FLAC3D基础介绍.ppt

FLAC3D在岩土工程中的应用 报告人 陈育民导师 刘汉龙河海大学岩土工程研究所ymch lakewater 2 74 主要内容 FLAC3D软件简介FLAC3D的基本原理FLAC3D的前后处理流 固耦合分析接触单元与应用完全非线性的动力分析自定义本构模型的基本方法结构单元及应用 3 74 FLAC3D简介 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 0Itasca其他软件 4 74 FLAC3D简介 应用 岩土力学分析 例矿体滑坡 煤矿开采沉陷预测 水利枢纽岩体稳定性分析 采矿巷道稳定性研究等岩土工程 采矿工程 水利工程 地质工程特色 大应变模拟完全动态运动方程使得FLAC3D在模拟物理上的不稳定过程不存在数值上的障碍显示求解具有较快的非线性求解速度 5 74 主要内容 FLAC3D软件简介FLAC3D的基本原理FLAC3D的前后处理流 固耦合分析接触单元与应用完全非线性的动力分析自定义本构模型的基本方法结构单元及应用 6 74 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 7 74 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 8 74 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 9 74 空间混合离散技术 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 10 74 空间混合离散技术 2 11 74 Lagrangian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 12 74 Case 1自由落体的模拟 G mg S 1 2gt2 20m 命令流 configdyngenzonbrisize111inixmul0 1ym0 1zm0 1modelelaspropbulk3e8shear1e8inidens1000setgrav00 10solveage2 13 74 Case 1自由落体的模拟 movie 14 74 FLAC3D的求解过程 15 74 FLAC3D中的本构模型 开挖模型null3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 16 74 FLAC3D中的本构模型 17 74 主要内容 FLAC3D软件简介FLAC3D的基本原理FLAC3D的前后处理流 固耦合分析接触单元与应用完全非线性的动力分析自定义本构模型的基本方法结构单元及应用 18 74 FLAC3D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 19 74 菜单驱动 计算模式 命令栏 20 74 菜单驱动 Plot 21 74 Case 2一个最简单的例子 genzonbrisize333 建立网格modelelas 材料参数propbulk3e8shear1e8inidens2000 初始条件fixzranz 1 1 边界条件fixxranx 1 1fixxranx2 93 1fixyrany 1 1fixyrany2 93 1setgrav00 10solve 求解appnstr 10e4ranz3x12y12solve RUNFLAC3D 22 74 前后处理功能的优点 多种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 23 74 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 GeoCAD 无等值线的后处理功能 3D 可编程将 sav文件写入TecPlot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 24 74 主要内容 FLAC3D软件简介FLAC3D的基本原理FLAC3D的前后处理流 固耦合分析接触单元与应用完全非线性的动力分析自定义本构模型的基本方法结构单元及应用 25 74 流 固耦合分析 单相流 基本功能理论框架计算模式渗流边界条件 初始条件单渗流计算及渗流耦合计算 26 74 基本功能 渗流各向同性 各向异性不同的渗流模型和属性流体压力 涌入量 渗漏量和不渗水边界抽水井 点源 体积源饱和渗流可采用显式差分法 隐式差分法非饱和渗流采用显式差分法渗流 固体 热的耦合流体和固体的耦合程度依赖于土体颗粒 骨架 的压缩程度 用Biot系数表示颗粒的可压缩程度 循环荷载引起的动水压力变化和土体液化 27 74 理论框架 准静态Biot理论多孔介质中遵循Darcy定律的单相渗流描述多孔介质中流体渗流的变量孔隙水压力 饱和度 特定排水向量的三个分量质量守恒定律达西定律本构定律考虑流体响应孔隙水压力改变 饱和度改变 体积应变改变和温度改变 28 74 流 固耦合的计算模式 无渗流模式孔压计算有渗流模式瞬态渗流分析流 固耦合计算 29 74 无渗流模式 