《岩土工程数值计算及工程应用》 课件全套 第1章 绪论-岩土工程数值计算软件及应用-7.3 1应用FLAC程序计算动力学问题

岩土工程数值计算软件及应用肖清华西南交通大学土木工程学院岩土工程系

研究生课程：工程计算与实践(岩土)学习安排及考试一、教材

课程学习：1~6章(主要2~6章)，1~17周(17周考试)。三、学习内容及进度安排二、学习软件FLAC/FLAC3D3.26；ABAQUS；DYNA;MIDAS

岩土工程系主编.岩土工程数值计算软件及应用，西南交通大学出版社，2020版。其他相关教程。特色：一个问题两种软件计算方法。

课程主要内容第一章绪论(第1周)第二章岩土工程问题的数值求解方法

(第2周)第三章数值分析建模方法

(第3-4周)第四章一般静力问题

(第5-11周)第五章渗流问题

(第12-13周)第六章动力问题(第14-16周)6.1地震动

—自然6.2爆破动力—施工

6.3列车荷载

—运营教材特点：涵括了岩土工程问题；2.每种问题均采用FLAC3D和ABAQUS或MIDAS/PFC两种求法。1、考勤：5次，或每堂课随机考勤！四、考核及相关事项2、作业：交报告(结合自己项目：要求详细注释—电子版及打印稿，做得好的将会用于充实教材)。3、考试：主要为期末考试。

要求：带电脑并安装软件！注意：本课程并不完全就是软件操作，

还要知道道理！

注：平时成绩不低于40%，其余为考试成绩。第一章绪论1.1一般工程技术问题如何求解先来看一个我们熟悉的例子例1：如何求土和地基中的应力及变形

◆

在土木工程设计与施工中，如何判定或预估工程结构是安全和稳定的？地基

◆如何进行安全评估？(1)在既有地质及荷载条件下，计算出地基土体中的实际应力及变形是多少？(2)依据允许的地基承载力和变形允许值进行比较。

◆一般依据什么参数和指

标进行评估？—应力及变形！为此，需要知道两个方面的数据：实际应力与变形，地基土体强度。

◆

土体强度：C、φ

—实验或查规范即可得到！地基

◆

为了检算地基沉降及其对地基进行承载力和稳定性分析，必须知道地基中应力和沉降变形的大小和分布。

◆

如何计算或知道地基中

实际应力及变形呢？1、未知量(15个)—待求？应力分量6个：应变分量6个：位移分量3个：2、方程(15个)平衡方程(equilibriumequations)

3个—x、y、z方向土中应力应变问题求解:本构方程(constitutiveequations)

6个：应力－应变关系协调方程(compatibilityequations)6个：应变－位移关系边界条件(3个)：

x、y、z

方向通解特解位移、应力、混合3种类型的边界:由上述条件(15个方程组成的方程组)应力变形例2文克勒地基上梁的分析变形协调

◆

当有荷载从立柱上传递地基上梁上时，其梁上的挠曲、弯矩、剪力、应力等如何计算？微分方程的通解为：

式中的C1~C4为待定常数，决定于梁的边界条件。通解如何求解？(以集中力作用下的无限长梁为例)边界条件(0≤x≤

)：以上就是一般工程技术问题的求解方法及过程。从数学的角度看，这种方法叫解析法，比较复杂(如15个方程组成的方程组求解)，手工求解非常困难，必须求助计算机编程(如Matlab)。另外，要获得正确解，必须要首先获取准确的诸如(1)地质条件、岩土参数(如)；(2)外部荷载；(3)计算方法(如材料力学、胡克定律)；(4)边界条件等。18岩土工程技术问题的解析法求解一般在做一定假设后有精确解无解手工求解非常困难需要先获取许多参数ABCD提交多选题2分1.2岩土工程技术问题求解方法

虽然岩土结构的形式通常比较简单，但岩土材料性质非常复杂，要准确地确定结构及岩土体的受力变形行为并不容易。1、求解方法(1)理论分析—解析法(2)试验方法

□室内模型试验(物理试验)

□数值试验

□现场试验2、岩土工程求解方法比较分析(1)解析法

只能将实际问题尽可能地简化为可求解的模型，但过度的简化会直接影响计算结果的准确性乃至适用性。

以解析表达式表示的解。通常，只有在微分方程的形式及边界条件都比较简单的前提下，才有可能获得解析解。—否则解不出来！(2)模型试验和现场试验法具有直观性的优点，包括试验的过程和所获得的受力及变形信息。但试验也存在着耗费大、时间长、规模有限等问题。因此，它不可能成为岩土工程设计时所依赖的主要手段。—不能做太多组！钱！(3)数值模拟法

求解复杂问题的能力、计算速度、应用简便性等方面都已达到了很高的程度，其效率及经济性是试验方法无法比拟的，而所获得的受力变形信息也较试验方法全面、丰富得多。更重要的是，岩土理论的发展及其在数值计算中的应用，也使数值计算结果的合理性及准确性在不断提高。——尽量先电脑模拟、再物理！如飞机等。

不足：对一些复杂的问题，即使计算模型及材料参数都合理的情况下，在求解时也会得到不合理的结果，甚至无法求得结果。

此外，数值计算结果的精度与所采用的岩、土力学模型及参数的合理性密切相关，这也是目前的数值计算中常常遇到的一个困难。例如：竹管廊怎么模拟？！3、数值模拟的具体方法

以数值形式表示的解(最可能的近似)。岩土工程中的绝大多数的问题只能依靠数值法进行求解(无法精确解出)。各类数值解法中，有限差分、边界元、有限元等是具有代表性的数值解法。(1)有限差分法

