FLAC-FLAC3D基础与应用全部

GeoHohaiFLAC/FLAC3D基础与应用陈育民副教授河海大学土木与交通学院Email:[e-mail]1河海大学，2011年11月24日GeoHohai几个问题•什么是FLAC？•为什么要用FLAC？•FLAC能做什么？•FLAC为何这么流行？•怎么学FLAC？GeoHohai什么是FLAC？•FastLagrangianAnalysisofContinua3连续介质拉格朗日算法快速GeoHohai为什么要用FLAC？4Abaqus：745条Plaxis：80条ADINA：310条GeoHohaiFLAC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5GeoHohaiFLAC为何这么流行？•CharlesFairhurst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、美国岩石力学学会终生成就奖获得者。•PeterCundall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。6GeoHohai怎么学习FLAC？7问：好学不？答：好学！问：难不？答：难！GeoHohai报告安排•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8GeoHohai第一讲FLAC3D基本介绍、静力分析、前后处理9GeoHohai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)•3D版本：DOS版→2.0→2.1→3.0→3.14.0•2D版本：DOS版4.05.06.07.010GeoHohaiFLAC1.大应变、小应变计算模式.2.丰富的本构模型、提供自定义的本构模型功能3.接触面可以模拟不同材料的接触4.流固耦合实现土体的固结与渗流5.拥有各种功能的结构单元类型，模拟土与结构的相互作用6.强大的动力分析功能.7.流变分析，拥有粘弹性模型和粘塑性模型8.热力学分析.11ShearstrainratecontoursGeoHohaiFLAC3D12-与FLAC类似，是FLAC的三维版本-与FLAC拥有相同的优点upstreamdownstreamGeoHohai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)13隧道工程GeoHohai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14核废料储存中的热力学研究问题GeoHohaiFLAC/FLAC3D基本原理•FLAC/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。15GeoHohaiLagrangian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16法国数学家、物理学家拉格朗日GeoHohai混和离散技术FLAC混和离散17+/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)GeoHohaiFLAC3D混和离散18+/2=GeoHohaiFLAC3D混和离散19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：.GeoHohai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:1.时步的选择2.阻尼效应20GeoHohai显式算法显式解与隐式解的比较21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.GeoHohaiNewFeaturesinFLACVersion6.0•使用IntelFortrancompiler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22GeoHohaiNewFeaturesinFLAC3DVersion3.11.多处理器的并行计算功能2.新结构单元类型“EmbeddedLiner”提供两个方向的接触作用，可以很好地模拟挡土墙3.对四面体单元采用新的混合离散方法“NodalMixedDiscretization”提供塑性问题更精确的解答4.64位程序5.包含命令手册、FISH手册和应用实例的帮助23GeoHohaiNewFeaturesinFLAC3DVersion4.0•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24GeoHohaiLagrangian格式动量平衡方程25F(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GeoHohai自由落体的模拟26G=mgS=1/2gt2=20m命令流：configdyngenzonbrisize111inixmul0.1ym0.1zm0.1modelelaspropbulk3e8shear1e8inidens1000setgrav00-10solveage2GeoHohai自由落体的模拟(movie)27GeoHohaiFLAC3D中模型术语28节点gridpoint：节点zone：单元boundary：边界GeoHohaiFLAC3D的求解过程29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GeoHohaiFLAC3D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、修正剑桥模型和胡克布朗模型30GeoHohaiFLAC3D中的本构模型31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GeoHohai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32RUNFLAC3DGeoHohai分析问题的过程33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GeoHohaiFLAC3D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ASCⅡ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34GeoHohai初始应力的生成•为什么要单独列出？–分析过程中出现的很多问题都与初始应力是否合理有关–手册中的例子五花八门–是所有后续分析的基础！！•生成方法–弹性求解–更改强度参数的弹塑性求解–设置初始应力的弹塑性求解–存在水压力的初始应力生成–水下建筑的初始应力生成35GeoHohai弹性求解模型尺寸单元数量密度KGu1×1×2(m3)1×1×2200030MPa10MPa0.3536genzonbrisize112melaspropbulk3e7shear1e7fixzranz0fixxranx0fixxranx1fixyrany0fixyrany1inidens2000setgrav00-10solveSt