FLAC,FLAC3D基础与应用.ppt

FLAC FLAC3D基础与应用 陈育民河海大学土木与交通学院2015年6月2日 1 河海大学研究生课程 岩土数值分析 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 2 2015 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 ymchenhhu 关于教材 3 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 4 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 课堂 作业 研究生课程 岩土数值分析 上课学生调查 6 课堂 作业 7 什么是FLAC FastLagrangianAnalysisofContinua 8 为什么要用FLAC 9 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 UpdatedonJune2 2015 为什么要用FLAC 10 检索期刊 JournalofGeotechnicalandGeoenvironmentalEngineeringGeotechniqueCanadiangeotechnicalJournalSoilsandfoundations关键词 UpdatedonJune2 2015 为什么要用FLAC 11 检索期刊 GEO SOILS 关键词 UpdatedonJune2 2015 FLAC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 12 FLAC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 13 课程安排 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 14 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 题外话 虚拟 与 现实 现实的复杂与虚拟的简化 是否一定要 像 我们也做过很像的东西 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 经常会造成计算结果无法解释 虚拟是简单的世界 现实中的桩 虚拟的桩 虚拟是简单的世界 冰碛土体结构模拟结果 台阶坡面上的砾石产出状态 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 第一讲 FLAC3D基本介绍 静力分析 前后处理 24 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 5 02D版本 DOS版 4 0 5 0 6 0 7 0 25 FLAC 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 26 Shearstrainratecontours FLAC3D 27 与FLAC类似 是FLAC的三维版本与FLAC拥有相同的优点 upstream downstream 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 28 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 29 核废料储存中的热力学研究问题 FLAC 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 30 Lagrangian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 31 法国数学家 物理学家拉格朗日 混合离散技术 32 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 混合离散技术 FLAC3D混和离散 33 2 FLAC3D混和离散 34 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 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 显式解与隐式解的比较 36 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 NewFeaturesinFLACVersion6 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 37 NewFeaturesinFLAC3DVersion3 1 多处理器的并行计算功能新结构单元类型 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64位程序包含命令手册 FISH手册和应用实例的帮助 38 NewFeaturesinFLAC3DVersion4 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 39 Lagrangian格式动量平衡方程 40 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 自由落体的模拟 41 G mg S 1 2gt2 20m 命令流 configdyngenzonbrisize111inixmul0 1ym0 1zm0 1modelelaspropbulk3e8shear1e8inidens1000setgrav00 10solveage2 自由落体的模拟 movie 42 FLAC3D中模型术语 43 节点 gridpoint 节点zone 单元boundary 边界 FLAC3D的求解过程 44 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 