数值模拟讲课PPT2

1、汇报内容汇报内容一一、数值模拟方法与软件简介、数值模拟方法与软件简介二二、MIDAS、FLAC软件模拟操作软件模拟操作三三、模拟操作个人总结、模拟操作个人总结四、四、感想感想大多数的工程问题，物体的几何形状较复杂或者其某些特征是非线性的，很少可直接获得问题的解析解。目前解决途径:简化假设，（只在有限的情况可行，但过多的简化将可能导致不正确的甚至错误的解）借助计算机来获得满足工程要求的数值解，这就是数值模拟技术一、数值模拟方法与软件简介一、数值模拟方法与软件简介p应用软件：一、数值模拟方法与软件简介一、数值模拟方法与软件简介数数值值模模拟拟方方法法连续连续介质介质有限元有限元有限差分有限差分边界

2、元边界元无界元无界元离散元离散元颗粒元颗粒元流形元流形元非非连续连续介质介质p基本原理： 将连续的求解域分割成有限个单元； 用未知参数方程表征单元的特性； 各个单元的特征方程组合成代数方程组； 通过求解方程组得到节点上的未知参数；获取结构内力等需要考察的输出结果；一、数值模拟方法与软件简介一、数值模拟方法与软件简介数数值值模模拟拟方方法法连续连续介质介质有限元有限元有限差分有限差分边界元边界元无界元无界元离散元离散元颗粒元颗粒元流形元流形元非非连续连续介质介质p基本原理： 将求解域划分为差分网格； 空间离散处的控制方程组导数用网格节点函数值的差商代替； 建立起以网格节点的值为未知数的代数方程组

3、； 微分问题变为代数问题的近似数值解法；p应用软件：一、数值模拟方法与软件简介一、数值模拟方法与软件简介数数值值模模拟拟方方法法连续连续介质介质有限元有限元有限差分有限差分边界元边界元无界元无界元离散元离散元颗粒元颗粒元流形元流形元非非连续连续介质介质p基本原理： 边界积分方程转变为线性代数方程组； 求解各边界单元的节点处待定的边界值； 建立边界值与域内函数值之间的解析公式； 求得区域内任一点的函数值；p 应用软件：一、数值模拟方法与软件简介一、数值模拟方法与软件简介数数值值模模拟拟方方法法连续连续介质介质有限元有限元有限差分有限差分边界元边界元无界元无界元离散元离散元颗粒元颗粒元流形元流形元

4、非非连续连续介质介质p基本原理： 研究对象划分为一个个独立单元； 采用迭代方法确定所有单元受力与位移； 跟踪计算每个单元的微观变化，得到研究对象的宏观运动规律；p应用软件：一、数值模拟方法与软件简介一、数值模拟方法与软件简介FLAC，MIDAS，PLAXIS，ANSYS，ABAQUS 比较比较软件软件优点优点不足不足FLACFLAC1. 1.岩土工程方面专业岩土工程方面专业; ;2. Fish2. Fish语言，开放性好语言，开放性好; ;1. 1.建模能力弱建模能力弱; ;2. 2. 界面不友好界面不友好; ;MIDASMIDAS1. 1.中文界面，建模能力中文界面，建模能力强强; ;2.2

5、.可视化能力强；可视化能力强；1. 1.缺乏命令流缺乏命令流; ;2.2.解决一般工程；解决一般工程；PLAXISPLAXIS1. 1.专业定制，精度高专业定制，精度高; ;2.2.操作简单，上手快；操作简单，上手快；1. 1.开放性差开放性差; ;ANSYSANSYS1. 1.通用软件，资源丰富通用软件，资源丰富; ;2.2.参数化语言；参数化语言；1. 1.专业性不专业性不强强; ;ABAQUSABAQUS1. 1.非线性计算，界面好非线性计算，界面好; ;2.2.岩土方面高级用户使用；岩土方面高级用户使用；1. 1.专业性不专业性不强强; ;一、数值模拟方法与软件简介一、数值模拟方法与软