概念：在求解偏微分方程时，将每一处导数由有限差分近似公式替代，从而把求解偏微分方程的问题转换成求解代数方程的问题。优点：在有限元法出现之前，有限差分法是微分方程的主要数值解法，尤其在求解流体力学问题方面有较大的优势。缺点：在求解区域的形状复杂时，解的精度将降低，甚至会出现求解困难的情况。主要软件：FLAC/FLAC3D(2)边界元法边界元法（boundaryelementmethod）是一种继有限元法之后发展起来的一种新数值方法，边界元法是只在定义域的边界上划分单元，用满足控制方程的函数去逼近边界条件。所以，边界元法与有限元相比，具有单元个数少、数据准备简单等优点。但用边界元法解非线性问题时，遇到同非线性项相对应的区域积分，这种积分在奇异点附近有强烈的奇异性，使求解遇到困难，故实际的应用并不广泛。(3)有限元法概念：将以微分方程表示的求解方程转化为（或直接建立）以积分方程表示的弱形式，再通过网格划分将计算区域离散化，将其转化为代数方程组进行求解。优点：以其解决复杂问题的突出能力及极大的灵活性，成为目前应用最为广泛的数值计算方法。

缺点：主要软件：Abaqus、Ansys、Adina、Marc等通用软件以及Midas、Plaxis等。28代表性的数值解法有有限差分法边界元法有限元法解析法ABCD提交多选题2分29你一般喜欢或了解以下哪种数值分析软件？FLAC3DANSYSABAQUSMIDASABCD提交PFCE其他F投票最多可选2项30你目前对数值模拟软件的熟练程度？熟练，能帮助做导师项目一般熟练，完整学习一遍了解，正在学习过程不了解，正准备学习ABCD提交不知道，也不准备学习E投票最多可选1项31你想学习哪些方面的数值模拟？基坑边坡隧道渗流ABCD提交动力E其他F投票最多可选5项32你认为以下哪种上课方式最好？适当专业理论+适当数值方法+软件操作适当数值方法讲解+软件操作直接软件操作其他ABCD提交投票最多可选1项1.3岩土工程数值计算软件及应用

主要内容

岩土工程问题的核心就是结构—岩土体相互作用的问题。虽然岩土结构的形式通常比较简单，但岩、土材料的性质却十分复杂，要比较准确地确定结构及岩土体的受力变形行为是非常困难的。主要包括：基坑、边坡、隧道、渗流、动力等。国际上：结构工程、岩土工程再次强调一、准备好电脑：课堂上操作作用！安装好FLAC3D3.26或以上版本

二、随时会点名，作为平时成绩。第二章岩土工程数值计算方法的

基本理论简介岩土工程数值计算软件及应用2.1数值计算举例并引出计算方法分析2.2固体力学问题的数值解法2.3岩土材料的本构关系2.4结构-岩土体相互作用的模拟2.1数值计算举例并引出计算方法分析

引子(大约45分钟)：

最简单的计算实例操作与分析：详见文件《2.2FLAC3D边坡稳定性分析.pdf》。■初始应力模拟过程(前P10)—详细步骤■运行命令流文件：ex2-1.txt—与步骤同边坡建模的命令是genbrickzonegenzonebrickgenzonerickgenrickzoneABCD提交单选题1分查看模型的可以用到的命令是FLAC3D>plotsuryellowFLAC3D>plotaddsuryellowFLAC3D>plot后，plotBase/0>addsuryellowFLAC3D>plotshowABCD提交多选题2分此题未设置答案，请点击右侧设置按钮1、计算方法的基本理解

(如何求解一个问题)注：数值计算需要知道的基本问题黑盒子(一整套公式)参数1参数2参数n……结果1结果2结果n……1外部影响参数，如荷载等2岩土或模型参数，如E、ν

3计算结果1输入参数2参数2、需要重点理解的数学部分3计算结果1输入参数2参数3、求解方程具体化2.2固体力学问题的数值解法本构关系待求解的问题计算方法(黑盒子)有限法差分法本构关系其他方法本构关系计算结果一整套公式方法不同，公式不同有限元法的基本原理：将以微分方程表示的求解方程转化为（或直接建立）以积分方程表示的弱形式，再通过网格划分将计算区域离散化，将其转化为代数方程组进行求解。2.2.1有限元法三维问题(空间问题)—以八节点单元为例a）直边单元b）曲边单元图2-4三维块体单元单元中任一点的实际坐标

x、y、z和位移为有限元法的基本原理：将以微分方程表示的求解方程转化为（或直接建立）以积分方程表示的弱形式，再通过网格划分将计算区域离散化，将其转化为代数方程组进行求解。2.2.2Flac的计算理论与方法用Flac求解时，以运动方程代替平衡方程显示格式的计算公式：2.2.3有限元法与有限差分法的区别采用不同的权函数和插值函数形式，便构成不同的有限元方法。有限元方法最早应用于结构力学，后来用于流体力学的数值模拟。在有限元方法中，把计算域离散剖分为有限个互不重叠且相互连接的单元，在每个单元内选择基函数，用单元基函数的线形组合来逼近单元中的真解，整个计算域上总体的基函数可以看为由每个单元基函数组成的，则整个计算域内的解可以看作是由所有单元上的近似解构成。有限元方法基本思路和解题步骤可归纳为

(1)建立积分方程。建立与微分方程初边值问题等价的积分表达式，这是有限元法的出发点。

(2)区域单元剖分。根据求解区域的形状及实际问题的物理特点，将区域剖分为若干相互连接、不重叠的单元。

(3)确定单元基函数。根据单元中节点数目及对近似解精度的要求，选择满足一定插值条件的插值函数作为单元基函数。(4)单元分析。将各个单元中的求解函数用单元基函数的线性组合表达式进行逼近；再将近似函数代入积分方程，并对单元区域进行积分，可获得含有待定系数(即单元中各节点的参数值)的代数方程组，称为单元有限元方程。