45 FLAC3D中的本构模型 46 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 47 RUNFLAC3D 分析问题的过程 48 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 FLAC3D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 49 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 50 弹性求解 51 genzonbrisize112melaspropbulk3e7shear1e7fixzranz0fixxranx0fixxranx1fixyrany0fixyrany1inidens2000setgrav00 10solve Step 162sz 40e3sx 21 54e3 更改强度参数的弹塑性求解 52 genzonbrisize112modelmohrpropbulk3e7shear1e7c1e10f15ten1e10fixzranz0fixxranx0fixxranx1fixyrany0fixyrany1inidens2000setgrav00 10solvepropbulk3e7shear1e7c10e3f15ten0solve Step 163sz 40e3sx 21 54e3 Or solveelastic 设置初始应力的弹塑性求解 53 genzonbrisize112modelmohrpropbulk3e7shear1e7c10e3f15ten0fixzranz0fixxranx0fixxranx1fixyrany0fixyrany1inidens2000iniszz 40e3grad0020e3ranz02inisyy 20e3grad0010e3ranz02inisxx 20e3grad0010e3ranz02setgrav00 10solve Step 0sz 40e3sx 20e3 存在水压力的初始应力生成 1 54 genzonebricksize112modelmohrpropbulk3e7shear1e7coh10e3fri15ten0fixzranz0fixxranx0fixxranx1fixyrany0fixyrany1inidens2000ranz01inidens1500ranz12iniszz 35e3grad0020e3ranz01inisyy 22 5e3grad0015e3ranz01inisxx 22 5e3grad0015e3ranz01iniszz 30e3grad0015e3ranz12inisyy 15e3grad007 5e3ranz12inisxx 15e3grad007 5e3ranz12inipp10e3grad00 10e3ranz01setgrav00 10solve Step 0sz 35e3sx 22 5e3 rd rs n s rf 存在水压力的初始应力生成 2 55 configfluidgenzonbrisize112modelelaspropbu3e7sh1e7inidens1500modelfl isoinifdens 1000fmod0proppor0 5setgrav00 10waterdens1500watertableface001 011 111 101inipp10e3grad00 10e3ranz01iniszz 30e3grad0015e3ranz12 setfluidoffsolve Step 142sz 40e3sx 24e3 单元数较少产生的误差 水下建筑的初始应力生成 56 genzonbrisize112modelmpropbulk3e7shear1e7c10e10f15ten1e10fixzranz0fixxranx0fixxranx1fixyrany0fixyrany1inidens2000ranz02iniszz 50e3grad0020e3ranz02inisyy 40e3grad0015e3ranz02inisxx 40e3grad0015e3ranz02inipp30e3grad00 10e3ranz02appnstress 10e3ranz2setgrav00 10solve Step 0sz 50e3sx 40e3 前后处理 57 前后处理 基本前后处理命令操作菜单操作dd dipattach merge外界模型的导入复杂模型的网格检查 58 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 59 菜单驱动 计算模式 60 命令栏 菜单驱动 Plot 61 FLAC3D的前处理 62 FLAC3D网格生成的关键特征 FLAC3D是命令驱动 使用FLAC3D内置基元进行形状组合可形成复杂网格 用户自定义FISH函数可以用来修改基元网格以创建更为复杂的网格 第三方软件导入 FLAC3D网格基元 63 64 65 块体 径向柱体 柱状交叉 Tecplot的后处理 66 67 Tecplot后处理 68 69 70 71 Tecplot的云图和等值线 72 Tecplot中云图的效果与flac3d的shadeon的效果差不多 但是其出三维等值线的功能是卓越的 73 Tecplot的切片功能 74 Tecplot的slice切片功能 和CAD一样 可以任意切剖面出图 最大优点是可以几个剖面同时出图 75 整体和截面的数据以单元形式存在列表中 可自由选择和组合多个单元出图 dd和dip Simwe Com上有近百的讨论贴地质上的概念 倾向和倾角建议用ori和norm代替后处理的切片功能plosetplaneori norm ploconzdisplane概念清晰 使用快捷其他应用reflect网格建立水面 76 x y z ori norm attach和merge attach用于连接次节点 sub grid 允许网格存在一定随意性要求成比例 1 2 