6、件简介FLAC，ANSYS，ABAQUS 比较比较软件模拟计算步骤前处理计算分析后处理FLAC模型程序的编写计算锚固问题操作简便；成图效果好；ANSYS点线面体结构优化设计或拓扑优化设计生成节理单元；节理裂隙处理差；ABAQUS模型各部分组合计算接触问题热交换、质量传递等处理效果好；汇报内容汇报内容一一、数值模拟方法与软件简介、数值模拟方法与软件简介二二、MIDAS、FLAC软件模拟操作软件模拟操作三三、模拟操作个人总结、模拟操作个人总结四、四、感想感想二、二、MIDASMIDAS、FLACFLAC软件模拟软件模拟操作操作1. 有中文破解版，界面友好；2. 软件操作较为简单，上手快；3. 前处

7、理优势明显，建立模型容易；1. 专用的岩土工程软件；2. 计算分析功能强大；3. 软件后处理效果好；建模用建模用MIDAS，计算分析、后处理用，计算分析、后处理用FLAC。二、二、MIDASMIDAS、FLACFLAC软件模拟软件模拟操作操作1989年韩国浦项集团CAD/CAE研发机构开发MIDAS；2000年成立MIDAS IT 公司。二、二、MIDASMIDAS、FLACFLAC软件模拟软件模拟操作操作几何曲线在工作平面上建立二、二、MIDASMIDAS、FLACFLAC软件模拟软件模拟操作操作几何曲线交叉分割交叉分割对交叉的线段进行分割，将整体分割成几个部分，但不会发生量的变化。土层1土

8、层2土层3二、二、MIDASMIDAS、FLACFLAC软件模拟软件模拟操作操作几何曲面建立平面各线段闭合，才能产生平面各线段闭合，才能产生平面二、二、MIDASMIDAS、FLACFLAC软件模拟软件模拟操作操作几何生成几何体扩展只有在平面基础上才能进行扩展；只有在平面基础上才能进行扩展；进行扩展时，确定好扩展的方向以及扩展进行扩展时，确定好扩展的方向以及扩展长度。长度。二、二、MIDASMIDAS、FLACFLAC软件模拟软件模拟操作操作几何布尔运算并集、差集、交集并集交集二、二、MIDASMIDAS、FLACFLAC软件模拟软件模拟操作操作几何布尔运算并集、差集、交集差集土层桩体土层桩体

9、土层作主形状桩体作主形状共用面共用面处理好实体之间的差集、并集；否则划分的网格无处理好实体之间的差集、并集；否则划分的网格无法耦合。法耦合。二、二、MIDASMIDAS、FLACFLAC软件模拟软件模拟操作操作几何转换移动、复制，旋转注意：建立单个成品个体，然后进行复制，旋转；切勿建立多个原型，然后对多个半成品就行操作。二、二、MIDASMIDAS、FLACFLAC软件模拟软件模拟操作操作模型特性属性建立模型属性、材料性质时，应对两者准确命名，建立模型属性、材料性质时，应对两者准确命名，并做到属性与材料的统一。并做到属性与材料的统一。二、二、MIDASMIDAS、FLACFLAC软件模拟软件模

10、拟操作操作网格网格尺寸控制线、面、形状 节点节点间隔（视建模情况而定）间隔（视建模情况而定） 选择选择线、面、形状线、面、形状 播种方法（单元长度、分割数量）播种方法（单元长度、分割数量）二、二、MIDASMIDAS、FLACFLAC软件模拟软件模拟操作操作网格自动划分网格线、面、实体选择要划分网格的实体；选择要划分网格的实体；确定网格的单元尺寸；确定网格的单元尺寸；确定实体网格的属性；确定实体网格的属性；填写实体网格的名称。填写实体网格的名称。选择实体的模型属性时，不要犯低级错误，以免导选择实体的模型属性时，不要犯低级错误，以免导致网格实体各组间发生混淆。致网格实体各组间发生混淆。二、二、M

11、IDASMIDAS、FLACFLAC软件模拟软件模拟操作操作模型节点节点表格模型单元表格FLAC格式文件二、二、MIDASMIDAS、FLACFLAC软件模拟软件模拟操作操作二、二、MIDASMIDAS、FLACFLAC软件模拟软件模拟操作操作、建模前先应做好模型草图，做到心中有数。、建模前先应做好模型草图，做到心中有数。、建模过程中尽量不要改动既定模型的尺寸大小。建模过程中尽量不要改动既定模型的尺寸大小。、建模过程中注意标明各表面、实体的名称。建模过程中注意标明各表面、实体的名称。、建模过程中合理确定网格的单元尺寸。建模过程中合理确定网格的单元尺寸。、曲面完成，关闭曲线层。实体完成，关闭曲面