不设置CONFIGFluid孔压不改变INITIALppWATERtableWATERdensitySETgravityWATERtableface手动设置干湿密度 设置CONFIGfluid瞬态渗流分析有效应力计算不排水计算设置土体干密度渗流模型MODELfl isotropicMODELfl anisotropicMODELfl null 渗流模式 30 74 渗流边界条件 初始条件 默认的边界条件是不透水边界孔隙压力自由 不透水边界 固定孔隙水压力 透水边界 如 井孔隙压力 孔隙率 饱和度和流体属性的初始分布可以用INITIAL命令或者PROPERTY命令定义 31 74 单渗流计算及渗流耦合计算 时间比例完全耦合分析方法孔压固定分析 有效应力分析 单渗流得到孔压分布无渗流计算 孔压的力学响应流 固耦合计算 32 74 时间比例 scale 力学过程的特征时间流体扩散过程的特征时间 33 74 完全耦合分析方法 时间比例短期行为 不排水 ts 分析时间 tc施加扰动的属性流体扰动 渗流可不与力学过程耦合力学扰动 耦合等级取决于流固刚度比流固刚度比 34 74 单渗流得到孔压分布 用途 排水沟 抽水井 耦合计算计算步骤CONFIGfluidSETmechoffSETfluidimpliciton offMODELfl PROPSTEP SOLVEage SETfluidratioSETfluidoffmechonPROPbiot c0 orINIfmod0 35 74 无渗流计算 孔压的力学响应 不排水短期响应两种分析方法 干法和湿法干法 Ku K a2M两种破坏形式WATER或INI获得常孔压 不排水的c 孔压改变较小 0 c cu M K 4 3G 湿法 耦合体系的短期行为使用排水的K c 若SETfluidoff Biot mod fmod 真实 36 74 流 固耦合计算 CONFIGfluid M Kf K 渗透系数 真实 则FLAC3D默认耦合计算 p v v p预估流 力特征时间耦合计算前先达到一个平衡状态SETfluidonmechoff SETfluidoffmechon STEPSETmechforce SETmechsubstepnauto SETfluidsubstepm 1 STEP 渗流步足够小 37 74 Case 3真空预压的简单模拟 孔压边界条件ts tc长期分析 排水 Rk 1骨架很软孔压扰动进行biot mod调整 砂层 软土层 粘土层 PVD 2m 8m 10m Datafile 38 74 数值分析过程 movie 39 74 主要内容 FLAC3D软件简介FLAC3D的基本原理FLAC3D的前后处理流 固耦合分析接触单元与应用完全非线性的动力分析自定义本构模型的基本方法结构单元及应用 40 74 接触面单元的用途 岩体介质中的解理 断层 岩层面地基与土体的接触箱 槽及其内充填物的接触空间中无变形的固定 障碍 41 74 接触面的原理 三角形单元 无厚度 参数较多三种工作模式粘结界面粘接滑移库伦滑动 42 74 接触单元模型的建立 1 关键要形成同一位置的两个节点 面 移来移去 推荐 建两个分开的模型建立接触单元通过INI add使模型接触注意dist的含义 接触面 dist 43 74 接触单元模型的建立 2 导来导去 利用expgrid impgrid命令进行网格导出与导入配合DELETE命令适于内部接触面的建立 或其他前处理工具建立的网格 44 74 导来导去 具体方法 save1 savdelrangrop2notInterface1facesave2 savrest1 savdelrangroup2expgrid1 fac3drest2 savimpgrid1 flac3d 45 74 接触面参数的确定 虚构的为了合并节点而设置的接触面Kn ks 10 真实的刚性接触面如料仓下料c D Tension重要 kn ks不重要真实的柔性接触面断层 水力劈裂材料试验得到参数对于kn ks 岩石断层10 100MPa m 粘土 100GPa 岩石 反分析方法 通过断层中岩石的变形与原岩的变形 46 74 主要内容 FLAC3D软件简介FLAC3D的基本原理FLAC3D的前后处理流 固耦合分析接触单元与应用完全非线性的动力分析自定义本构模型的基本方法结构单元及应用 47 74 完全非线性的动力分析 特点动力荷载动力边界条件地震波的调整动孔压的生成 48 74 FLAC3D动力分析特点 完全非线性分析遵循任何指定的非线性本构关系不同频率间会出现干涉和混合模拟不可恢复的位移和永久变形合适的塑性理论 塑性应变增量与应力有关易进行不同本构模型的对比分析 49 74 动力荷载 动力输入的类型加速度时程速度时程应力 压力 时程力时程APPLYINTERIOR 内部 TABLEFISH 50 74 动力边界条件 静态 quiet 粘性 边界LysmerandKuhlemeyer 1969 模型边界法向和切向设置独立的阻尼器自由场 freefield 边界Cundalletal 1980 自由场网格与主体网格的耦合粘性阻尼器 自由场网格的不平衡力施加到主体网格边界上设置条件底部水平 重力方向为z向侧面垂直 法向分别为x y向其他边界条件在APPLYff之前 51 74 力学阻尼 