FLAC3D的实例应用分析.ppt

主讲 王金安教授 提纲 一 FLAC3D软件简介 二 FLAC3D应用实例 三 FLAC3D软件应用 四 FLAC3D模拟技巧 1 FLAC3D软件简介 FLAC3D FastLagrangianAnalysisofContinuain3DimensionsFLAC3D建立在拉格朗日算法基础上 采用有限差分显式算法来获得模型全部运动方程 包括内变量 的时间步长解 从而可以追踪材料的渐进破坏和垮落 这对研究岩土工程设计是非常重要的 FLAC3D适用模拟计算岩土材料力学行为 特别适合模拟大变形和扭曲 包括材料的高度非线性 应变硬化 软化 不可逆剪切破坏和压密 粘弹 蠕变 孔隙介质的应力 渗流耦合 热 力耦合以及动力学问题等 采用 混合离散法 用以精确模拟塑性坍塌和塑性流动 这种方法比有限元法中采用的渐进迭代更为有效 采用全动力运动方程 即时对于静力问题也是如此 这使得FLAC3D能够没有任何障碍地模拟物理不稳定性问题 采用显示求解方式 与常用的隐式方法比较 显示方法在求解非线性问题的 应力 应变关系 时间几乎等同于线性关系问题 而隐式算法可能花费很长时间 因为它并不需要储存任何矩阵 因此 不需要修改刚度矩阵 这就意味着 a 具有中等内存的计算机能够采用较多的计算单元模拟 b 模拟大应变问题比小应变问题几乎不多花计算时间 1 FLAC3D软件简介 1 1 有限差分法 1 2 FLAC3D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 1 3 FLAC3D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模型双线性应变硬化 软化遍布节理模型Morh Coulomb模型应变硬化 软化模型遍布节理模型修正剑桥模型和胡克布朗模型 1 3 FLAC3D本构模型 梁 beam 单元锚索 cable 单元桩 pile 单元壳 shell 单元格栅 geogrid 单元土工织物 土工格栅衬砌 liner 单元 beam cable shell geogrid liner pile 结构单元类型 1 4 FLAC3D结构单元 三角形单元 无厚度 2 三种工作模式粘结界面粘接滑移库伦滑动 接触单元原理 1 5 FLAC3D接触单元 命令栏 1 6 FLAC3D界面介绍 1 6 FLAC3D界面介绍 图形显示窗口 提纲 一 FLAC3D软件简介 二 FLAC3D应用实例 三 FLAC3D软件应用 四 FLAC3D模拟技巧 2 1 老虎台矿开采诱发矿震的力学机理分析 地质条件 E5200剖面图 老虎台矿开采历史 老虎台矿自1907年开始开采 至今已有近百年的开采历史 1988年1月至2000年5月 随着老虎台矿开采深度增大和向断裂构造逼近 矿震频率和震级都呈上升趋势 平均每月发生矿震52 2次 远远超出了抚顺地区天然地震的数量 最大震级达到3 6ML 矿震事件统计 矿震震级 频度与时间特征 计算模型 1999 2000 E5200 E6000 1992 2000 破坏场发展趋势 E5200 E6000 1999 2000 近断层岩体的动力学响应 78001 1 F25断层露头 78001 1 F25断层 200m 井田西部 78001 1 78001 1 F25断层 400m F25断层 煤层 595m 井田西部 近断层岩体的动力学响应 2 2程潮铁矿主溜井特大塌方治理 1 2 主溜井的布置图 托斗法 法方案主视图 托斗法 方案局部剖视图 加固前后主溜井围岩位移矢量场 加固前 加固后 卸矿水平剖面 加固前 加固后 加固前后主溜井围岩位移矢量场 卸矿井筒剖面 2 3鹤壁四矿村庄下厚煤层特殊开采 剖面图 中央条带两翼长壁开采方案 80m 150m 150m 三维计算模型图 中央条带两翼长壁工作面开采后地表下沉 中央条带两翼长壁工作面开采后地表水平变形 a X 方向 b Y 方向 2 4综放采场围岩应力分布与稳定性研究 三维模型 走向剖面 倾向剖面 模型剖面图 综放工作面煤层内垂直应力分布三维视图 沿煤层走向综放工作面中部围岩主应力场 沿煤层倾斜剖面工作面前方150m围岩主应力场 沿煤层倾斜剖面工作面前方15m围岩主应力场 沿煤层倾斜剖面工作面处围岩主应力场 沿煤层倾斜剖面工作面后方200m围岩主应力场 沈阳地铁一号线线路图 2 5 沈阳地铁沈阳站施工力学行为分析 沈阳站地表建筑图 沈阳站剖切模型图 地下结构模型图 Z向位移 X向位移 Y向位移 开挖后地表土体位移分析 基坑开挖后围护结构分析 主应力矢量图 围护结构水平位移图 提纲 一 FLAC3D软件简介 二 FLAC3D应用实例 三 FLAC3D软件应用 四 FLAC3D模拟技巧 3 1 建模与模拟过程 根据研究目的对实际模型进行构思与概化 计算模型所涉及的复杂程度取决于研究目的 根据工程影响区域确定计算模型的尺寸 单元类型的确定 网格划分 形成计算网格 安排工程对象 开挖 支护等 输入力学参数 确定边界条件 进行模拟计算 结果分析 基本步骤 3 2 FLAC3D基本称谓 3 3 FLAC3D节点与单元编号 节点 单元 3 3 基本单元生成 基本单元 Genzonebrickp0p1p2p3p4p5p6p7sizen1n2n3 ratior1r2r3groupname 命令 p0p1p2p3p4p5p6p7为各节点空间坐标n1n2n3为沿x y