(5)总体合成。在得出单元有限元方程之后，将区域中所有单元有限元方程按一定法则进行累加，形成总体有限元方程。(6)边界条件的处理。一般边界条件有三种形式，分为本质边界条件(狄里克雷边界条件)、自然边界条件(黎曼边界条件)、混合边界条件(柯西边界条件)。对于自然边界条件，一般在积分表达式中可自动得到满足。对于本质边界条件和混合边界条件，需按一定法则对总体有限元方程进行修正满足。

(7)解有限元方程。根据边界条件修正的总体有限元方程组，是含所有待定未知量的封闭方程组，采用适当的数值计算方法求解，可求得各节点的函数值2、离散单元法离散单元法的理论基础是结合不同本构关系的牛顿第二运动定律。

F=ma离散单元法是模拟不连续介质性态的最有效和功能最多的方法。将含结构面的岩体假定为由若干刚性块体单元组合起来的，且各单元之间用法向和切向弹簧联系以传递相互作用力，并以单个刚体运动方程式为基础，建立能描述整体破坏状态的联立方程式。离散单元法利用中心差分法进行动态松弛求解，是一种显式解法。结合CAD技术，可以形象直观地反映出岩体变化的力场、位移场及速度场等各力学参量的全场变化。岩块或颗粒组合体被模拟成通过角或边的接触面相互产生作用，块体之间边界的相互作用可以体现其不连续性和节理的特性，使用显式的时步迭代算法,对于岩基和节理块体,允许有大的位移,转动和使用各种非线性本构关系。因此可以求解单元块体的失稳过程。如果单元的分割与结构面的强度指标选取能满足工程精度要求,则用这一方法分析的岩体失稳过程和形态是基本符合实际情况的。3、快速拉格朗日(FastLagrangianAnalysisofContinua)分析FLAC是目前国际岩土界应用非常广泛的一种软件，它吸取了有限单元法和离散单元法的优点并克服其缺点，并有强大的前后处理器。FLAC的基本原理同于离散单元法。它不仅能处理一般的大变形问题，而且能模拟岩体沿某一弱面或结构面产生的滑动变形。本构关系即应力-应变关系，是对材料受力变形特性的描述，对计算结果有重要的影响。常用的本构关系有线弹性模型、非线性弹性模型及弹塑性模型。在考虑材料的流变或蠕变特性时，还可采用粘弹性、黏弹塑性等各类黏性模型。——力学基础要比较好！2.3岩土材料的本构关系

线弹性本构关系，即应力与应变之间满足广义虎克定律。1、线弹性本构关系

弹性矩阵土的非线性弹性本构模型中，以Duncan-Chang模型最具代表性，该模型在我国水利水电、交通、建筑工程等领域的岩土工程中有广泛的应用，并积累了丰富的经验和资料。除此之外，还有K-G模型、Naylor模型等。2、非线性弹性模型Mohr-Coulomb破坏准则是广为应用的岩土材料的破坏准则，采用弹塑性理论进行计算时，常将岩土体视为以该准则为屈服条件的理想弹塑性材料，Drucker-Prager屈服准则是其改进形式。3、弹塑性模型剑桥模型是由英国剑桥大学Roscoe教授等以正常固结和弱超固结土的试验结果为基础建立的土的弹塑性模型。修正的剑桥模型属“帽子”模型，能较好地反映正常固结和弱超固结土的变形特性，有较为广泛的应用。4、剑桥模型（Cam-Clay）桩-土体、衬砌-围岩之间存在着接触界面，—各类岩土结构与岩土体之间都存在着接触界面。接触面的力学特性既不同于岩土体，更不同于结构，在计算中能否对其进行合理的模拟，对计算结果有着重要的影响。接触界面属不连续面，以图2-18所示所示的支护结构-土体接触为例，接触面具有以下主要力学特性：2.4结构-岩土体相互作用的模拟①当界面上的切向应力超过其相应的抗剪强度时，会沿切向产生相对滑移；②应始终满足变形相容条件，即两接触体不能相互侵入。2.4结构-岩土体相互作用的模拟第三章

数值分析方法

(以FLAC3D为例)岩土工程数值计算软件及应用3.1FLAC3D基础知识1、用户界面2、基本术语及基本操作(举例)3、分析步骤一、图形用户界面64标准的图形用户界面如下图所示，包括两个部分：通用菜单、命令窗口。菜单展开，可以驱动程序。命令栏菜单驱动(Plot—绘制结果)1、通用菜单67通用菜单包含了FLAC3D部分的公用命令或函数，如文件控制、显示、输出和参数设置等。1、通用菜单68通用菜单包含了FLAC3D部分的公用命令或函数，如文件控制、显示、输出和参数设置等。不退出FLAC3D，把系统重置到开始状态读入数据和命令文件：D:\exgravity2-1.txt读入用户自定义的模型读入指定的保存文件(.sav)：D:\2-1.sav保存到指定的二进制文件按指定文件导入模型数据退出FLAC3D2、命令窗口693、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ASCⅡ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70二、基本操作(一个最简单的例子)1、命令输入法FLAC3D>newFLAC3D>genzonbrisize668;z-三维体，b-长方形网格，size-xyz方向网格数FLAC3D>plot;进入plot命令状态PlotBase/0>show;显示图形，但没有PlotBase/0>addsuryellow;显示黄色网格体注意：x、y、z、X、Y、Z、m、M的操作效果。PlotBase/0>reset；回复原状PlotBase/0>addaxesblack;显示黑色坐标71三、FLAC3D中基本术语72区域（Zone）—有限差分单元体，也叫Element，是分析现象(应力、应变)变化的最小区域，有不同形状（长方体、立方体、楔形、锥体、四面体）等，组成FLAC3D模型并可用plot显示出来。三、FLAC3D中基本术语73网格节点(GridPoint)—简称节点，也叫NodalPoint或Node，是有限差分单元体的角点。一个多面体可能有5~8个网格点，主要取决于多面体的形状。可以通过x，y和z值坐标确定节点位置。三、FLAC3D中基本术语74有限差分网格(FiniteDifferenceGrid)—也叫Mesh，是横跨一个或多个单元体分析物理的区域。可以确定出模型中所有状态变量的存储位置，FLAC3D节点存储所有矢量（力、速度、位移），所有标量（应力、材料属性）保存在单元的中心位置。三、FLAC3D中基本术语75模型边界（ModelBoundary）—网格的四周。内部边界也同样是模型边界（如网格中的空洞）。边界条件（BoundaryCondition）—即模型边界的约束条件或控制条件的给定（如限制位移、渗透条件、绝热条件）。三、FLAC3D中基本术语76初始条件(InitialConditions)—即模型中所有变量的初始值。本构模型(ConstitutiveModel)

