PFC培训PPT课件

.1，模拟技术有限公司PFC2D粒子流软件培训，2，主要内容，第一部分PFC2D粒子流程序介绍，第二部分有限差分法基础介绍，第三部分离散元法基础介绍，第四部分PFC2D使用。3，第一部分PFC2D颗粒流程序简介，1。理论背景2。粒子流方法的基本假设3，粒子流方法的特性4，可选特性5，应用领域6，解决方案步骤，4.作为一种离散元，二维颗粒流程序的数值模拟新技术是基于昆达尔1979年提出的离散元方法，用于分析颗粒材料的力学行为，如颗粒聚集体的稳定性、变形和本构关系，特别是用于模拟固体力学中的大变形问题。它通过圆形(或不规则)离散元素模拟颗粒介质的运动和相互作用。每个时刻粒子的位置和速度由平面内的平移和旋转运动方程决定。作为研究颗粒介质特性的工具，它使用数百到数万个有代表性的颗粒单元，通过数值模拟实验可以得到颗粒介质的本构模型。理论背景，粒子跟踪码2维(PFC2D)是一个二维粒子流程序，它用离散元方法模拟圆形粒子介质的运动和相互作用。最初，这种方法是研究颗粒介质特性的工具。它使用数值方法将物体分成数百个有代表性的颗粒元素。期望利用这种局部模拟结果来研究连续计算的边值问题的本构模型。以下两个因素推动了PFC2D方法：的转变和发展(1)通过现场实验：很难获得颗粒介质的本构模型(2)随着微机功能的逐渐增强，用颗粒模型模拟整个问题成为可能，并且一些本构特征可以在模型中自动形成。因此，PFC2D已经成为模拟固体力学和颗粒流问题的有效方法。粒子流方法的基本假设如下：1)粒子单元是刚体。2)接触发生在非常小的范围内，即点接触；3)接触特性是柔性接触，并且在接触处允许一定量的“重叠”。4)“重叠”的量与接触力有关，与颗粒尺寸相比，“重叠”的量非常小。5)接触时的特殊连接强度；6)粒子单元是圆盘形(或球形)。粒子是刚体的假设对于模拟介质仅沿接触面移动的问题非常重要。例如，对于颗粒复合材料，例如沙子或颗粒，使用这种假设通常是合适的，因为这种材料的变形来自颗粒的刚性体之间的滑动和旋转以及接触表面的打开和关闭，而不是来自每个刚性颗粒本身的变形。对于这种特殊材料，没有必要采用非常精确的数值模型来获得材料特性的近似值。PFC2D可以直接模拟圆形粒子的运动和相互作用。粒子可以代表材料中的单个粒子，如砂粒，或粘结在一起的固体材料，如混凝土或岩石。当债券以渐进的方式破裂时，它可能会破裂。内聚性聚集体可以是各向同性的，也可以被分成离散的区域或块。这种物理系统可以用处理角块的离散元程序UDEC和3DEC来模拟。9、PFC2D有三个优点：第一，它具有潜在的高效率。因为圆形物体之间的接触检测比角形物体之间的接触检测简单。其次，可以模拟的位移量实际上没有限制。第三，因为它们是由结合的颗粒组成的，所以这些块体可以断裂，这与UDEC和3DEC模拟的块体不同。使用PFC2D模拟阻塞系统的缺点是阻塞的边界不平坦，用户必须接受不平坦的边界以换取PFC2D提供的优点。PFC2D中几何特征、物理特征和求解条件的描述不如FLAC和UDEC程序简单。例如，连续媒体程序用于创建网格，设置初始pr在粒子程序(如PFC2D)中，由于没有在指定空间中组合大量粒子的唯一方法，因此无法预先指定粒子紧密组合的状态。必须遵循类似于物体压实的过程，直到达到所需的孔隙率。由于颗粒相对位置变化产生的接触力，初始应力状态的确定与初始压实有关。因为边界不是由平面组成的，所以边界条件的设置比连续媒体程序更复杂。当需要满足实验室中实际测试的模拟物体的机械性能时，会出现更大的困难。在某种程度上，这是一个试错的过程，因为没有完美的理论根据微观特征来预测宏观特征。然而，给出一些标准应该有助于模型与原型的匹配，例如哪些因素影响机械行为的某些方面，哪些因素不会。应该认识到，由于现有知识的限制，这种模拟非常困难。然而，使用PFC2D进行实验，我们可以获得一些固体力学的基础知识，尤其是断裂力学和损伤力学。嘿。12、PFC2D可以模拟任何尺寸的圆形颗粒聚集体的动态力学行为。粒子生成器是根据指定的粒子分布规则以概率自动生成的。粒子半径均匀分布或按照高斯分布规则分布。初始孔隙度通常相对较高，但密度压实可通过控制颗粒半径的增大来实现。