FLAC-FLAC3D基础与应用-陈育民.ppt
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1、FLAC/FLAC3D基础与应用基础与应用陈育陈育陈育陈育民民民民河海大学土木与交通学院河海大学土木与交通学院河海大学土木与交通学院河海大学土木与交通学院20152015年年年年6 6月月月月2 2日日日日河海大学研究生课程岩土数值分析1关于教师关于教师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:2关于教材关于教材3关于课程关于课程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
2、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
3、4课程目的课程目的什么是FLAC?为什么要用FLAC?FLAC能做什么?FLAC为何这么流行?怎么学FLAC?5课堂课堂“作业作业”研究生课程岩土数值分析上课学生调查6课堂课堂“作业作业”7什么是什么是FLAC?Fast Lagrangian Analysis of Continua8为什么要用为什么要用FLAC?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:软件软件论文数量论文数量FLAC650ABAQUS278ANSYS206PLAXIS61ADINA41PFC171UDEC73Updated on June 2,20159为什么要用为什么要用FLAC?检索期刊:Journal
4、of Geotechnical and Geoenvironmental EngineeringGeotechniqueCanadian geotechnical JournalSoils and foundations 关键词:Updated on June 2,2015 软件软件论文数量论文数量FLAC31ABAQUS23ANSYS5PLAXIS14ADINA0PFC2UDEC910为什么要用为什么要用FLAC?检索期刊:GEO*SOILS*关键词:Updated on June 2,2015 软件软件论文数量论文数量FLAC88ABAQUS50ANSYS27PLAXIS74ADINA3P
5、FC12UDEC1611FLAC能做什么?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国际通用的岩土工程专业分析程序专业分析程序12FLAC为何这么流行?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课程安排课程安排第一讲:基本介绍、
6、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)15题外话题外话“虚拟虚拟”与与“现实现实”16现实的复杂与虚拟的简化现实的复杂与虚拟的简化17是否一定要是否一定要“像像”18我们也做过很像的东西我们也做过很像的东西19认清土体数值分析的影响因素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,经复杂的网格往往会把核心问题覆盖掉,经常会造成计算结果无法解释
7、。常会造成计算结果无法解释。20虚拟是简单的世界虚拟是简单的世界现实中的桩现实中的桩虚拟的桩虚拟的桩21虚拟是简单的世界虚拟是简单的世界冰碛土体结构模拟结果冰碛土体结构模拟结果台阶坡面上的砾石产出状态台阶坡面上的砾石产出状态22小结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23第一讲第一讲FLAC3D基本介绍、静力分析、前后处理基本介绍、静力分析、前后处理24软件介绍软件介绍Fast Lagrangian Analysis of C
8、ontinua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 3.14.05.02D版本:DOS版4.05.06.07.025FLAC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.Shearstrainratecontours26FLAC3D-与FLAC类似,是FLAC的三维版本-与FLAC拥有相同的优点upstreamd
9、ownstream 27基本特点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)隧道工程28可选模块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+定义自己的模型核废料
10、储存中的热力学研究问题核废料储存中的热力学研究问题29FLAC/FLAC3D基本原理基本原理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。30Lagrangian法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
11、致固体力学大变形理论法国数学家、物理学家拉格朗日 31混合离散技术混合离散技术+/2=每个每个 为常应力为常应力/应变应变:体积应变由整个四边形算出体积应变由整个四边形算出.应变偏量则有两个三角形应变偏量则有两个三角形 和和 分别算出分别算出(混合离散混合离散 过程过程)解题过程中网格坐标按照解题过程中网格坐标按照“拉格朗日方式更新拉格朗日方式更新”(网格随材料移动网格随材料移动),且为且为显式显式(一个时步内局部变化不会影响邻域一个时步内局部变化不会影响邻域)32混合离散技术混合离散技术FLAC3D混和离散混和离散+/2=33FLAC3D混和离散混和离散n结构域离散为可由四面体单元组合形成的
12、五面体或六面体等单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元;n以以 为基本单元为基本单元(常应力、常应变常应力、常应变););n体应变的计算:体应变的计算:;n偏应变的计算:偏应变的计算:.34动态松弛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:时步的选择阻尼效应 35显式算法显式算法显式解与隐式解的比较显式解与隐式解的比较显式显式,逐时推进逐时推进隐式隐式,静态静态1.无需进行反复迭代来实现非线无需进行反复迭代来实现非线性
13、本构关系性本构关系.2.类似问题求解时间呈类似问题求解时间呈 N3/2 规规律增长律增长3.物理非稳定性不会引起数值物理非稳定性不会引起数值不稳定性不稳定性.4.因为无需储存矩阵,用较小因为无需储存矩阵,用较小内存即可模拟大尺度问题内存即可模拟大尺度问题.5.对大位移、大应变问题同样适对大位移、大应变问题同样适合,无需额外的计算合,无需额外的计算.1.需进行反复迭代来实现非线性需进行反复迭代来实现非线性本构关系本构关系 2.类似问题求解时间呈类似问题求解时间呈 N2 甚至甚至 N3规律增长规律增长.3.难以模拟物理非稳定性问题难以模拟物理非稳定性问题.4.需存储刚度矩阵,需克服相关需存储刚度矩
14、阵,需克服相关的带宽问题,需要的内存较大的带宽问题,需要的内存较大.5.对大位移、大应变问题需进行对大位移、大应变问题需进行大量的计算大量的计算.36New 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37New Features in FLAC3D Version 3.11.多处理器的并行计算功能 2.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3.对四面体单元采用