—即模拟单元体的变形或强度的特性。本构模型和材料特性可以分配给单个的单元体。三、FLAC3D中基本术语77空单元(NullZone)—即网格中的单元表现无用，空单元表示此区域为空(就象没有材料一样)。子网格（Sub-Grid）——有限差分网格可由子级网格组成，它可用来在模型中创建不同形状的区域，子级网格是分别生成，可进行合并和连接。三、FLAC3D中基本术语78绑定面AttachedFaces—是子网格绑定和连接在一起的面。绑定面一点要共面或接触，每个面的节点不一定要匹配，不同单元体密度的子网格可以绑定。三、FLAC3D中基本术语79分界面Interface——是网格面，由子网格组成。子网格在计算过程中可以分开（滑动，开裂）的两部分之间的面，可表示不连续的物理特征，如断层，节理面或材料性质突变的临界面。范围Range—描述三维空间范围。三、FLAC3D中基本术语80组Group—是唯一命名的一组单元体，用来限制命令的范围。如model命令对某一集合设置为某种材料，任何命令加于集合名称也就相当于作用于这一集合的所有区域。三、FLAC3D中基本术语81ID号IDNumber—FLAC3D模型中一个元素用ID号识别，节点、单元体、参考点、历史、表和绘图条目等，梁、索、桩、壳、线等结构实体同样如此。三、FLAC3D中基本术语82结构单元Structural

Element—在FLAC3D中有两种结构单元。二结点，线性单元表示梁，柱作用。三结点，三角平面单元表示面状，结构单元用来模拟土体或岩体中结构支护的相互作用。三、FLAC3D中基本术语83步Step—因为FLAC3D是显式码，解决问题需要的计算步数。计算须分步进行，随步长的增加，现象的有关信息在研究区域传递。对于静态分析，需要给一个具体的步，让其达到平衡状态，典型的问题计算在2000-4000步之间，其他叫法有时间步，循环次。三、FLAC3D中基本术语84静态解StaticSolution—如果模型中动量变化率小于了某一可忽略的值，就认为静态或类静态出现了，这通过限定运动方程实现，静态就是模型达到应力平衡，或流体材料受外力后从不稳定到稳定。这种分析方法在FLAC3D中是默认的分析方法，机械的静态分析也可与地下水渗透或热传递问题结合（通过特定设置后，动态问题可由带约束的静态分析代替）。

—地球本身就在动！三、FLAC3D中基本术语85不平衡力

UnbalanceForce—不平衡力表征静态分析达到机械平衡（或塑性变形前），严格地说平衡时每个节点上的应力矢量都为0。最大应力会自动被监测，当激活step或solve命令时，其值会显示在屏幕上。最大网格力也叫非平衡力或抗平衡力，非平衡力在数值上永远也不能达到0，当最大非平衡力相对加载的力很小时，我们就认为模型达到了平衡状态，如果非平衡力一直保持某一非0值，这就说明模型中可能发生了破坏或塑性变形。—注意：时间与精度博弈(野外试算)三、FLAC3D中基本术语86动态解DynamicSolution—在动态分析中，求解所有动态方程，动量的产生和消耗都将产生直接影响，在高频率发生或持续时间很短的过程中用到，如地震或爆炸。动态计算是FLAC3D的一个可选模块。—静态是动态的特例！三、FLAC3D中基本术语87大应变/小应变LargeStrain/SmallStrain

——FLAC3D默认的都是小应变，也就是说，即使计算出来的位移相对通常区域尺寸很大，节点也不发生相应位移。大应变中，节点根据每一步计算出的位移量发生位移。几何非线性只有用大应变才能实现。四、FLAC3D命令句法FLAC的输入和一般的数值模拟程序不一样，它可以用交互的方式从键盘输入各个命令，也可以写成命令文件，类似于批处理，由文件来驱动。FLAC命令大小写一样，所有的命令可以附带若干个关键词和有关的数值。数值间可以用空格隔开，空格的数目不限，也可以用下面的分隔符隔开：（），/=—大部分习惯用空格或“，”commandkeywordvalue…<keywordvalue…>…<>表示可选的参数，输入时括号不用输入…表示可以有任意个参数如：genzonebricksize333由(;)号开始到行末为注释行，FLAC在执行时不予理会。—例：D:\exgravity2-1.txt里面的注释一个输入行，包括注释在内,允许80个字符。如果一行超过80个字符，就必须在行尾加"&"(ampersand)符号.每个命令后最多允许有1024个字符。FLAC3D提供了创建、命名、使用对象的能力。例如可以创建“Trench、GreaVv”多个绘图视图。有两大类对象，宏对象(MacroObject)和模型对象(ModelObject)。—可以在后面再了解！五、对象命名下面的符号必须牢记！DirectStress—直接应力。正值表示拉应力，负值表示压应力。—与土力学相反！六、符号约定ShearStress—切应力。按照右手定则确定正方向。(P24)六、符号约定—坐标系坐标系右手法则：即右手坐标系。即大拇指所指方向为X