任何因素都可以在任何阶段改变半径。因此，不需要重复测试就可以获得规定孔隙率的压实状态。13、属性与单个粒子或触点相关，而不是与“类型号”相关因此，您可以在属性和半径中指定连续变化的渐变。关节生成器用于修改沿指定轨迹线的接触特性。假设这些线叠加在粒子的集合体上。通过这种方式，模型可以被弱表面组切割，例如岩石节理。粒子颜色也是一个属性，用户可以指定各种标记方案。为了确保数据不会长时间漂移，坐标和半径以双精度数据存储在，14，PFC2D模型中。接触的相对位移直接从坐标计算，而不是位移增量。接触特性由以下元素组成：1)线性弹簧或简化的赫兹-明德林标准；2)库仑滑块；3)粘结类型：粘结接触可以承受拉力，粘结的抗拉和抗剪强度有限。可以设置两种类型的结合，接触结合和平行结合。这两种类型的结合对应于两种可能的物理接触：接触结合再现了作用在接触点的小面积上的附着效应；(2)平行粘结再现了颗粒接触后浇注其他材料(如水泥灌浆)的效果。平行粘合中附加材料的有效刚度与接触点的刚度相同。块逻辑支持附属粒子组或块的创建，并促进程序的普及。块体中的粒子可以任意程度地重叠，每个具有可变形边界的块体作为刚体可以用作一般形状的超级粒子。通过指定壁的速度、混合粒子的速度以及施加外力和重力来加载系统。“扩展的FISH库”提供了设置特定应力场或在骨料中应用应力边界条件的功能。时间步长计算是自动的，包括赫兹接触模型刚度变化的影响。在模拟过程中，时间步长也根据每个粒子周围的接触数量和瞬时刚度值而变化。基于粒子的估计数量，单元映射策略采用最优的单元数量，并自动调整单元的外部尺寸以适应粒子丢失和指定的新对象。单元映射方案支持接触检测算法，以确保求解时间随粒子数线性增加，而不是二次增加。像美国航空航天学会一样，PFC提供局部无粘阻尼。这种形式的阻尼有以下优点：1)对于匀速运动，体力接近于零，只有当运动加速时才发生阻尼；2)阻尼系数无因次；3)由于阻尼系数不随频率而变化，因此具有di的区域PFC2D包含一种功能强大的嵌入式编程语言FISH，它允许用户定义新的变量和函数，以使数值模型适应用户的特殊需求。例如，用户可以定义特殊材料的模型和属性、加载方法、实验条件的伺服控制、模拟的顺序、用户定义变量的绘制和打印等。17，4，可选特性，1)热分析，2)并行处理技术，3)编写用户定义的接触模型的能力，4)用户编写的C程序的C编程。热选项用于模拟材料中的瞬时热流以及热致位移和力的顺序发展。热模型可以独立运行或者耦合到机械模型。通过改变颗粒的半径和平行结合所承受的力，产生热应变来解释颗粒和结合材料的加热。用户定义的接触本构模型可以用C语言编写，并编译成一个动态链接库文件，该文件可以在需要时立即加载。用户编写的C程序选项允许用户用C语言编写自己的程序，并创建可执行的PFC2D个人版本。该选项可用于取代FISH功能，大大提高运行速度。并行处理技术允许将PFC2D模型分成几个部分，每个部分都可以在单独的处理器上并行运行。与运行在处理器上的PFC2D模型相比，并行处理在存储容量和计算速度上有了很大的提高。在应用领域，PFC2D既能解决静态问题，又能解决动态问题，既可用于参数预测，也可用于原始数据详细情况下的实际模拟。PFC2D模拟试验可以代替室内试验。在岩土开挖的研究和设计中，实测数据相对较少，对初始应力、不连续性等问题只能部分了解。然而，在松散介质流动问题中，很难定量描述影响流动介质不规则分布的因素。因此，应用PFC2D对影响整个系统的一些参数的特性进行初步研究，在了解整个系统的特性后，可以方便地设计模型来模拟整个过程。嘿。20、PFC2D可以模拟粒子间的相互作用问题、大变形问题、断裂问题等。它适用于以下领域：(1)储罐、管道、料斗和筒仓中松散物体的流动问题；(2)崩落采矿中的岩体破裂、坍塌、破碎和岩体流动问题；(3)模具中粉末的压实；(4)由粘性颗粒组成的物体的碰撞和动态破坏；(5)地震反应和梁结构倒塌；(6)研究颗粒材料的基本特性，如产量、流量、体积变化等。(7)研究固体的基本特性，如累积损伤和断裂。(1)定义仿真对象根据仿真意图定义模型的详细过程。如果只判断某一机械机构的不同解释，就可以建立一个相对粗略的模型。