1 3等 可用于模型的检查慎用merge用于节点的合并外来模型导入的精度差异tolerance的设置 77 sub grid 4 2 5 2 tol 1 2 1 merg 外界模型的导入 复杂网格的生成难度大接口编写不同软件之间的精度差异Group的定义采用 flac3d的文件格式 flac3d文件的格式G11 0e 001 0e 001 0e 00ZB812345678ZGROUPSoil123impgrid expgrid仅限于网格 78 3wzones3sec 复杂网格的检查 FLAC3D生成的复杂网格attachface无接触面时检查整体模型是否存在sub grid有接触面时给定范围进行检查其他软件导入的复杂模型网格划分的检查genmerge弹性模型modelelastic求解 独立 节点 畸形 单元 79 模型的检查 FLAC本身的Check功能十分有限错误提示很少十分开放的工作平台 自由落体 检查的基本步骤网格检查 如前所述 边界条件检查速度约束条件plogpfixredsk荷载条件plofapredsk模型检查模型赋值ploblockmodel参数赋值ploblockprop 初始应力检查 如后所述 80 初始应力检查办法 初始应力的计算时间不会 非常长 经常检查模型的响应ploconszz syy sxx 应力场ploconzdis ydis xdis 位移场ploblosta屈服状态plogpfixredsk速度约束条件plofapredsk体力plohist unbal 不平衡力plointerfacenstress sstress 接触面单元 81 第二讲 FLAC3D接触面 FISH语言 流固耦合分析 接触面 interface 接触面单元 应用范围原理建模方法推荐方法复杂内部接触面的设置方法参数选择单桩承载力分析挡土墙的接触面设置思路 未知问题的分析方法 接触面单元的用途 网格不连续岩体介质中的解理 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 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 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NOmerge NOattach 接触面 dist 1 2 3 4 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 接触单元模型的建立 3 GENseparateINTERFACEwrap指定正确的group 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 max K 4 3G Dzmin 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 单桩承载力分析 软土地基bulk1 6878E6shear3 6167E5coh15E3fric12dens1 73E3桩体bulk5e9shear3 75e9dens2 5e3 0 5m 8m 10m 20m 计算过程 施加桩顶荷载 计算结果 影响因素 7 50E 03 fric g k 3 coh 0 7 0 7fric 10g 10k 2 3 00E 04 20 100e 100e 1 coh fric ks kn 水平因素 计算工况设计 1 2 3 3 9 3 1 2 3 8 2 3 1 3 7 2 1 3 2 6 1 3 2 2 5 3 2 1 2 4 3 3 3 1 3 2 2 2 1 2 1 1 1 1 1 coh fric ks kn 水平因素工况 计算结果 Ks取1 Ks取2 Ks取3 96 9 1 2 3 3 9 22 4 3 1 2 3 8 54 1 2 3 1 3 7 96 9 2 1 3 2 6 7 1 1 3 2 2 5 37 8 3 2 1 2 4 96 9 3 3 3 1 3 42 9 2 2 2 1 2 37 8 1 1 1 1 1 Ra差异度 coh fric ks kn 水平因素 最优方案 2 2 2 2 11 1 1 2 2 10 1 1 2 2 最优方案 17 3 6 8 72 8 11 9 极差 52 4 52 7 96 9 57 8 k3 64 6 59 2 24 1 47 3 k2 47 3 52 4 43 2 59 2 k1 coh fric ks kn 水平因素 合理步骤 单桩分析 简单网格 接触面参数 多次试算 理论 实测 加密网格 接触参数 理想结果 群桩分析 Pile结构单元 单元参数 理想结果 Pile结构单元 单元参数 理想结果 挡土墙的接触面设置 对于未知问题的分析思路3个独立的接触面3个同ID的接触面2个独立的接触面2个独立的接触面并进行底部merge 挡墙 土体 1 2 3 Wall Soil 挡土墙的接触面设置 2 Z 5 16cm Z 1 14cm Z 不能初始平衡 Z 0 35cm 挡土墙的接触面设置 3 X 1 95cm X 1 91cm X 1 47cm 挡土墙的接触面设置 3 前两种方法的差别实质3个ID的独立接触面在相同位置产生互不影响的两个节点共同ID的接触面在相同位置自动设置为1个节点最终的结论需要您自己去判断 3interfaces 2IDs 1interface 1ID FISH语言 FISH语言简介 软件自带的编程语言是否一定要学 视情况而定 需要时查询FISH变量即可语法简单xxx end xxx注意事项与FLAC本身的关键字冲突保留字不可缩写变量可不定义 因此注意检查程序printfishtable extra等命令使用 一个最简单的FISH程序 defabcabc 1 2 3abcd 1 0 2 0endabcprintfish 数据格式 函数与变量 都可以在FISH函数中进行赋值 赋值操作与常规的编程语言类似 按照运算符的优先级先后顺序来执行 函数和变量的赋值遵守数据类型的规则 即整型的计算结果为整型 浮点型的计算结果为浮点型 因此读者在进行除法运算 