方向，食指指向Y

方向，中指指向

Z

方向，不管坐标在空间内如何旋转，只要满足这样的指向，都是右手坐标系。DirectStain——直接应变。正值表示拉伸，负值表示压缩。六、符号约定ShearStrain——切应变。Pressure——压力。垂直压向面的力为正值，反之为负。DIP,DIPDrection——倾角，倾向。FLAC3D可以接受任何的单位，但必须统一。七、单位系统建立网格边界条件初始条件初始应力平衡外荷载求解前处理后处理八、模拟分析步骤举例简单说明模拟步骤！—2.2FLAC3D边坡稳定性分析P10开始！ex3.1-0.txt(全ex2-2.txt)同bd解决问题的一般步骤单元类型(如zone)关键字

(如brick)/meshname(1)brick—长方体Generatezonebrick默认size为10×10×10测试一下！(一)简单网格的生成（二）定义材料模型(本构模型)命令MODEL…..开挖模型null3个弹性模型(elasticmodel)各向同性弹性(isotropicelasticmodel)横观各向同性弹性正交各向同性弹性8个弹塑性模型—一整套公式，只不过命名了！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98FLAC3D中的本构模型99FLAC3D程序本构模型1)空单元模型(nullmodel)(可用来模拟地下硐室的开挖和煤层开采2)弹性模型（elasticmodel）3)各向同性弹性材料模型(isotropicelasticmodel)；4)正交各向异性弹性模型（elasticorthotrpicmodel）5)Drucker-pragorplasticitymodel——DP模型6)莫尔-库仑弹塑材料模型(mohr-coulombplasticitymodel)

；7)应变软化/硬化塑性材料模型（strainhardeningsofteningplasticitymodel）；8)遍布节理材料模型(ubiquitousjointplasticitymodel)；9)双线性应变软化/硬化遍布节理塑性材料模型（bilinearstrainhardeningsofteningubiquitousjointplasticitymodel）；10)modifiedcam-clayplasticitymodel注意：1、本构模型命令

MODEL

null,mohr-coulomb,elastic,isotropicelastic,elasticorthotrpic,ubiquitous-joint,strainhardeningsofteningplasticity可以简写：如mm2、模型的选择应该根据实际情况，选择最为合理的模型。1、定义材料参数命令格式

PROPERTY<关键字1<值1>>[关键字2<值2>….]如

propbulk1e8shear0.3e8

2、材料参数关键字(以摩尔-库伦模型为例)

有3种类型的参数：材料变形、材料强度、后破坏。（三）定义材料参数

由于在FLAC3D中，使用的岩体参数是弹性体积模量K

(bulk)和剪切模量G

(shear)。所以，需要把弹性模量E和泊松比

转化成体积模量K和剪切模量G，它们的转化公式为命令：propbulk1e8shear0.3e8注意：当接近0.5时，K

会偏大，不能用！(1)材料变形参数岩体材料强度参数包括内聚力c

(coh)和摩擦角φ

(fric)。(2)材料强度参数(强度指标)命令：propcoh1e3fric35

(3)后破坏参数命令：proptens1e3后破坏参数包括剪切膨胀(ψ)-P101、剪切硬化/软化、体积硬化/软化和抗拉软化()。边界条件输入：APPLYmechnicalboundary-ff,Pressure,sxx,syy,szz,sxy,xf,yf,zf,groundwaterboundary-pp,dischangethermalboundary-convention,flux,radition—对模型网格内外边界或对内部节点施加力学、流体和热边界条件，也可以对单元体施加力、流体源或热源。FIXpp,Saturation,temperatrue,x,y—速率固定不变或使孔隙压力和温度不发生变化。FREEpp,Saturation,temperatrue,xy—释放约束(四)设定边界条件边界条件输入(五)设定初始条件1、原始应力状态的获取或模拟方法(1)理论计算方法：竖向及横向应力(2)原始实际应力：竖向及横向均不对，构造力；实测(3)如何模拟出开挖后的实际应力？加载原始应力

初始条件主要是要较为彻底地了解原始地应力及其分布场，因为这对模拟中的开挖、支护等影响非常大，是不可忽略的。2、初始条件说明INITIALpp,sxx,sxy,sxz,syy,szz,xdis,ydis,zdis,yvelzvelxvel—在给定范围内对某节点或单元体分配初始值，如没给定范围则指整个模型。SETlarge,small,3D-damping,clock,creeptime,dytime,flow,force,gravity,tension,thermal,step命令：setgrav00-10;设置重力加速度WATERtable初始条件说明(六)初始平衡状态初始地应力的生成

(边坡计算例子)：modelelas;设置为弹性本构模型propdensity2000bulk3e9shear1e9;设置物理力学参数setgrav00-10;设置重力加速度(也行)(setgrav10)solve;求解归零处理:inixdis0ydis0zdis0;位移场清零inixvel0yvel0zvel0;速度场清零1、指定计算模式命令

CONFIG<关键字>[关键字…..]—计算模式：流体流动、热力转换、完全动力分析和蠕变分析。2、参数设置命令SET<关键字>[关键字值…..]—设置参数：如SETlarge;打开大变形(七)求解3、记录采样

HISTORY[idnh][nstep=n]关键字….xyz—用来在模型运算过程中采样一个变量并储存该变量

的值，以便后用。

如：Hisgpzdis448—注意：记录自动编号。4、求解

SOLVE<关键字>[关键字值…..]