只要要解释的机制能够反映在模型中，对模拟问题影响很小的特征就可以忽略。首先，建立力学模型的基本概念形成了分析对象在某一初始特征下的初步概念。因此，首先应该提出一些问题，如系统是否会变得不稳定，问题变形的大小，主要的力学特性是否是非线性的，介质的不连续性是否需要定义，系统边界是实际边界还是无限边界，系统结构是否具有对称性。在此基础上，描述了模型的一般特征，包括粒子单元的设计、接触类型的选择、边界条件的确定和初始平衡状态的分析。简化模型的构造和操作在实际工程模型建立之前，先构造和操作一系列的简化测试模型，可以提高问题解决的效率。通过这个早期简化模型的运作，我们可以对机械系统的概念有更深的理解。有时在分析简化模型的结果之后(例如，所选择的接触类型是否具有代表性、边界条件对模型结果的影响程度等)。)，第二步需要修改。，24，4)模拟问题的补充数据实际工程问题的模拟需要大量的简化模型运算结果。对于地质力学，它包括：a)的几何特征，如地下开挖峒室的形状、地形、坝体形状、岩土结构等。b)地质构造位置，如断层、节理、层面等。c)材料特性，如弹性/塑性、失效后特性等。d)初始条件，如地应力状态、孔隙压力、饱和度等。e)外部荷载，如冲击荷载、开挖应力等。由于一些实际工程性质(特别是应力状态、变形和强度特性)的不确定性，有必要选择合理的研究参数范围。第三步是简化模型的操作，这有助于这种选择，从而为进一步的实验提供信息。模拟操作的进一步准备a)合理确定每一步所需的时间。如果运行时间太长，很难得到有意义的结论，所以应该考虑在多台计算机上同时运行。b)应及时保存模型的运行状态，以便在后续运行中调用其结果。例如，如果在分析中有多个装载和卸载过程，那么它应该能够方便地返回到每个过程，并且在改变参数之后能够继续操作。c)应有足够的监测点(如参数变化、不平衡等。)在程序中随时比较和分析中间模拟结果，并分析粒子的流动状态。26，6)运行计算模型在模型正式运行之前，运行一些测试模型，然后暂停它们，根据一些特征参数的测试或理论计算结果，检查模拟结果是否合理，当确定模型运行正确时，连接所有数据文件进行计算。7)解释结果、计算结果和实测结果的分析比较。图形应集中在要分析的区域，如应力集中区域，各种计算结果应能方便地输出进行分析。第二部分有限差分法介绍连续介质三维快速拉格朗日有限差分法是近20年来逐渐成熟和完善的一种新型数值计算方法。它基于显式差分法求解运动方程和动力学方程，可以模拟岩石、土壤或其他材料的三维力学行为。计算区域首先被离散化并分成几个三维元素。元素由节点连接。节点承受载荷后，其平衡方程(运动方程)可以写成时间步长为t的有限差分形式。由于采用了动态应力松弛显式差分求解技术，作用在节点上的载荷在一定的微小时间内只影响周围的几个节点。28，根据单元节点的速度变化和时间周期t可以得到单元之间的相对位移，进而可以得到单元应变，利用单元材料的本构关系可以得到单元应力。在此基础上，计算单元间的不平衡力，并再次对节点施加不平衡力，然后进行下一次迭代过程，直到整个系统的不平衡力足够小或节点位移趋于平衡。FLAC3D可以解决许多难以用有限元程序模拟的复杂工程问题，如分布式开挖、大变形、非线性和不稳定系统(甚至大面积屈服/失稳或完全坍塌)。离散元法是模拟不连续介质的一种计算方法。自20世纪70年代康达尔提出以来，它已被广泛应用于岩石力学、土力学、结构分析等领域的数值模拟。这是一种新的不连续体分析方法。离散单元法允许单元间的相对运动，不一定满足位移连续性和变形协调性条件，计算速度快，存储空间小，特别适合节理岩体的大位移和大变形分析。离散元法自问世以来取得了很大的进步，已经成为解决岩石力学问题的重要数值方法。因为工程中看到的岩体已经不连续近年来，离散元方法的应用领域已经扩展到解决连续介质向不连续介质转化的力学问题。混凝土等脆性材料在冲击和侵彻等动态载荷作用下的损伤和破坏本质上是力学模型从连续到不连续的转变过程。基于传统连续介质力学的有限元等数值计算方法不能直接用于计算和模拟材料的具体失效形式和整个失效过程，而离散单元法在这方面显示出强大的生命力。31，第四部分