12、层。、曲面完成，关闭曲线层。实体完成，关闭曲面层。二、二、MIDASMIDAS、FLACFLAC软件模拟软件模拟操作操作ITASCA是1981年美国明尼苏达大学5位教师创办的岩石力学技术机构。二、二、MIDASMIDAS、FLACFLAC软件模拟软件模拟操作操作基于三维显式有限差分法基于三维显式有限差分法的分析方法，的分析方法，模拟岩石、模拟岩石、土体土体及其他材料的及其他材料的大变形大变形、挠曲或塑性流动、挠曲或塑性流动，适用，适用于岩土力学中的于岩土力学中的非线性大非线性大变形或不稳定问题变形或不稳定问题。 计算区域划分成若干个四面体单元计算区域划分成若干个四面体单元 区域单元给定边界条件

13、及本构关系区域单元给定边界条件及本构关系 材料材料随着随着单元单元网格的移动而变形网格的移动而变形二、二、MIDASMIDAS、FLACFLAC软件模拟软件模拟操作操作功能功能命令命令功能功能命令命令清除、调用命令文件New、Call 初始平衡及计算求解Step、SolveSet mech、Set gravity生成网格Generate、Impgrid、Expgrid执行变更Model 、Property Apply 、Fix 定义材料本构关系、性质Model、Property 计算结果保存及调用Save 、Restore 定义边界、初始条件Apply、Fix Initial 图形绘制及结果输

14、出Plot、Hist 网格准确性Attach face收敛标准Set mech ratio 弹性模型elastic摩尔库伦mohr材料性质密度(dengsity)体积模量(bulk)剪切模量(shear)材料性质粘聚力(cohesion)摩擦角(friction)抗拉强度(tension)剪胀角(dilation)二、二、MIDASMIDAS、FLACFLAC软件模拟软件模拟操作操作设置边界条件设置边界条件定义材料性质定义材料性质设置初始条件设置初始条件生成网格单元生成网格单元结果输出结果输出求解求解加载及连续建模加载及连续建模初始地应力平衡初始地应力平衡建立建立分析模型分析模型：根据根据工程

15、工程资料资料，建立三维建立三维模型模型； 根据根据组组力学参数力学参数，定义材料定义材料性质性质； 根据坐标根据坐标的位置，限制模型的位置，限制模型的的边界；边界；加载加载及连续建模：及连续建模：模拟模拟施工扰动施工扰动通过模型组的通过模型组的材料材料特性特性以及以及本构模型本构模型的的改变改变来实现，主要表现为来实现，主要表现为材料材料的开挖的开挖、单元节点载荷变化单元节点载荷变化或压力的增减等。或压力的增减等。计算结果的输出计算结果的输出处理，即后处理处理，即后处理过程过程，根据，根据自己的自己的需要，选择输出需要，选择输出相应点的相应点的位移位移、应力、应力等值线图等值线图或或某某个组的

16、变形、应力云图。个组的变形、应力云图。12种种本本构构模型：模型：1个开挖模型（个开挖模型（null空模型）空模型）；3个个弹性弹性模型；模型；8个弹塑性个弹塑性模型。模型。常用模型：常用模型：空模型、空模型、mohr模型、弹性模型、弹性(elastic)模型模型二、二、MIDASMIDAS、FLACFLAC软件模拟软件模拟操作操作自重产生沉降自重产生沉降+ +模拟施工沉降模拟施工沉降= =模型总体沉降模型总体沉降Solve; 求解地应力状态求解地应力状态模型地应力状态求解的开始模型地应力状态求解的开始模型最大不平衡力与起始节点力平均值的模型最大不平衡力与起始节点力平均值的控制比值为控制比值为

17、1e-5。（。（set mech ratio=1e-5）Save 平衡地应力.sav;保存平衡地应力状态设定节点设定节点x、y、z方向位移初始值为方向位移初始值为0Ini xdis=0 ydis=0 zdis=0;平衡地应力状态File-restore 平衡地应力调用平衡地应力文件二、二、MIDASMIDAS、FLACFLAC软件模拟软件模拟操作操作density=1800 bulk=31.25E6 shear=5.28E6 friction=20 cohesion=35e3, tension=0(E=15e6, =0.42)density=1800 bulk=41.67E6 shear=7.

