第讲-pfc介绍与基本原理基础概念篇

河海大学岩土数值计算依泰斯卡( )咨询颗粒离散元(PFC)数值模拟技术石崇1/61讲课人简介http:/s/70/t/80/95/ea/info38378.htm，现于河海大学岩土工程科学石崇，男，工作。研究方向:岩土力学计算理论与方法；岩土工程多尺度数值仿真岩石动力学；岩土工程安全与相关论著：石崇，.颗粒流数值模拟技巧与实践[M],中国建筑工业石崇，王如宾.实用岩土计算 基础

[M],中国建筑工业，2015，2016石崇，褚卫江，郑文棠.块体离散元数值模拟技术及工程应用[M],中国建筑工业出版社，2016年11月底石崇，张强，等.PFC5.0数值模拟技术与案例集锦,预计2016年2/6113/6连续的分析方法：1，有限元(FEM)，代表性ANSYS2，有限差分法(FDM),

代表性

FLAC3，边界元法(BEM)，等等其他一些连续方法非连续的分析方法：1，非连续变形分析方法，DDA2，离散单元法，DEM，代表性3DEC它们都是基于完全连续假说之上的连续分析方法它们都是基于块体理论和离散介质基础的完全非连续分析方法连续到非连续分析方法1，数值流形方法(NMM)3，无网格方法5，颗粒流方法2，扩展有限元(XFEM)4，连续-非连续细胞自 方法(CDCA)这些方法实现了连续到非连续的常用的数值方法FLAC2D/FLAC3D

岩土体工程高级连续介质力学UDEC/3DEC

高级非连续力学分析程序PFC2D/PFC3D为类岩土材料和粒状系统设计的2D/3D微细观力学离散元分析程序ITASCA公司开发的数值计算4/61针对岩土体问题开发、但不限于岩土体问题，如……可以解决大变形、甚至几何形态破坏问题可以追踪记录破坏过程（边坡、 硐室破坏过程）多种岩土本构：静力+流体+动力+蠕变+自定义地质结构面模拟：确定性结构面+半确定型结构面（随机裂隙）水模拟：均质流体+裂隙流复杂施工过程模拟（分布开挖、回填、加固）多种岩土体加固措施：梁/桩/锚杆/锚索/+壳/织物/衬砌内置外接程序语言满足用户特定要求：FISH-二次开发环境优势功能ITASCA系列

优势功能全部在岩石力学学家的直接指导和参与下进行5/61PFC系列的优点6/61石油工程--PFC应用案例水力劈裂过程的数值模拟7/61PFC应用案例主要用于岩石、混凝土等材料的电液伺服控制的常规力学试验，配有伺服控制的全自动三轴加压和测量系统8/61钻进时破裂发展情况(共1926个裂纹)9/61红色:

张裂(1713个张裂纹)蓝色:

剪裂( 213个剪裂纹)破裂问题破裂问题—岩石剪切破坏过程的受力特征10/61破裂问题—起伏结构面剪切过程的破裂特征11/61大区域地内岩浆流动的PFC模拟12/61PFCPFC是利用离散元法模拟球形颗粒运动和相互作用的

。颗粒模型被用来代表单元的行为（条件是

的），而连续方法被用来解决真实的具有复杂变形模型的问题（其中单元行为取决于颗粒模型测试）。两个事实给这种近似带来变化，首先对于颗粒集合而言，从测试结果中得到本构关系定律非常

；再则，随着计算机运算技术及存储量的飞速发展，使得大量颗粒模拟成为可能；本构关系则自动在模型中体现出来。13/61FEM

FDMBEM

DEM

...能够模拟连续和非连续问题的材料各力学行为(包括弹性、塑性、开裂、破裂、峰值载荷后劣化、突变等)的数值模拟工具已成为研究者追求的目标。不连续性和非线性研究方法损伤力学和断裂力学研究方法块体力学研究方法离散单元研究方法数值流形研究方法不确定性研究方法系统分析方法非线性系统理论分析方法状态分析

处理连续和非连续问题分析 基于离散介质运动分析PFC为什么这么流行？【岩土工程】14/61采矿水电交通市政其他破坏/61对岩石强度破坏和裂纹扩展特征试验研究3种方法:模型试验：单轴与双轴压缩下含裂隙的类岩石材料(模型材料)开展的试验方法；数值模拟：采用数值

(如RFPA,

DEM等.)