STEPn—可用<ESC>停止计算并返回控制。

CYCLEn—可用<ESC>和<SPACEBAR>停止计算并返回控制。(八)后处理后处理就是查看模拟分析结果，一般用于判断分析结果是否正确，即了解物体对荷载作用后的响应，用于指导设计和施工。——查看模型所有或某节点等在某一时间步的值。——查看某一空间点上的值随时间步的变化情况。——查看模型在整个时间步上的值(fish及动画)后处理需要的数据输出、数据分析及绘图，只有一个命令：PLOT1、PLOT绘图命令基本知识(1)命令格式PLOT关键字[开关[值]…](2)视图概念—包括视图设置参数(如背景、大小等)和实际绘图条目(如网格、矢量等)。—默认视图：识别号为0，视图名为“Base”；—可建立多个视图，并激活某一视图为当前视图；—用create关键字创建视图，currrent设置当前视图；—用show显示视图。(3)视图分类—视图管理；—视图设置管理；—图形条目管理；—交互管理(P267)。2、视图管理3、视图设置4、绘图条目管理1、模型机图形基本操作例：简单网格的初始应力计算—运行ex3.1-1.txt(1)查看计算模型分组情况(本模型未分组，看不见)PLOTblockgroup;注意plot后加“add”也可以(2)图形彩色与灰度转换Ctrl+G(3)图形键盘交互操作与查看(图形必须点击激活)基本的后处理功能:FLCD3D图形窗口的交互管理按键及快捷键2、PLOT图形的输出(1)菜单命令【Edit】/【Copytoclipboard】,可把图考入剪贴板或Ctrl+Insert(2)拷贝屏幕（PrtSc—全屏；Fn/Alt+PrtSc—活屏）(3)图形保存成图片文件【File】/【PrintType】/【JpgFile】(4)图片大小计及质量设置【File】/【PrintSetup】(5)命令SetplotjpgSetplotquality100Plothardfile1.jpg上述命令与前面菜单命令的效果相同。3、计算结果的后处理(以初始应力为例，导入2-1.sav)(1)输出云图PLOTconszz;竖向(z)应力云图注：图中颜色代表一个数据区间，不是具体的数值。PLOTconsyyPLOTconsxy3、计算结果的后处理(以初始应力计算为例)提高显示效果：PLOTconszzouonPLOTconszzefon有效应力，注：不能有网格(2)PLOTconPLOTbcon的区别注：①con可以表示节点云图信息(速度、位移)，也可以表示单元体上的信息(应力、应变)，而bcon只能显示单元体信息；②

con数据是线性插值，而bcon只是单元体中心真实数据，无插值计算；③

bcon命令后可以自动显示网格。PLOTconszzPLOTbconszz(3)检查模型参数赋值情况注：如果出现模量为0的单元，则肯定有问题，必须详细检查。PLOTbconpropbu;显示体积模量bulk的赋值块云图。

4、加载后计算结果的后处理(以初始应力计算为例)例：模型顶部施加均布荷载后计算(ex3.1-2.txt);ex3.1-2.txtrest3-1-1.savinixd0yd0zd0xv0yv0zv0;初始变形归零appnstress-100e3ranx12y12z2.93.1;模型顶部施加竖向均布荷载solvsave3-1-2.sav(1)变形云图PLOTconzdisPLOTconzdisouonmagf20放大20倍显示注：①magf不能缩写为mag；②放大倍数需自行设定；③

bcon命令后不能用magf，否则会出错，因为不是插值。(2)动态显示计算结果;运行ex3.1-2-1.txtrest3-1-1.savinixd0yd0zd0xv0yv0zv0;初始变形归零appnstress-100e3ranx12y12z2.93.1;模型顶部施加均布荷载hisnstep=1;显示慢一点plotsetrot20030;按一定角度立体显示plotconzdisouon;边计算边动态显示solvsave3-1-2-1.sav(3)其他结果显示plotskmagf20;显示变形网格plotconszzouonmagf20;网格与云图结合显示(4)变形矢量图plotskdis;显示sketch(草图)plotskdisred;红色显示总变形plotskdisredscale0.1;箭头放大，默认为0.05(5)塑性区分布(加载计算后的3-1-2.sav)PLOTblockstatePrintzonestate弹塑性模型：①

now—正处于屈服；②

past—过去曾屈服但现在离开了屈服面而处于弹性范围；③

shear-p和tension-p表示单元曾经到达屈服面。注意：命令是非图形命令！获取塑性区分布详细信息：plotblockstatenowplotblockstatepast①

now—获得当前正处于塑性状态的单元，包括shear-n和tension-n②

past—获得过去处于塑性状态的单元，包括shear-p和tension-p获取塑性区分布详细信息：plotblockstateshearplotblockstatetension-p③

shear—获得剪切屈服的单元，包括shear-n和tension-p④

tension-p—获得过去拉伸屈服的单元。(6)变量监测(历史跟踪)History命令，可以对计算过程中的节点、单元、接触面和结构单元等对象的响应进行监测。对ex3.1-2中加入几个监测内容，具体如下;ex3.1-3.txtrest3-1-1.savinixd0yd0zd0xv0yv0zv0;初始变形归零appnstress-100e3ranx12y12z2.93.1;模型顶部施加均布荷载Hisid=2gpzdis113Hisid=3gpzdis112Hisid=4gpxdis113Hisid=5gpxdis112Hisid=6zoneszz113Hisid=7zoneszz1.51.52.5Hisid=8zonesxz1.51.52.5solvsave3-1-3.sav①查看变量监测结果：His1(不平衡力)his2(沉降变形)纵坐标：历史变量(沉降变形)横坐标：计算步数纵坐标：历史变量(不平衡力)横坐标：计算步数讨论：计算步骤与实际变形过程的关系？如总步数为2000，