18、04E6(E=20e6, =0.42, elastic模型)density=1800 bulk=31.25E6 shear=5.28E6friction=20 cohesion=60e3, tension=1e10density=1800 bulk=41.67E6 shear=7.04E6friction=20 cohesion=60e3, tension=1e10 二、二、MIDASMIDAS、FLACFLAC软件模拟软件模拟操作操作密度(density);体积模量(bulk);剪切模量(shear);内摩擦角(friction)；粘聚力(cohesion)；抗拉强度(tension)；剪胀

19、角(dilation)密度(density);体积模量(bulk);剪切模量(shear);3 1 2EK2 1EG密度(density)kg/m3;体积模量(K)剪切模量(G)弹性模量(E) 粘聚力(coh) 抗拉强度(ten) Pa;内摩擦角(friction)/剪胀角(dilation)度()；模型组密度弹性模量/MPa泊松比体积模量/MPa剪切模量/MPa摩擦力/黏聚力/kPa抗拉强度/Pa序号素填土18.00 8.00 0.42 16.67 2.82 8.00 28.00 0.00 1 粉质粘土19.00 20.00 0.30 16.67 7.69 5.00 40.00 0.00 2

20、 强风化23.00 50.00 0.30 41.67 19.23 15.00 60.00 0.00 3 中风化24.00 60.00 0.25 40.00 24.00 17.00 70.00 0.00 4 空隧道24.00 60.00 0.25 40.00 24.00 17.00 70.00 0.00 5 隧道支护层24.00 60.00 0.25 40.00 24.00 17.00 70.00 0.00 二、二、MIDASMIDAS、FLACFLAC软件模拟软件模拟操作操作模型组密度弹性模量泊松比体积模量体积模量摩擦力黏聚力抗拉强度/Pa序号隧道支护层24.00 24.00 0.20 13.

21、33 10.00 6 shell25.00 10.00 0.20 5.56 4.17 表表1 1 真实土层参数真实土层参数表表2 2 支护结构参数支护结构参数Plot show ;界面显示Plot block group ;模型网格的显示fix x range x -37.51 -37.49 ;固定边界x=0面点方向速度fix x range x 37.49 37.51 ;固定边界x=3面点方向速度Fix y ran y -0.1 0.1 ;固定边界y=0面点方向速度fix y range y 35.9 36.1 ;固定边界y=3面点方向速度Fix z ran z -0.1 0.1 ;固定边界

22、z=0面点方向速度model mohr ran gro 1 ;素填土prop dens=1800 bulk=16.67E6 shear=2.82E6 friction=18 cohesion=40e3 tension=1e10 ran gro 1model mohr ran gro 2 ;粉质粘土prop dens=1900 bulk=16.67E6 shear=7.69E6 friction=12 cohesion=60e3 tension=1e10 ran gro 2model mohr ran gro 3 ;强风化prop dens=2300 bulk=41.67E6 shear=19.

23、23E6 friction=20 cohesion=60e3 tension=1e10 ran gro 3model mohr ran gro 4 ;中风化prop dens=2400 bulk=40.00E6 shear=24.00E6 friction=25 cohesion=90e3 tension=1e10 ran gro 4二、二、MIDASMIDAS、FLACFLAC软件模拟软件模拟操作操作设置模型边界条件设置模型边界条件model mohr ran gro 5 ;空隧道prop dens=2400 bulk=40.00E6 shear=24.00E6 friction=25 co

24、hesion=90e3 tension=1e10 ran gro 5model mohr ran gro 6 ;隧道支护层prop dens=2400 bulk=40.00E6 shear=24.00E6 friction=25 cohesion=90e3 tension=1e10 ran gro 6set grav 0,0,-10 set mech ratio=1e-5 Solve ini xdis=0 ydis=0 zdis=0 save 平衡地应力.sav二、二、MIDASMIDAS、FLACFLAC软件模拟软件模拟操作操作二、二、MIDASMIDAS、FLACFLAC软件模拟软件模拟操

25、作操作plot showplot con zdmodel mohr ran gro 1 ;素填土prop density=1800 bulk=16.67E6 shear=2.82E6 friction=18 cohesion=28e3 ran gro 1model mohr ran gro 2 ;粉质粘土prop density=1900 bulk=16.67E6 shear=7.69E6 friction=12 cohesion=40e3 ran gro 2model mohr ran gro 3 ;强风化prop density=2300 bulk=41.67E6 shear=19.23E

26、6 friction=20 cohesion=60e3 ran gro 3model mohr ran gro 4 ;中风化prop density=2400 bulk=40.00E6 shear=24.00E6 friction=25 cohesion=70e3 ran gro 4model mohr ran gro 5 ;空隧道prop density=2400 bulk=40.00E6 shear=24.00E6 friction=25 cohesion=70e3 ran gro 5model mohr ran gro 6 ;隧道支护层prop density=2400 bulk=40.