对裂隙岩石试样开展的数值模拟；物理试验：单轴压缩下真实裂隙岩石材料的试验方法。Bobet

andEinstein(1998)Model

testTang

C

A,etal

(2001)NumericalSQ,etal

(2008)Physical利用PFC再现岩土强度破坏和裂纹扩展为什么要用PFC+PFC能做什么？17/6118/61PFC5.0的特点Pfc5.0是一个完整的Pfc代码重新设计，提高了代码库以助于未来发展和提供了以下的好处。(1)自动多线程设计有效提高了在多核处理器上的性能。在不修改数据文件的前提下，模型将会在多核处理器上运行的更快。(2)杠杆算法设计提

确、快速和更易获得的结果，其主要优势如下：①多线程空间搜索和接触判断提高了复杂粒径分布和快速流动问题的执行速度②改进的墙逻辑支持几何表面数据的引进（3d的三角形面，文件格式包括stl和dxf）。与Pfc4.0相比，墙逻辑在Pfc5.0中得到了更有效的提高，支持快速的运行时间，并且墙逻辑精确地解决了在凸面和凹面边缘之间的接触迁移。19/61③加强的块能力能容易并且有效地

球和簇集合装配，因此可以减少时间创建较大的，压缩模型，例如创建粘结颗粒模型。它也是可以输出块来重复利用。④改进的周期性空间逻辑支持球，簇和所有的接触模型。提供了一个简单并且有效的方法去创建块。⑤改进的簇逻辑使复杂形状简单化。一个簇是一个刚性的球结合体，用户可以指定特性。簇模板可以自动从表面描述生成（使用一种内嵌的气泡算法）。他们的特性能被计算或者指定，他们也可以被输出重复使用。簇容易从模板中生成，并且能从他们的表面描述中可视化。⑥扩展的球/簇生成程序可以生成球和簇复杂装配的模型。考虑一个粒径分布，可以通过一个单一

令生成一个装配。20/61的交流现在是支持的，扩大了效仿现象的范围。使用者能指定接触的相互作用距离以便于力和力矩在颗粒间以一定距离发展（例如地磁力，毛细血管作用）。扩展的fish语言和函数库提供了快速和综合性地接触模型变量，并且减轻了写数据文件的任务。Fish语言的提高包括函数自变量，局部变量，内联的fish，矩阵，张量和一个调试器。一个新的用户界面包括加速的图形可视化（使用OpenGL），更新的plot条目和range过滤器，一个内嵌的编辑器，可以高亮显示文本，一个文件探索器，一个fish变量探索器，一个工程界面（处理数据和保存文件）和撤销功能只需单击就可以生成全部文档。21/61新的接触模型分配表带来灵活性，使用range逻辑，不需要使用复杂的fish函数分配接触模型。当接触创建的时候，CMAT提供接触模型和它的属性（可能来源于两个接触面的特性）。结果，涉及非均质材料特性的复杂模型能被以一个直接的方式。、新的离散裂隙网络能生成，导入，导出，过滤，可视化DFNs。这个逻辑与Pfc5.0结合可以提供内嵌

的岩体（SRM）。22/61PFC5.0停止使用的功能基本流体分析的选项。在Pfc5.0中基本流体分析选项已经被停用，而是跟CCFD开源程序耦合，c++粗糙网格流体界面覆盖了Pfc5.0的计算。Pfc4.0并行处理选项不方便客户使用，因此停用，多线程并行处理是Pfc5.0的一个标准特征用户编写的c++代码选项是C++/UDM选项，停用。替换为c++插件选项c++用户自定义的fish组件Itasca