当step=1000时，能否表示变形到了一半？查看变量监测结果：Hisid=6zoneszz113，坐标附近编号最小单元的应力Hisid=7zoneszz1.51.52.5，单元中心坐标(最合理)纵坐标：历史变量(沉降变形)横坐标：计算步数纵坐标：历史变量(应力)横坐标：计算步数注意：如果ID不编号，系统自动按先后顺序编号。②多个监测结果同时显示His7vs8默认记录间隔sethist_rep10

sethist_rep10(监测记录间隔为10)

sethist_rep1(监测记录间隔为1)—更光滑，但需要保存大量数据。His7v8在solve前改变记录间隔sethist_rep1③把监测结果数据写成数据文件—方便其他软件(如Excel)处理—ex3.1-3-1.txthistwrite7v8file3.3-31hist.txt;把hist7v8的结果数据输出到文本文件

3.3-31hist.txt中；;文件保存在与3-1-3-1.sav同一个文件夹。;打开文件3.3-31hist.txt后，可查看数据。数据特点：科学计数法；小数点后3位，或4位(变形)。(7)输出计算结果Print命令，可以输出除云图和曲线以外的模型中某些具体数据。Printzonestress—27(3×3×3)6个方向的应力数值。包括节点(gp)、单元(zone)和监测变量(history)的相关信息。Printgpdis—64(4×4×4)3个方向的变形数值。注意：以上仅为屏幕打印，能否保存这些数据到文件呢？Print

blockdis??把信息转换成为log数据文件的方法：①Setlogon;设置log文件尾打开状态(在默认目录下自动建立一个名为flac3d.log文件，最好另外命名，因为系统由一个flac3d.log文件，会冲突)②

Setlogfile3-1-3.log;

建立3-1-3.log文件③Printzonestress;

把数据保存至3-1-3.log文件注：把3-1-3.log打开后，结果如右图，可以看到log文件生成时间以及软件的版本信息，输出结果数据信息看不到。查看更新数据：把Flac3d关闭或通过setlogoff命令关闭log记录格式关闭后，log文件会更新，结果如图。(8)切片操作对模型进行切片操作，即在模型中设置剖面，再输出剖面上的响应结果。①设定剖面(注：res3-1-3.sav)命令：Plotsetplaneplotsetplaneori01.50norm010;切面中的一点坐标和切面的法向确定剖面位置注：

也可以用3个点确定一个平面，最后特殊点。②输出剖面上的节点或单元信息Plotconzdisplane结果如下图：剖面上的沉降云图增加网格和坐标，结果更直观，效果如下图：PlotaddskePlotaddconzdisplanePlotaddaxes注意：①

需要有“add”才能同时显示；②可以剖面位置后，图形模式更新。改变剖面位置后，结果显示对比：setplaneori1.51.51.5nor111—右图(9)动画制作将计算过程中Plot图形的动态显示效果生成影片文件。;3.1-4.txtrest3-1-1.sav;初始应力计算结果文件inixd0yd0zd0xv0yv0zv0;初始变形归零appnstress-100e3ranx12y12z2.93.1;顶部施加均布荷载;①Plot绘图设置plotsetrot20030;把视图设置一定观察角度plotconszzouonmagf20;放大20倍显示Plothis1;监测不平衡力;②设置动画参数Setmovieavistep1file3.1-4.avi;动画记录时间步间隔为1Moviestartsolv③查看动画在求解过程中可以查看不平衡力的发展曲线，计算完成后可以在命令所在或设定的文件夹，可看见avi文件。运行：3.1-4.avi注意：一般需要关闭flac3d后才能播放。第三章

数值分析方法岩土工程数值计算软件及应用3.3CAD-ANSYS-FLAC3D建模方法课前准备：1、安装Autocad2010或以上2、安装ANSYS14.03、Ansys-command.datD:\0xqhflac-graduate(2016-2017)\ANSYS_TO_FLAC3D_2010改进版4、ANSYS-FLAC3D_.exe

5、安装Dxf2Ansys软件

虽然各种数值模拟软件都有前处理模块，用以模型建立，但大量工程地质模型非常复杂，例如复杂的坡面线或多级开挖施工工况等，直接利用数值模拟软件建立网络模型极为困难。如果进行大量地质模型简化，则会减小计算精度，不符合工程实际，尤其对于科学研究而言，这种简化是不允许的。

为此，可以通过AUTOCAD并借助ANSYS等软件，建立精细的二维分析网格模型。(以经常碰到的边坡和隧道为例进行说明)以一个概化的边坡模型为例。如何从CAD-ANSYS-FLAC3D建立边坡模型？分三步：CAD；ANYSY；FLAC3D3.3.1AUTOCAD绘图并保存——利用AUTOCAD软件建立实体1、坐标系的说明

为了统一坐标，便于后处理，宜将模型左下部点移动到坐标原点。注意：如何画图？大家要适当补充AutoCAD基础知识。笛卡儿坐标系：原点坐标为（0，0）和两个通过原点的、相互垂直的坐标轴(X、Y)构成。二维就够了！相对坐标：某点与相对点的相对位移值，用“@”标识。2、设置绘图单位下拉菜单：【格式】|【单位】命令行：UNITS—2020版如何调出命令栏？注意：单位要合理，否则图形会看不见或太大！或设置为“米”命令:L—“ctrl+9”弹出命令窗口LINE指定第一点:0,0—注：无@指定下一点或[放弃(U)]:@0,2000指定下一点或[放弃(U)]:@1500,0指定下一点或[放弃(U)]:@500,0指定下一点或[闭合(C)/放弃(U)]:@1000,-2000指定下一点或[闭合(C)/放弃(U)]:c注意:先确定坐标；注意单位。

3、绘图步骤(注：首先画出草图)增加潜在滑面线：打开对象捕捉，再命令:LLINE指定第一点:3000,0指定下一点或[放弃(U)]:1500,2000注：无@；可以用捕捉注意：要先保存为**.dwg文件，以便后续修改需要。—3.3slope1.dwg4、生成面域【绘图】|【面域】强调：要先保存为**.dwg文件，以便后续修改需要。—3.3slope1.dwg—