瑞利 rayleigh 阻尼假设阻尼与质量 刚度的线性关系参数确定简单计算速度慢 不推荐局部 local 阻尼FLAC3D的静力分析阻尼参数简单适合简单情况 52 74 滞回阻尼 HystereticDamping 模拟岩土介质的动模量衰减曲线initialdamphystereticnamesig3 三参数 sig4 四参数 Hardin 哈丁模型 default计算速度快推荐 53 74 地震波的调整 基线校正对于地震分析的加速度时程 其积分得到的速度和位移应归0美国地质调查研究所BasicStrong MotionAccelerogramProcessingSoftware BAP 对网格施加一个固定速度从而使残余的位移变为0 54 74 地震波的调整 动力荷载的频率与单元尺寸的双向调整高频的输入要求单元尺寸很小一定的单元尺寸对应输入的最大频率一般进行滤波处理滤掉低能量的高频FFT FISOrigin 55 74 地震波的调整 El Centro波 FFT 修正后的时程 修正后FFT 5Hz 56 74 动孔压的生成 液化 干沙剪应变循环加载试验初始加载阶段 沙土通常先压实再膨胀 卸载时 沙土遵循与加载相似的路径 但在零应变时 有些残余体积应变存在 取决于初始孔隙率 这可能代表纯粹的压实假定孔隙中充满水对于常体积测试 有效应力降低 孔隙水压保持不变对于常荷载测试 例如 盒子上法向荷载固定 孔隙水压增加 有效应力减小有效应力为零时发生液化 57 74 动孔压的生成 液化 因此孔隙水压增加不是液化的基本原因由于颗粒间 重组以后 的低接触力导致有效应力的减小描述液化的模型高级模型 BSHP 边界面低塑性本构模型 Wangetal 1990 简单模型 MC 体积应变增量模型Finn模型 Byrne模型 58 74 主要内容 FLAC3D软件简介FLAC3D的基本原理FLAC3D的前后处理流 固耦合分析接触单元与应用完全非线性的动力分析自定义本构模型的基本方法结构单元及应用 59 74 自定义本构模型的基本方法 必要性试验总结的本构模型特定条件下的本构模型交叉学科的本构模型二次开发环境自定义本构模型的功能自定义本构模型的基本方法 60 74 二次开发环境 FLAC3D采用面向对象的语言标准C 编写本构模型都是以动态连接库文件 DLL文件 的形式提供VC 6 0 SP4 或更高版本的开发环境优点自定义的本构模型和软件自带的本构模型的执行效率处在同一个水平自定义本构模型 DLL文件 适用于高版本的FLAC 2D 3DEC UDEC等其他Itasca软件中 61 74 自定义本构模型的功能 主要功能 对给出的应变增量得到新的应力辅助功能 模型名称 版本读写操作模型文件的编写基类 classConstitutiveModel 的描述成员函数的描述模型的注册模型与FLAC3D之间的信息交换模型状态指示器的描述 62 74 自定义本构模型的基本方法 头文件 usermodel h 中进行新的本构模型派生类的声明修改模型的ID 100 名称和版本修改派生类的私有成员C 文件 usermodel cpp 中修改模型结构 UserModel UserModel boolbRegister ConstitutiveModel constchar UserModel Properties 函数模型的参数名称字符串constchar UserModel States 函数计算过程中的状态指示器 63 74 自定义本构模型的基本方法 doubleUserModel GetProperty 和voidUserModel SetProperty 函数constchar UserModel Initialize 函数参数和状态指示器的初始化 并对派生类声明中定义的私有变量进行赋值constchar UserModel Run 函数由应变增量计算得到应力增量 从而获得新的应力constchar UserModel SaveRestore 函数对计算结果进行保存 程序的调试在VC 的工程设置中将FLAC3D软件中的EXE文件路径加入到程序的调试范围中 并将FLAC3D自带的DLL文件加入到附加动态链接库 AdditionalDLLs 中 然后在Initialize 或Run 函数中设置断点 进行调试 在程序文件中加入return 语句 这样可以将希望得到的变量值以错误提示的形式在FLAC3D窗口中得到 64 74 一个例子 Duncan Chang 65 74 主要内容 FLAC3D软件简介FLAC3D的基本原理FLAC3D的前后处理流 固耦合分析接触单元与应用完全非线性的动力分析自定义本构模型的基本方法结构单元及应用 66 74 FLAC3D中的结构单元 有限单元梁 beam 单元锚索 cable 单元桩 pile 单元锚杆 rockbolton壳 shell 单元格栅 geogrid 单元土工织物 土工格栅初衬 liner 单元 beam cable pile shell geogrid liner 67 74 Case 4结构的动力响应 configdynselpileid 1beg000end001selpilepropdens2400 Emod1 0e10Nu0 3XCArea0 3 XCJ0 16