查看器选项。在Pfc5.0里itasca查看器选项停用，替换为Pfc5.0新的用户界面所取代Pfc4.0的保存文件和数据文件与Pfc5.0不是兼容的。23/61的安装与卸载(1)运行安装Pfc通常通过闪存盘安装，偶尔通过DVD安装。为了安装，首先要安装媒介。一旦后，一个“autoplay”

框将会出现。如果使用一个闪存盘，选择”open

folder

to

view

files”并且然后打开文件“start.exe”。如果使用一个DVD，选择”run

start.exe”。在这种情况下”autoplay”框不将出现。根

下运行”start.exe”。从提供的选项点击”Pfc”按钮开始安装Pfc。安装向导将会在整个过程中指导你。安装向导包括四个屏幕（

”

e”

，

“end

user

licenseagreement”，”destination

folder”，and

“

ready

to

install”）。在大多数情况下使用者可以接受在这些屏幕上的默认选项（点击”next”）。在安装

之后，移除安装USB闪存盘。在一个可提供的USB接口

安全锁。(2)卸载卸载

最好在Windows控制面板Windows“programs

and

features”

中卸载。具体步骤：在Windows7和较早的版本中依次选择

开始、控制面板、卸载一个程序。在Windows

8

和之后的版本中，在Pfc程序上右击并且点击在菜单上的卸载按钮。24/61PFC文件系统PFC运行和

时都会产生文件。了解这些文件系统的区别，有助于加深

的运用和分析。项目文件。项目文件是PFC管理绘图、数据、fish、

文件的重要途径，同时它也定义了

项目的文件夹。在一个项目计算开始时，必须首先定义项目文件，否则采用命令行创建的文件会存放到未知位置(通常会在C:\ sandSettings\Administrator文件夹下)，不利于文件的管理，用户不得不在计算后四处查找相关文件。如果项目文件完备，所有的项目相关文件均位于同一文件夹下。时间历程文件用户在命令栏输入

HISTORY

write

n，n为记录

，系统会生成一个标准ASCII字符集编码的字符的数据和文本文件，文件可以用文本编辑器打开，并利用其它数据编辑器绘制曲线等。25/61数据文件在运行PFC分析时，可以采用界面输入命令，也可以采用数据(命令流批处理)文件进行。该文件由格式化的PFC命令集用户编制的函数等构成，是效率最高的PFC运行方式，文件名与后缀均可任意设置，利用CALL命令导入数据文件即可逐条运行。但为了好区分各种文件，

采用“.3DDAT”作为命令输入文件扩展名，采用“.FIS”作为fish函数说明。需要注意：文本命令文件中每一行要采用回车结束，否则本行不会执行，因此数据文件最后一行可以采用注释或者划线来避免这一问题。文件如果在命令栏中输入命令“SAVE”,

PFC5.0版本的默认

文件为*.P2SAV或者*.P3SAV，因此利用SAVE

或者采用RESTORE命令导入模型时，都不需要加后缀。一个SAVE文件为二进制文件，不能用文本编辑器编辑，它

了计算参数、模型、变量等数据，可以方便的研究参数变化影响而不需从头开始，因此在一个计算中多设置几个SAVE文件是很有用的。26/61运行Pfc安装程序创建一个“itasca”组在开始菜单中（Windows7和先前的版本），或者一个拼贴在开始屏幕上（Windows8和之后版本）。有必要的安全锁的驱动程序被安装。Pfc安全锁应当插在

USB接口上。运行Pfc，简单地点击信息上的每个按钮，修改开始属性去设置程序的工作

，右击图标快捷方式并且按照上述方式指定自己个人的工作目并且选择属性，点击”打开文件位置”，录。当Pfc运行第一次的时候，三个框有可能出现。的位置或者提供一个新位第一个是Copy