开方运算时都需要将数据类型设置为浮点型 数字尽量使用小数点以保证运算正确 变量和函数名的命名规则是不能以数字开头 不能含有中文 并且不能包含如下的字符 变量和函数名不能与FLAC3D FISH的保留字相冲突 不要采用过于简单的单词 比如a hist等 这些都与保留字相冲突 即使程序中存在与保留字相冲突的变量 FLAC3D也不会提供任何提示 所以提醒读者在编制FISH程序时尽量使用较长的 复杂的变量和函数名 函数与变量 对变量进行赋值时 不能使用当前函数的函数名放在 的右边 比如采用下面的定义abcd abc 1 0在FISH程序执行时会提出错误 因为这样会形成递归调用 这种调用方式在FISH程序中是不允许的 变量和函数的作用是全局的 在命令中的任何地方修改变量的值都会立即生效 因此在实际应用中尽量避免不同的函数中含有相同的变量 因为这样可能会造成赋值错误 并难以检查 在FLAC3D中可以用如下的命令来引用FISH函数和变量PRINT用于查看函数和变量的数值 HISTORY命令可以对函数和变量的数值进行记录 SET命令用于变量的赋值 主要语句 选择语句CASEOF表达式 默认语句CASEn1 表达式的值为n1时的语句CASEn2 表达式的值为n2时的语句ENDCASE 主要语句 条件语句IF条件表达式 THEN ELSE ENDIF FISH中条件运算符没有 并 或 否 这样的符号 ifaa 1 0ifaa 2 0执行语句endifendif 表达 1 aa 2 的条件 主要语句 循环语句LOOPvar exp1 exp2 ENDLOOP或者LOOPWHILE条件表达式 ENDLOOP p z zone headloopwhilep z null 语句p z z next p z endloop p gp gp headloopwhilep gp null 语句p gp gp next p z endloop 单元遍历语句 节点遍历语句 主要语句 命令语句COMMAND FLAC3D命令 ENDCOMMAMD 应用实例 土体的模量随小主应力变化 defE modifyp z zone headd k 704d n 0 38d pa 101325 0 标准大气压loopwhilep z nullsigma 3 1 0 z sig1 p z E new d k d pa sigma 3 d pa d nz prop p z young E newp z z next p z endloopendE modify 应用实例 获得最大位移的大小及发生位置 deffind max dispp gp gp headmaxdisp value 0 0maxdisp gpid 0loopwhilep gp nulldisp gp sqrt gp xdisp p gp 2 gp ydisp p gp 2 gp zdisp p gp 2 ifdisp gp maxdisp valuemaxdisp value disp gpmaxdisp gpid gp id p gp endifp gp gp next p gp endloopendfind max dispprintmaxdisp valuemaxdisp gpid FISH的编写习惯 FISH与建模 两个圆形隧道的连接部分 变直径的隧道部分 FISH检查 主要采用PRINTfish命令查看变量的赋值是否合理 主要检查值为0的函数和变量 因为FISH程序中一般定义的变量都有实际的意义 输出为0的变量很可能是与保留字相冲突的变量 如a就是apply的保留字 或者由于编写笔误产生的变量 如数字0与大写字母O 流固耦合分析 很难 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 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 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 有效应力计算 无渗流模式不设置CONFIGFluid孔压不改变设置孔压分布INITIALppWATERtableWATERdensityWATERtablefaceSETgravity手动设置干湿密度 渗流模式设置CONFIGfluid设置土体干密度渗流模型MODELfl isotropicMODELfl anisotropicMODELfl nullSETfluidoffsetWATERbulk 0 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 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 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 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 力学过程的特征时间流体扩散过程的特征时间 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 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 ev s ev 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 流固耦合的计算方法 手动调整的STEP求解SETfluidonmechoffSTEPSETfluidoffmechonSTEP主从进程的SOLVE求解SETmechforceSETmechsubstepnauto 从进程 SETmechsubstepm 主进程 SOLVEage自动STEP求解STEP 渗流问题 CONFIGfluid 分析步骤 时间比例 ts tc 稳态不排水状态相当扰动类型力学扰动孔压扰动流固刚度比Rk是否 1完全耦合模式时间比例相当 力学扰动 心墙土坝的渗流 1 newconfigfluidsetfluidoffgenzonbrickp000 