z方向单元数r1r2r3为沿x y z方向单元大小的比值group后为自定义组名 注释 3 3 基本单元生成 genzonebrickp0000p12000p20100p30010 size1055ratio0 80 80 8groupname 例 3 3 基本单元生成 3 3 基本单元生成 wed uwed genzonewedp0000p11000p20100p30010size868 ratio1 210 83groupnamegenzoneuwedp0000p11000p20100p30010size868 ratio1 210 83groupname 例 Genzonewedp0p1p2p3p4p5sizen1n2n3ratior1r2r3groupnameGenzoneuwedp0p1p2p3p4p5sizen1n2n3ratior1r2r3groupname 命令 3 3 基本单元生成 3 4 特殊单元生成 例 genzonecylinderp0p1p2p3p4p5sizen1n2n3ratior1r2r3groupnamegenzonecshellp0p1p2p3p4p5dimd1d2d3d4sizen1n2n3n4 ratior1r2r3r4groupname1fillgroupname2 命令 genzonecylinderp0000p11000p20100p30010size678group1genzonecshellp0000p11000p20100p30010dim5555size678group1genzonecshellp0000p11000p20100p30010dim5555size6783group1fillgroup2 3 4 特殊单元生成 3 4 特殊单元生成 例 genzoneradcylinderp0p1p2p3p4p5p6p7dimd1d2d3d4sizen1n2n3n4ratior1r2r3r4groupname1fillgroupname2genzoneradtunnelp0p1p2p3p4p5dimd1d2d3d4sizen1n2n3n4 ratior1r2r3r4groupname1fillgroupname2 命令 genzoneradcylinderp0000p11000p20100p30010dim5555 size6765group1genzoneradtunnelp0000p11000p20100p30010dim5555 size6765group1genzoneradcylinderp0000p11000p20100p30010dim5555 size6765group1fillgroup2 3 4 特殊单元生成 3 4 特殊单元生成 genzonecylintp0p1p2p3p4p5dimd1d2d3d4d5d6d7sizen1n2n3 n4n5ratior1r2r3r4r5groupname1fillgroupname2genzonetunintp0p1p2p3p4p5dimd1d2d3d4d5d6d7sizen1n2n3 n4n5ratior1r2r3r4r5groupname1fillgroupname2 命令 例 genzonecylintp0000p11000p20100p30010dim3333333 size67652group1genzonetunintp0000p11000p20100p30010dim3333333 size67655group1genzonecylintp0000p11000p20100p30010dim3333333 size67652group1fillgroup2 3 4 特殊单元生成 genzonereflectnormalxvyvzvoriginxyzrange 命令 例 genzonecshellp0000p11000p20200p30010dim5555 size678group1genzonereflectnor 100ori000genzonereflectnor00 1ori000 注释 xvyvzv分别为镜像面法向量沿各坐标轴分量xyz为镜像面上任意一点空间坐标 3 4 特殊单元生成 其他特殊单元 3 4 特殊单元生成 3 4 特殊单元生成 3 4 特殊单元生成 3 4 特殊单元生成 3 4 特殊单元生成 3 4 特殊单元生成 3 4 特殊单元生成 3 4 特殊单元生成 3 4 特殊单元生成 3 4 特殊单元生成 3 5 赋单元材料性质 在FLAC3D中 除了横观各向同性弹性和正交各向同性弹性模型外 采用了体积模量K和剪切模量G作为计算参数 而不是杨氏模量E和泊松比 转换关系 当V 0 5时 上式计算的K值变为无穷大 导致解的收敛速度非常慢 所以使用时注意 mode 弹性 propbu12 5sh5 77rangeinidensity2400e 6rangemodm 弹塑性Mohr Coulumb准则 propbu12 5sh5 77c0fri20ten0 015rangeinidensity1800e 6rangemodss 应变软化模型 Propbulk710shear310coh2 44fric25dil 10ten1 06ct4ft2dt3ct1ft2dt3tt4rangetab10 0 2 441e 8 0 48tab20 0 251e 8 12tab30 0 101e 8 2 0tab40 0 1 