15、新的混合离散方法“Nodal Mixed Discretization”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38New 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39Lagrangian格式动量平衡方程格式动量平衡方程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40自由落体的模拟自由落体的模拟G=mgS=1/2gt2=20m命令流:命令流:config dyn
16、gen zon bri size 1 1 1ini x mul 0.1 y m 0.1 z m 0.1model elasprop bulk 3e8 shear 1e8ini dens 1000set grav 0 0-10solve age 241自由落体的模拟自由落体的模拟(movie)42FLAC3DFLAC3D中模型术语中模型术语中模型术语中模型术语节点gridpoint:节点zone:单元boundary:边界43FLAC3D的求解过程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44FLAC3D中的本构
17、模型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45FLAC3D中的本构模型中的本构模型46一个最简单的例子一个最简单的例子gen zon bri size 3 3 3 ;建立网格(前处理)model elas ;材料参数prop bulk 3e6 shear 1e6ini dens 2000 ;初始条件fix z ran z-.1.1 ;边界条件fix x ran x-.1.1f
18、ix x ran x 2.9 3.1fix y ran y-.1.1fix y ran y 2.9 3.1set grav 0 0-10solve ;求解app nstr-10e4 ran z 3 x 1 2 y 1 2solveplo con zd ;后处理切片功能RUN FLAC3D47分析问题的过程分析问题的过程建立网格建立网格初始条件初始条件边界条件边界条件初始应力平衡初始应力平衡外荷载外荷载求解求解前处理前处理后处理后处理48FLAC3DFLAC3D的文件格式的文件格式的文件格式的文件格式n保存文件保存文件(*.sav)含有所有状态变量和用户定义条件的二进制文件 n数据文件数据文件(
19、*.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 nFISH文件文件(*.fis)FISH程序文件nFLAC3D文件文件(*.flac3d)FLAC3D的网格信息文件n历史记录文件历史记录文件(*.his)记录输入输出历史值的文件 n图形文件图形文件 图形文件(各种标准格式)n电影文件电影文件(*.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
20、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50弹性求解弹性求解模型尺寸单元数量密度KGu112(m3)112200030MPa10MPa0.35gen zon bri size 1 1 2m elasprop bulk 3e7 shear 1e7fix z ran z 0fix x ran x 0fix x ran x 1fix y ran y 0fix y ran y 1ini dens 2000set grav 0 0-10solveStep=162s sz=-40e3s sx=-21.54e351更改强度参数的弹塑性求解更改强度参数的弹塑性求解模型尺寸单元数量密度
21、KGcfu112(m3)112200030MPa10MPa10kPa150.35gen zon bri size 1 1 2model mohrprop bulk 3e7 shear 1e7 c 1e10 f 15 ten 1e10fix z ran z 0fix x ran x 0fix x ran x 1fix y ran y 0fix y ran y 1ini dens 2000set grav 0 0-10solveprop bulk 3e7 shear 1e7 c 10e3 f 15 ten 0solveStep=163s sz=-40e3s sx=-21.54e3Or:solve
22、elastic52设置初始应力的弹塑性求解设置初始应力的弹塑性求解模型尺寸单元数量密度KGcfu112(m3)112200030MPa10MPa10kPa150.35gen zon bri size 1 1 2model mohrprop bulk 3e7 shear 1e7 c 10e3 f 15 ten 0fix z ran z 0fix x ran x 0fix x ran x 1fix y ran y 0fix y ran y 1ini dens 2000ini szz-40e3 grad 0 0 20e3 ran z 0 2ini syy-20e3 grad 0 0 10e3 ran
23、 z 0 2ini sxx-20e3 grad 0 0 10e3 ran z 0 2set grav 0 0-10solveStep=0s sz=-40e3s sx=-20e353存在水压力的初始应力生成存在水压力的初始应力生成(1)模型尺寸单元数量饱和密度KGcfu水位线孔隙率112(m3)112200030MPa10MPa10kPa150.351m0.5gen zone brick size 1 1 2model mohrprop bulk 3e7 shear 1e7 coh 10e3 fri 15 ten 0fix z ran z 0fix x ran x 0fix x ran x 1f
24、ix y ran y 0fix y ran y 1ini dens 2000 ran z 0 1ini dens 1500 ran z 1 2ini szz-35e3 grad 0 0 20e3 ran z 0 1ini syy-22.5e3 grad 0 0 15e3 ran z 0 1ini sxx-22.5e3 grad 0 0 15e3 ran z 0 1ini szz-30e3 grad 0 0 15e3 ran z 1 2ini syy-15e3 grad 0 0 7.5e3 ran z 1 2ini sxx-15e3 grad 0 0 7.5e3 ran z 1 2ini pp
25、10e3 grad 0 0-10e3 ran z 0 1set grav 0 0-10solveStep=0s sz=-35e3s sx=-22.5e3r rd=r rs nsr rf54存在水压力的初始应力生成存在水压力的初始应力生成(2)模型尺寸单元数量饱和密度KGcfu水位线孔隙率112(m3)112200030MPa10MPa10kPa150.351m0.5config fluidgen zon bri size 1 1 2model elasprop bu 3e7 sh 1e7ini dens 1500model fl_isoini fdens=1000 fmod 0prop por
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