10size20110genzonbrickp0500p11500p2510p3905p41510p5915p61105p71115size1015groupsoilgroupdamranx57z 50groupdamranid201aid211aid221aid231aid241agroupdamranid202aid212aid222aid232aid242amepropbu3e7sh1e7inipp0grad00 10e3ranz0 10inidens2000modelfl isoproppor0 5perm1e 10inifden1000ften 1e10inisat0 0ranz05modelfl nullrangrodam inipp0rangrodamfixzranz 10fixxranx0fixxranx20fixysetgrav10solvesaveelastic sav 网格模型 初始孔压 心墙土坝的渗流 2 restelastic savinixd0yd0zd0 xv0yv0zv0appnstress 40e3grad0010e3ranz04x09solvesavepressure sav 竖向应力 沉降 心墙土坝的渗流 3 restpressure savsetfluidonmechoffinifmod2e3ften0 0rangrosoilinixd0yd0zd0 xv0yv0zv0apppp40e3grad00 10e3ranz04x09apppp0ranz0 x1520histid 10zoneppid215solve Ratio 1 Ratio 1E 5 荷载引起的地基土体的超孔隙水压力 计算文件 applyloadslowly deframpramp min 1 0 float step 200 0 endapplynstress 40e3histramprangex 13 1z9 910 1 fluidflowmodel modelfl isoinifmod2e9 porepressurefixedatzeroatthesurface fixpp0rangez9 910 1 settings setfloff test step750 1 1 因为本例中没有设置初始应力 这里只进行了750步的求解 计算结果 对主从进程法的讨论 SETmechforce设置一个不平衡力的大小 达到这个不平衡力系统认为暂时达到平衡状态 SETmechsubstepnauto设置力学进程为从进程 在主进程每执行一步中必须执行n步 当系统达到平衡时也可以少于n步 SETfluidsubstepm设置流体进程为主进程 讨论1 对收敛准则进行对比分析不平衡力 force 1E3 5E3 1E4 5E4不平衡力比 ratio 1E 4 1E 3 1E 2 1E 1 采用1E 3的收敛准则既可以满足计算流固耦合过程中的计算精度要求 同时又具有较高的计算效率 对主从进程法的讨论 2 讨论2 子步数的影响 setmechsub100fluidsub10setmechsub10fluidsub10setmechsub1fluidsub1 设置合理的子步数也很重要 设置过大 则会导致计算时间大大增加 过小又会造成计算结果的误差 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 数值分析过程 movie 课程安排 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 139 FLAC3D非线性动力分析 140 非常复杂 SaidbyProf PeterCundall 为什么要用FLAC做动力分析 FLAC可以模拟体系 土 岩石 结构 流体 受到的外部动力荷载 比如地震 或内部动力荷载 比如基础振动 爆炸 可以计算塑性引起的永久变形以及孔隙水压力的消散 土动力学中常用的等效线性方法无法直接处理上述问题 141 动力模拟的3个重要问题 动力荷载与边界条件材料响应与阻尼土体液化 142 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 143 Quiet边界 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性能对于法向p波和s波能很好的吸收对于倾斜入射的波和Rayleigh波也有所吸收 但存在反射人工边界仍应当足够远 144 Quiet边界应用 内部振动 如隧道中的列车振动问题 动力荷载直接施加在节点上使用Quiet边界减小人工边界上的反射不需要FF边界外部荷载的底部边界 软土地基上的地震荷载不适合用加速度或速度边界条件使用应力条件t 2Csrvs地震底部输入的侧向边界 扭曲了入射波 145 quiet quiet quiet Free field边界 146 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 相当于一个阻尼器 Free field边界 APPLYff将边界上单元的属性 条件和变量全部转移ff单元上 设置以后主体网格上的改动将不会被FF边界所响应可存在任意的本构模型以及流体耦合 仅竖向 FF边界进行小变形计算 主体网格可大变形 FF边界上的变形要相对较小存在attach的边界将不能设置FF边界边界上的Interface将不能连续动力边界设置需在FF边界设置之前 147 Free field边界与动力荷载 148 模型底部边界fix 施加速度或加速度荷载 刚性边界Free 施加应力时程荷载 柔性边界对于软弱的地基不适合施加速度 加速度荷载 而应当施加应力荷载 Notethatthereisafactorof2becausetheinputenergydividesintoadownward upward propagatingwave 2 材料响应与阻尼 149 连续的非线性 表观模量随着应变的增大而降低对所有循环应变等级均存在滞回特性 因此导致随着循环应变的增加阻尼比增大 