27、00E6 shear=24.00E6 friction=25 cohesion=70e3 ran gro 6真实参数hist id=1 gp zdis -13 18 31.8 ;左隧道拱顶沉降hist id=2 gp zdis 13 18 31.8 ;右隧道拱顶沉降hist id=3 gp zdis -13 18 40 ;左隧道上方地表沉降hist id=4 gp zdis 13 18 40 ;左隧道上方地表沉降model null range gro 5 y 0 3 ;空隧道model null range gro 6 y 0 3 ;隧道支护层step 100sel shell id=1 r

28、ange gro 6 y 0 3 sel delete shell ran y 0 sel shell id=1 prop iso=(10e9,0.20) thick=0.2 density=2400 sel node local xdir 0 0 -1 ydir 0 -1 0 range y 0 0.1 sel node fix lsys range y 0 0.1 sel node fix y xr zr range y 0 0.1Solve ;求解save 第一次.sav二、二、MIDASMIDAS、FLACFLAC软件模拟软件模拟操作操作设置监测点设置监测点模拟开挖模拟开挖模拟初支模拟

29、初支模拟开挖模拟开挖model null range gro 5 y 3 6 ;空隧道model null range gro 6 y 3 6 ;隧道支护层step 100sel shell id=1 range gro 6 y 3 6sel delete shell ran y 0 sel shell id=1 prop iso=(10e9,0.20) thick=0.2 density=2400 sel node local xdir 0 0 -1 ydir 0 -1 0 range y 0 0.1 sel node fix lsys range y 0 0.1 sel node fix

30、y xr zr range y 0 0.1solvesave 第二次.sav二、二、MIDASMIDAS、FLACFLAC软件模拟软件模拟操作操作模拟初支模拟初支模拟二衬模拟二衬mo el ran gro 6 y 0 4 prop density=2500 bulk=13.33E9 shear=10.00E9 ran gro 6 y 0 4 solvesave 加二衬1.savmo el ran gro 6 y 4 8prop density=2500 bulk=13.33E9 shear=10.00E9 ran gro 6 y 4 8solvesave 加二衬2.sav.mo el ran

31、gro 6 y 32 36prop density=2500 bulk=13.33E9 shear=10.00E9 ran gro 6 y 32 36solvesave 隧道模型最终解.sav二、二、MIDASMIDAS、FLACFLAC软件模拟软件模拟操作操作Plot block state ;塑性区分布二、二、MIDASMIDAS、FLACFLAC软件模拟软件模拟操作操作二、二、MIDASMIDAS、FLACFLAC软件模拟软件模拟操作操作Plot con zd ;整体竖向变形云图1Plot con zd ou on ;整体竖向变形云图2二、二、MIDASMIDAS、FLACFLAC软件模

32、拟软件模拟操作操作Plot hist 1 ;左隧道中部拱顶沉降Plot con zd plane ;断面18m处竖向变形云图汇报内容汇报内容一一、数值模拟方法与软件简介、数值模拟方法与软件简介二二、MIDAS、FLAC软件模拟操作软件模拟操作三三、模拟操作个人总结、模拟操作个人总结四、四、感想感想三、模拟操作个人三、模拟操作个人总结总结杂填土素填土淤泥质粉质粘土粉质粘土含粘性土砾砂强风化凝灰岩中风化凝灰岩支撑支撑 合理简化模型，合理确定模型大小；合理简化模型，合理确定模型大小； 合理设置坐标轴的位置，确定变量监测点；合理设置坐标轴的位置，确定变量监测点；Plot block state ;塑性区分布三、模拟操作个人三、模拟操作个人总结总结Plot con zd ;整体竖向变形云图Plot con zd plane ;断面10m处竖向变形云图Plot con xd ;整体横向变形云图Plot hist 1 ;10m处左线隧道拱顶沉降图根据具体模型情况，合理选择模型变