Application

Data

dialog，强烈鼓励使用者接受置。一旦被完成后，这个

框以后不将出现。第二个

框是Update

Alertdialog，当一个程序更新可提供时这个程序出现。除非使用者碰巧在Pfc5.0最近版本安装了程序，否则这个

框最有可能在第一次开始程序的时候出现。第三个

框是Startup

Options

dialog，当第一次开始程序的时候，最明智的选项是“createnew

project…”或者“cancel”。27/61Pfc文件夹在程序安装中，默认的程序地址是：c:\programfiles\Itasca\Pfc500。文件夹和它所包含的子文件夹涉及程序的可执行文件和动态库，还有程序文件。Pfc的可执行文件是“Pfc2d500_gui.exe”（Pfc2d）和“Pfc3d500_gui.exe”(Pfc3d)。Pfc由In

c++compiler12.1编译。除了可执行的代码，动态库（dlls）也是可提供的。文件夹下的PFChelp.可以查看所有的内容这是当前学习pfc5.0版本的主要资料28/61程序操作界面：-建议界面交互操作双击pfc2d500或pfc3d500图标，程序界面DOS版交互操作界面29/61界面交互操作整个Pfc界面大致分为如下区块：标题栏、菜单栏、命令按钮、工程文件窗口、保存文件区、命令控制窗口、图表区域、图表控制选项、图像转动控制。30/61界面交互操作菜单栏分为文件、编辑、工具、布局、文档、窗格、Python等，其中文件选项下有：创建新工程、打开工程、保存工程、工程另存为、关闭当前工程、添加新的数据文件、添加新的图片、添加进当前工程、保存所有文件。可用的界面布局(layout下拉菜单中选择31)/6132/61界面交互操作布局分为五种：水平式布局、垂直式布局、单布局、宽布局、工程布局。通常设置布局为Wide：61界面交互操作界面交互操作打开“balls_in_a_box”34/61界面交互操作5/61界面交互操作执行完的界面

，在右上侧的图表控制选项中，椭圆形标志为显示/隐藏按钮，控制图形显示区域对象的显示或隐藏。点开“Wall

name”，下含“cutting

tools、clip

box、filter”选项，这是切片工具，用来选取横截面的。其他选项类似。36/61界面交互操作Attributes部分可以对图像呈现方式进行控制，如形状、颜色、展示

、

透明程度

、

标题等等

。Attributes特指Wall的Attributes，如Shape

中Facet

指Wall

面，

Vertex

指Wall

顶点，

Arrow

指Wall

面的法向方向，Minimum

Extent和ToleranceExtent分别表示最小和最大容许范围。不同选项对应不同的图像控制，ColorBy与Shape类似，只是控制的是不同单元的颜色显示。37/61界面交互操作图像转动控制通常有三种方法。第一种，直接按住鼠标右键在图像上移动，即可调整视角，转动图像；第二种在中的灰色球体上按住左键拖动也可以转换视角；第三种通过加减转动旋钮、平移旋钮和放大旋钮，来进行视角的转换。其中，第三种方法最精确，但效率也最慢。通常鼠标右键就可以转动，方便简捷。38/61颗粒流基本思想颗粒流程序是一种离散单元法，它通过圆形颗粒介质的运动及其相互作用来模拟颗粒材料的力学特性。在这种颗粒单元研究的基础上，通过一种非连续的数值方法来解决包含复杂变形模式的实际问题。在具有颗粒结构特性岩土介质中的应用，就是从其细观力学特征出发，将材料的力学响应问题从物理域到数学域内进行数值求解。与此相应，物理域内实物颗粒被抽象为数学域内的颗粒单元，并通过颗粒单元来构建和设计任意几何性状的试样，颗粒间的相互作用通过接触本构关系来实现，数值边界条件的确定和试样的若干应力平衡状态通过迭代分析进行，直到使数值试样的宏观力学特性近材料的真实力学行为或者工程特性。39/61基本假设工程中大部分大变形均被解释为沿各类软弱面、接触带发生的相对运动，因而颗粒为刚性假设是合适的。对于密实颗粒集合体或者粒状颗粒集合体材料的变形来说，使用这种假设非常恰当。这是因为这些材料的变形主要来自于颗粒刚性体的滑移和转动以及接触界面处的张开和闭锁，而不是来自于单个颗粒本身的变形。为了获得岩土体