阻尼是率相关的 对于复杂波形的各个成分都产生阻尼 剪切应变会产生的体积应变 相应的 随着剪应变循环次数的增加体积应变逐渐积累 材料响应 150 土体在循环荷载作用下呈现出模量衰减和能量消散的特点 那么如何用非线性数值方法对其进行模拟呢 Nonlinearcharacteristicsofsoils MartinandSeed 1979 试验得到的阻尼比 割线模量随循环剪应变的曲线 151 r m a l i z e d S h e a r M o d u l u s G G m a x Mid RangeSandCurve Seed Idriss 1970 SandFillInland Friction 32 hr 0 47 Go 440 SandFillunderRockDike Friction 30 hr 0 43 Go 440 等效线性方法 152 等效线性方法是岩土地震工程中模拟波的传播的最常用的方法 假定土体是粘弹性体 参照实验室得到的切线模量及阻尼比与剪应变幅值的关系曲线 对地震中每一单元的阻尼和模量重新赋值 Iterationtowardstrain compatibleshearmodulusanddampingratio afterKramer 1996 等效线性方法的特点 使用振动荷载的平均水平来估算每个单元的线性属性 并在振动过程中保持不变 在弱震阶段 单元会变得阻尼过大而刚度太小 在强震阶段 单元将会变得阻尼太小而刚度太大 对于不同部位不同运动水平的特性存在空间变异性 不能计算永久变形 等效线性方法模型在加荷与卸荷时模量相同 不能计算土体在周期荷载作用下发生的剩余应变或位移 塑形屈服模拟不合理 在塑性流动阶段 普遍认为应变增量张量是应力张量的函数 称之为 流动法则 然而 等效线性方法使用的塑性理论认为应变张量 而不是应变增量张量 是应力张量的函数 因此 塑性屈服的模拟不合理 大应变时误差大 等效线性方法所用割线模量在小应变时与非线性的切线模量很相近 但在大应变时二者相差很大 偏于不安全 本构模型单一 等效线性方法本身的材料本构模型包括了应力应变的椭圆形方程 这种预设的方程形式减少了使用者的选择性 但却失去了选择其它形状的适用性 方法中使用迭代程序虽然部分考虑了不同的试验曲线形状 但是由于预先设定了模型形式 所以不能反映与频率无关的滞回圈 另外 模形是率无关的 因此不能考虑率相关性 153 完全非线性分析方法 FLAC3D采用完全非线性分析方法 基于显式差分方法 使用由周围区域真实密度得出的网格节点集中质量 求解全部运动方程 154 完全非线性分析方法的特点 可以遵循任何指定的非线性本构模型 如果模型本身能够反映土体在动力作用下的滞回特性 则程序不需要另外提供阻尼参数 如果采用Rayleigh阻尼或局部 local 阻尼 则在动力计算中阻尼参数将保持不变 采用非线性的材料定律 不同频率的波之间可以自然地出现干涉和混合 而等效线性方法做不到这一点 由于采用了弹塑性模型 因此程序可以自动计算永久变形 采用合理的塑性方程 使得塑性应变增量与应力相联系 可以方便地进行不同本构模型的比较 可以同时模拟压缩波和剪切波的传播及两者耦合作用时对材料的影响 在强震作用下 这种耦合作用的影响很重要 比如在摩擦型材料中 法向应力可能会动态地减小从而降低土体的抗剪强度 155 使用弹塑性模型 附加考虑的因素 阻尼 对于屈服面以下应力的循环体积应变积累 是循环周数与幅值的函数模量衰减 基于平均应变水平的表格 156 最简单的弹塑性模型往往在描述累计塑性应变方面具有很好的效果 但是对于加速度放大系数的估算上效果不好 弹塑性模型 157 简单的理想弹塑性本构模型仅仅在发生屈服时才会出现滞回特性 注意 即使这样粗糙的模型也能够作出连续的阻尼比和模量衰减曲线 在屈服条件下会产生体积改变 但通常都是剪胀 FLAC3D中的阻尼比 弹塑性本构模型使用瑞利 粘性 阻尼弹塑性本构模型使用滞后 HD 阻尼 复杂本构模型拥有连续的屈服应力应变关系和对应的加卸载响应 Wang UBCSand 158 瑞利阻尼 159 瑞利阻尼最初应用于结构和弹性体的动力计算中 以减弱系统的自然振动模式的振幅 在计算时 假设动力方程中的阻尼矩阵C与刚度矩阵K和质量矩阵M有关 瑞利阻尼中的质量分量相当于连接每个节点和地面的阻尼器 而刚度分量则相当于连接单元之间的阻尼器 虽然两个阻尼器本身是与频率有关的 但是通过选取合适的系数 可以在有限的频率范围内近似获得频率无关的响应 瑞利阻尼 160 frequency ratioofdampingtocritical 混合 仅有刚度分量 仅有质量分量 采用叠加的方法得到的阻尼比在较大的频率范围内保持定值 3 1 Combinedcurvereachesminimumat 中心频率的选择 161 假设弹性模型计算土石坝不同材料的功率谱曲线 assumingelasticmaterial frequency frequency frequency frequency frequency 阻尼比的选择 162 根据65 最大应变来选择阻尼比和模量衰减参参数 瑞利阻尼的缺点 必须指定中心频率 有时须在一些充满矛盾的数据当中进行选择 场地响应或地震平均频率 刚度比例项会导致时间步减小 163 滞后阻尼 164 FLACVersion5 0andFLAC3DVersion3 0提供了滞后阻尼功能 该项阻尼独立于材料模型之外 实质是包含了一个与应变幅值相关的切线剪切模量乘子 如果割线模量是由衰减曲线来确定的 那么切线模量可以表示为 FromSeed Idriss 1970 Go small strainshearmodulus 滞后阻尼 165 表观应变是偏应变 根据先前反转的点进行累计得到的 使用堆栈的数据结构可以描述应变反转现象 因此 在 迷你滞回圈 中的能量损失与主滞回圈的计算是一样的 elasticmodelwithhysteresisdamping 特定的曲线可以使用滞后阻尼来描述 并在本构模型计算中根据应变的大小获得不同的切线模量 滞后阻尼的特点 166 可以直接采用动力试验中的模量衰减曲线 相对于瑞利阻尼而