(56)-7.1.6离散元法（下）岩层控制模拟技术

1随着离散元理论的发展，产生了很多基于离散元理论的应用程序。当前，国内外离散元方法的主要使用软件如表7-l所示。6.离散元法（4）离散元法在岩土工程中的应用现状2国家作者软件名称特点国外ITASCA国际咨询公司UDEC适合于模拟节理岩石系统或不连续块体集合体在静力或动力荷载条件下的响应，并可以模拟对象的破坏过程。3DEC模拟估算岩土边坡失稳、地下工程挖掘、岩土地基工程中节理、岩体断层、层理等结构影响PFC2D/3D利用显式差分算法和离散元理论开发的微/细观力学软件，适用研究粒状集合体的破裂和破裂发展问题以及颗粒的流动（大位移）问题Thomton研究小组GRANULE完全符合弹塑性圆球接触力学原理，能模拟干—湿、弹性—塑性和颗粒两相流问题UniversityofIllinoisalUrbanaChampaignBLOKS3D集料形状特征与实际的三维不规则形状较为接近，适用于模拟无黏结条件下集料的堆积情形，但它不能考虑集料颗粒本身的破碎问题国内软脑软件有限公司块体离散元分析系统2D-BLOCK采用面向对象的编程语言，编程软件VC++6.0具有高度的集成度，从数据输入到最后形成计算报告或论文，都无需第三方程序的帮助王泳嘉刘连峰三维离散单元法软件TRUDEC用C语言来实现内存的动态管理，并设计了较完整的前后处理程序，友好的用户界面对处于较低应力水平的边坡稳定分析是有利的刘凯欣研究小组SUPER-DEM利用VC6.0程序设计平台和OpenGL图形制作技术编制，可对多种荷载和边界条件下的二维冲击动力学问题进行数值模拟表7-1基于离散元法的计算软件3而目前为止，最成功、应用最为广泛的是ITASCA国际咨询公司开发的UDEC、3DEC、PFC2D和PFC3D四款软件。UDEC和3DEC为块体离散元程序，PFC2D和PFC3D为颗粒离散元程序。6.离散元法（4）离散元法在岩土工程中的应用现状41）跨尺度、跨学科的发展空间目前，离散元中的颗粒元是最活跃、应用范围最广的单元和模型，它可大可小，可以大到石块甚至星球，可以小到尘埃甚至原子。另一方面，分子动力学在模型上是完全符合关于离散元法的定义。6.离散元法（5）离散元法的研究重点及发展趋势5它们的区别在于单元间的关联上，离散元法主要用于分析宏观现象，一般只考虑与对象单元相接触的单元之间的作用力；分子动力学主要用于分析原子、分子世界的微观现象，一般需要考虑对象单元同所有单元间的作用力。6.离散元法（5）离散元法的研究重点及发展趋势6它们在算法上完全可以相互补充，相互促进。若能够把分子动力学与离散元结合起来，则可以拓展两者的发展与应用空间。6.离散元法（5）离散元法的研究重点及发展趋势72）理论的建设与完善在离散元方法中，人为假定较多，法向、切向刚度都是人为假设的。在这些假定前提下，模拟的结果有可能偏离实际很多。因此，如何合理地确定离散元中相关参数，需要理论上进一步完善。6.离散元法（5）离散元法的研究重点及发展趋势8加强离散元相关理论的研究，可以保持其在模拟散体介质整体力学行为和力学演化方面的优势。另外，还应加强数值模拟结果与试验结果的比较，从中寻找离散元方法的不足，对其有针对性地进行改进。6.离散元法（5）离散元法的研究重点及发展趋势93）计算软件的发展目前开发离散元商用程序最有名的公司要属离散元思想首创者Cundall加盟的ITASCA工程咨询公司。6.离散元法（5）离散元法的研究重点及发展趋势开发的二维UDEC和三维3DEC块体离散元程序，主要用于模拟节理岩石或离散块体岩石在准静或动载条件下的力学过程及采矿过程的工程问题。10该公司开发的PFC2D和PFC3D则分别为基于二维圆盘单元和三维圆球单元的离散元程序，它主要用于模拟大量颗粒元非线性相互作用下的总体流动和材料的混合，含因损伤累积导致的破裂、动态破坏和地震响应等问题。6.离散元法（5）离散元法的研究重点及发展趋势11国内离散元软件的开发相对比较落后，但随着离散元法研究的升温，国内也出现了用于土木工程的离散元软件，如块体离散元分析软件2D-Block、三维离散元软件TRUDEC、基于二维圆盘单元和三维球单元为基础的SUPER-DEM离散元力学分析系统。6.离散元法（5）离散元法的研究重点及发展趋势12上述离散元软件都属于专业性很强的专业软件，在算法、前后处理系统、物态方程及材料数据库方面，与有限元法的通用性商业软件相比，还有很大差距。这方面的工作亟待加强，以促进离散元软件进一步发展完善。6.离散元法（5）离散元法的研究重点及发展趋势134）与其他算法的融合有限元法、边界元法等传统数值方法适合于解决连续介质问题，而离散单元法适合于非连续介质问题或连续体到非连续体转化的材料损伤破坏问题。6.离散元法（5）离散元法的研究重点及发展趋势14因此，如果能将离散元法与有限单元法和边界单元法等有机地结合起来，便能充分发挥各自的长处，可以极大地扩大该数值方法的应用范围。6.离散元法（5）离散元法的研究重点及发展趋势15在算法融合方面，离散元与有限元、边界元融合算法已经开始受到重视。王泳嘉于1987年就提出了离散元法与边界元法耦合的思路与算法，并通过算例说明了离散元与边界元耦合法在岩石力学中的应用。6.离散元法（5）离散元法的研究重点及发展趋势16在融合算法后的软件开发方面，中国科学院非连续介质力学与工程灾害联合实验室与极道成然科技有限公司联合开发了离散元大型商用软件CDEM。6.离散元法（5）离散元法的研究重点及发展趋势17该软件基于中科院力学所非连续介质力学与工程灾害联合实验室开发的CDEM（Continuum-basedDiscreteElementMethod）算法，将有限元与块体离散