令SETcreep用来设置时间步以及时间步自动调整所需要的参数。2.4蠕变模型的指令输入2.4.1flac3d命令Configcreep这个命令必须使用，以便开始蠕变分析。Historydt时间步长Crtime蠕变时间Modelviscous经典粘弹性模型Printcreep显示蠕变模型的参数信息Zoneprop显示分配给单元的材料属性Propertybulk（弹性体积模量，K）Shear（弹性剪切模量，G）Viscosity（动力粘性常数，）Setcreepaget使用solve求解蠕变问题，t是蠕变时间的限值。Setcreepdt**Setcreepmindt=**maxdt=**SetcreepDtAutoon/AutooffT就是蠕变时间步长，如果不进行赋值，则默认为mindt。Autoonautooff是自动调整时间步长开关，默认为关；设置为开时，要通过关键字lfob，ufob，lmul，umul和latency来控制时间步长。Lfobv不平衡力比率低于v值，则时间步长自动增大。默认为Ufobv不平衡力比率超过v值，则时间步长自动减小。默认为5.0*Lmulv不平衡力比率低于lfob，则时间步长自动乘以v值，lmul必须大于1，默认为1.01Umulv不平衡力比率超过ufob，则时间步长自动乘以v值，lmul必须小于1，默认为0.90Latencyv延长阶段的时间步数Maxdtv最大蠕变时间步长，默认没有限制，但是设置的时候最好不要超过Mindtv最小蠕变时间步长，默认为零On蠕变时间开关，一旦确认蠕变分析（configcreep）则默认为开OffTimet蠕变开始的时间，默认为tSolveagetconfigcreep后，t为蠕变计算的时间限值FISH中可以用的变量crdt--------creeptimestepcrtime--------creeptime2.4.2property经典粘弹性（Maxwell介质）—MODELviscous(1)bulk弹性体积模量,K(2)shear弹性抗剪模量,G(3)viscosity动态粘滞度,ηBurger’sModel—MODELburger(1)bulk弹性体积模量,K(2)kshear开尔文抗剪模量,GK(3)kviscosity开尔文粘性系数,ηK(4)mshear麦斯韦尔剪切模量,GM(5)mviscosity麦斯韦尔粘性系数,ηMBurger-Creep粘塑性模型—MODELcvisc(1)bulk弹性体积模量,K(2)cohesion内聚力,c(3)dilation膨胀角,ψ(4)friction内摩擦角,φ(5)kshear开尔文抗剪模量,GK(6)kviscosity开尔文粘性系数,ηK(7)mshear麦斯韦尔剪切模量,GM(8)tension极限抗拉强度,σt(9)mviscosity麦斯韦尔粘性系数,ηM3.蠕变的例子－FLAC3D处理二维问题（采用蠕变模型）newgenzonebricksize8122p000-6p14.20-6p201-6p3005pause；建立模型inter1facerangex4.14.3y01z-65；加3个接触面inter2facerangex04.2y01z-5.9-6.1inter3facerangex-.1.1y01z5-6pause；genzonebricksize30122p04.20-6p1500-6p24.21-6p34.205ratio1.0511pause；genzonebricksize12010p00,00p1010p2-2000p3005ratio11.11pause；genzonebricksize12201p0000p100-6p2-2000p3010ratio11.11pause；genzonebricksize30201p04.20-6p1500-6p24.20-55p34.21-6ratio1.051.11pause；genzonebricksize8201p000-6p14.20-6p200-55p301-6ratio11.11pause；genzonebricksize20201p000-6p100-55p2-200-6p301-6ratio1.11.11pause；groupsoil；定义组groupexca1rangex-200y01z35groupexca2rangex-200y01z03groupmixingpilesrangex04.2z-65；边界约束fixxrangex-19.9-20.1fixxrangex50.149.9fixyfixzrangez-55.1-54.9=============================================configcreep；启动蠕变模块defburcalbkk=bme/(3*(1-2*b1))‘bkk——k(体积模量);bme——E（弹性模量）；b1——泊松比；bk1=bke/(2*(1+b1))‘bke——bk2=bme/(2*(1+b1))‘bk2——G（剪切模量）；bme——E（弹性模量）；b1——泊松比；kshear开尔文抗剪模量,GKbvis1=vis1‘vis——kviscosity开尔文粘性系数,ηKbvis2=vis2endsetbme=1.35714setbke=3.25714setb1=0.35setvis1=1.35714setvis2=19.2857burcalmodelmohrangegroupmixingpiles；定义本构modelburgerrangegroupsoilanygroupexca1anygroupexca2anypropbb1kshbkemshbmekvisvis1mvisvis2rangegroupsoilanygroupexca1anygroupexca2anyprops1e9b2e9c2e10rangegroupmixingpiles；赋材料属性inidens=1900rangegroupmixingpiles；定义密度inidens=1800rangegroupsoilanygroupexca1anygroupexca2anyinter1propfric40kn1e8ks1e8ten0；给接触面赋材料属性inter2propfric40kn1e8ks1e8ten0inter3propfric40kn1e8ks1e8ten0setgrav00-10；重力加速度inisyy-4.5e4grad000.9e4；初始应力平衡inisxx-4.5e4grad000.9e4iniszz-9e4grad001.8e4pause;初试平衡求解前solvepause;初试平衡求解结果inixdis0ydis0zdis0；初始位移为零============================================setcreepmindt=1e-2maxdt=1setcreepon；开启蠕变计算hisunbalhisgpxdis0.0.55hiscrtimemodelnullrangegroupexca1；开挖第一步solvea