力学特性，可以将其看作由许多小颗粒堆积形成的密实颗粒集合体组成的固体，并通过定义有代表性的测量区域，取平均值来近似度量岩土体

的应力和应变。40/61颗粒流模型中，除了存在代表材料的圆盘形或球形颗粒外，还包括代表边界的“墙”。颗粒和墙之间通过相互接触处

产生的接触力发生作用，对于每一个颗粒都满足运动方程，而对于墙不满足运动方程，即作用于墙上的接触力不会影响墙的运动。墙的运动是通过人为给定速度，并且不受作用在其上的接触力的影响。同样，两个墙之间也不会产生接触力，所以颗粒流程序只存在颗粒-颗粒接触模型和颗粒-墙接触模型。基本假设41/6142/61Ball-2D或3D2d里是一个单元厚度的圆盘，在3d里是球体Clump-簇(丛),刚性簇簇是一个集合，在2d里是许多单元厚度圆盘，在3d里是许多球体，球可以叠加，刚性体。Cluster-柔性簇，生成方法类似clump，但球可以断裂，用于颗粒可以破坏情况的模拟WALL-约束墙，是facets的一个集合，facets在2d里是线段，在3d里是三角形。由facet可以构成多种面基本单元基本单元可以单一，也可以采用多种组合43/61基本假设颗粒流在模拟过程中作如下假设：颗粒单元为刚性体；接触发生在很小的范围内，即点接触；接触特性为柔性接触，接触处允许有一定的“ ”量；“

”量的大小与接触力有关，与颗粒大小相比，“重叠”量很小；接触处有特殊的连接强度；颗粒单元为圆盘形(或球形)。44/6145/61iFi

s

k

s

U

si

i

K

nU

nn

F

n由于颗粒离散元法模拟材料力学行为的第一步就是初始模型生成，即用颗粒元离散研究对象，在感的区域内生成颗粒体系。为了使模拟结果接近真实的物理过程，一个合理的模型需满足一些要求。否则模拟的现象不真实。46/6147/61接触本构模型接触模型分为刚度模型、滑动模型、粘结模型。刚度模型是在接触力和相对位移之间规定弹性关系；滑动模型是在法向和切向力之间建立关系是两个接触球体相对运动；粘结模型是限定法向力和剪力的合力最大值。有两种接触刚度模型：线性模型和Hertz-Mindlin模型。线性模型球体和Hertz-Mindlin模型球体之间的接触是不允许的，因为其行为没有定义；Hertz-Mindlin模型球体和粘结模型球体之间的接触也不允许，因为Hertz-Mindlin模型没有定义拉力。线性接触模型通过法向和剪切刚度定义。两个接触实体的接触刚度假定是串联的，以此来计算联合刚度。接触本构模型48/61可以打开帮助文件，相关模型介绍查看该模型的基本特点与参数线性接触力的计算平行黏结接触力的计算49/61模型分析颗粒间接触特性时，将接触的颗粒假想成端点在颗粒中心的弹性梁，梁端受力或力矩作用于颗粒中心，弹性梁采用以下特征参数描述：几何参数：长度、断面面积、惯性矩；变形参数：杨氏模量、泊松比；强度参数：法向强度、切向强度；颗粒间细观接触杨氏模量；50/61接触-刚度模型Ec

为细观接触杨5氏1/6模1

量假定PFC2D中颗粒均为厚度为t的圆盘，若颗粒A与颗粒B接触，则：线性接触模型(pfc3.0内的介绍，pfc5.0中原理没变，参数名称有所变化52/61mx(t)

cx(t)

kx(t)

f

(t)计算结果的收敛性与计算时间步

关因此，自己指定时间步要谨慎几个基本-动态松弛离散单元法求解mx(t

t)

2x(t)

x(t

t)/(t)2

cx(t

t)

x(t

t)/(2t)

kx(t)

f

(t)动态松弛法2222cct)x(t

t)

(t)

f

(t)

(

t

m)u(t

t)

2m

k(t)

u(t)

/(m

x(t)

x(t

t)

x(t

t)/(2t)x(t)

x(t

t)

2x(t)

x(t

t)