061e 8 0 32inidensity1400e 6range range后为赋值范围 缺省值时为整个模型 3 5 赋单元材料性质 density重度bulk体积模量shear剪切模量cohesion粘聚力friction摩擦角ctable涉及凝聚力c与塑性剪切应变的表号dilation剪胀角dtable涉及剪胀交与塑性剪切应变的表号ftable涉及摩擦角与塑性剪切应变的表号tension抗拉强度ttable涉及极限张拉强度与塑性剪切应变的表号 3 5 赋单元材料性质 注 1bar 106dynes cm2 105N m2 105Pa 注意 在FLAC3D中渗透率样本渗透率 cm2 9 9 10 2水力传导率 cm sec 1 02 10 6 系统单位 力学参数 系统单位 渗透参数 注意单位一致性 岩土工程常用单位 3 5 赋单元材料性质 固定边界命令 fixxrangexa 0 1a 0 1fixxrangexb 0 1b 0 1fixyrangeyc 0 1c 0 1fixyrangeyd 0 1d 0 1fixzrangeze 0 1e 0 1 a c e b c e 注释 上语句中 0 1可根据单元大小自动设置a b c d e为模型各边界节点坐标值 b d e 3 6 边界条件 applyyf 10range或applysyy 10rangeapplyxf 5range或applysxx 5range inisxx 10rangeinisyy 5range applyyf用于集中力applySYY用于面力 如均布荷载iniSxx用于体力 如地应力的施加range后为赋值范围 缺省值时为整个模型 施加边界力 结点 赋单元应力 结点 注释 3 6 边界条件 GenmergevalueAttachfaceanvalueAttachfacetolvalueGeom testSetgrav9 81SetlargeStepnSavename sav 3 7 计算 粘结相邻节点粘合相邻角度小于value的面粘合相邻距离小于value的面单元测试设置重力加速度启用大变形模式设置运行步数存盘 3 8 结果显示 命令 Plotshow 进入图形窗口plotcreateszz contourplotsetcent445plotsetrot20030plotsetmag1 0Plotaddcontszz syy sxx sxy smin smaxPlotaddblockszz syy sxx sxy smin smaxPlotaddblockstatePlotaddaxes ctrl c 设置窗口消息 ctrl g 在灰色与彩色之间转换 ctrl r 恢复到窗口默认状态 ctrl z 用矩形窗口栏选 shift m 模型缩小 m 模型增大方向键 使模型向其方向移动 命令 快捷键 3 8 结果显示 菜单 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 10e4ranz3x12y12solveplotcontszz 简单应用1 3 9 简单应用 简单应用2 3 9 简单应用 genzoneradcylindersize2512525genzonereflectnormal 100genzonereflectnormal00 1genmerge1e 5modelmohrpropdens 1000bu 1e8sh 7e7fric25coh3 5e4tens1e10fixyfixxrangex 24 9 25 1fixxrangex24 925 1fixzrangez 24 9 25 1setgrav10iniszz 1e6grad001e6inisxx 0 5e6grad00 5e60inisyy 0 5e6grad00 5e60plotaddcontourzdispsolveratio2e 3 建立1 4模型沿x轴镜像沿z轴镜像粘合节点赋予本构模型赋材料参数固定边界固定边界固定边界固定边界设置重力加速度赋初始应力赋初始应力赋初始应力显示设置运算 3 9 简单应用 3 9 简单应用 3 9 简单应用 3 10 小结 提纲 一 FLAC3D软件简介 二 FLAC3D应用实例 三 FLAC3D软件应用 四 FLAC3D模拟技巧 模型尺寸模型单元数与计算机配置 运行时间的关系 FLAC3D运行时间正比于 N为单元数建模时命令genzonereflect copy的应用genmergevalue命令中value值大小 小粘结功能失效 大则网格嵌入合理选择本构模型与材料参数模型开挖时modenull与dele选择 4 1 模型建立与开挖 关键 要形成同一位置形成两个节点 面 步骤 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 断层建立步骤 4 2 模拟断层 genzonebricksize333 p0 0 0 0 p1 3 0 0 p2 0 3 0 p3 0 0 1 5 p4 3 3 0 p5 0 3 1 5 p6 3 0 4 5 p7 3 3 4 5 groupBasegenzonebricksize333 p0 0 0 1 5 p1 3 0 4 5 p2 0 3 1 5 p3 0 0 6 p4 3 3 4 5 p5 0 3 6 p6 3 0 6 p7 3 3 6 groupToprangegroupBasenotgenseparateT