命令:reg生成第一个面域：点击菜单命令后，先选中对象(4条线)再回车。生成第二个面域：首先，右侧滑体(三角形)必须在界面处补充一条滑带线，与右上角形成闭合曲线，才能生成另一个面域。故再次打开对象捕捉，并命令:LLINE指定第一点:3000,0指定下一点或[放弃(U)]:1500,2000其次，生成第二个面域。5、输出为**.sat文件菜单：【文件】|【输出】注：点击“保存”后，需要选择两个面域后回车。选择为**.sat文件，保存为3.3slope1.sat—学用1！3.3.2利用ANSYS划分网格

1、导入**.sat格式文件

进入ANSYS系统(启动前注意目录设置！)。3.3.2利用ANSYS划分网格

1、导入**.sat格式文件

进入ANSYS系统后，点击功能菜单File/Import/SAT(ACIS)，找到指定路径文件，点击“OK”打开。注意：先用finish和/clear清理或设定环境！补充知识：■16.0以后就没有sat了，可用igs或者x-t。■点击ACIS，然后选择GeometryType中的allentities，再定位到你的sat文件即可导入！导入**.sat格式文件结果(三维视图：注意坐标系！)2、图形拉伸

为了建立准三维模型，需要在纵向

(Z轴方向：注意坐标系与FLAC3D不同！)上进行拉伸。在ANSYS主菜单预处理preprocessor中对面域进行拉伸。具体步骤为：Preprocessor—>Modeling—>Operate—>Areas—>AlongNormal—>输入指定面域编号及厚度(Z轴方向)，一般从A1开始，依次拉伸。

注意：操作也可以用命令流进行！—见后文！用PlotCtrls菜单命令(后页有说明!)显示面的编号结果，以便逐个面拉伸(下图为三维视图)。用功能菜单PlotCtrls/Numbering显示面的编号步骤:图形拉伸步骤：①主菜单：Preprocessor—>Modeling—>Operate—>Extrude—>Areas—>AlongNormal②点选右侧需要拉伸的面A1一次只能拉伸一个面(此时PickAll按钮无效)！(最好按编号顺序进行拉伸)。③点击左侧对话框中的“OK”出现对话框拉伸面编号拉伸厚度④拉伸结果结果：拉伸后成为一个体，有6个面，并成为体V1。用功能菜单PlotCtrls/Numbering显示体的编号V1：⑤拉伸第2个面A2拉伸前显示A2(【PLOT】|【Areas】)，否则有不能点选，在“ExtrudebyNorm”对话框里输入“2”再拉伸。功能菜单两个面全部拉伸后的结果：◆操作的命令流：若有问题可用fish,/clear清除重来！命令流文件：ansex3.3.1.txt—学用2！(打开文件看)(1)确定拉伸方向!拉伸成为三维实体k,100,0,0,5!为立体拉伸生成方向线建点(厚度为5)l,2,100!生成新的

L8—你的也许不是8！注意：1、方向如何确定？拉伸方法是Z轴方向(与FLAC3D坐标系不同)，即原点与Z轴上一点连线即为拉伸方向；2、如何确定原点关键点的编号？2？—你的不一定是“2”；3、如何知道生成线后的编号？L8前面厚度为1，此处为5以便大家看得更清楚！如何确定原点关键点的编号？通过菜单【list】生成拉伸方向(L8)并显示编号结果：(2)拉伸vdrag,1,,,,,,8!以A1沿L8拉伸成为三维实体vdrag,2,,,,,,8!以A2沿L8拉伸成为三维实体3、网格单元定义Preprocessor—>ElementType—>Add/Edit/Delete，点击

“Add”按钮。在对话框中选择合适的单元类型，一般选择Soild—>Brick8node185。没有？！点“OK”再点“CLOSE”。4、模型节点合并在CAD建立模型时，各部分是单独建立面域的，但在数值计算时，必须保证共用节点，这样，数值模型中节点力才能传递。步骤：Preprocessor—>NumberingCtrls—>MergeItems，出现对话框。选择合并元素与合并范围，点击“OK”完成合并。5、网格划分(具体步骤)①设置网格密度：Preprocessor—>Meshing—>Meshtool出现对话框，选用Line

并点击“SET”按钮。在出现的对话框中点击“PickAll”，出现对话框。在对话框中输入单元长度为0.5，即设置所有单元的边长为0.5m，点击OK。（到命令流文件ansex3.3.1.txt的!(3)网格单元定义前）此时，所有线会变成如下图结果。②

网格划分：对指定的体划分条件设置好后选择指定体单元对其进行单元划分。具体步骤如下：步骤一：Preprocessor—>Meshing—>MeshTool，先后点选“Hex”和“Sweep”单选按钮。步骤二：点击“Sweep”按钮，出现对话框。步骤三：选择需要划分单元的体(右上角部分)。选择需要划分单元的体(右上角部分)结果：点击“OK”或“Apply”，结果如下：划分左下角部分(注意：如果晕了，应先显示再划分)划分左下角部分，结果如下：◆操作的命令流：续命令流文件(ansex3.3.1.txt)!(3)网格单元定义ET,1,SOLID185!定义Solid185单元!(4)模型节点合并Nummrg,all!合并所有元素numcmp,all!编号压缩!(5)网格划分esize,0.5!(手册p195,186)vsweep,all

6、定义单元材料—修改！

对不同的地质体赋予相应的材料参数，FLAC3D中是按分组(group)定义的，可利用ANSYS的定义材料号功能，实现FLAC3D的材料分组。若仅利用ANSYS进行材料分组，可以不定义材料参数。

注意：ANSYS一般在划分单元网格前面定义材料。

单元划分完毕后对单元进行逐个材料定义太麻烦，ANSYS对于材料定义只能对单元进行定义。基于此，在进行材料定义的时候需要先选择体，然后对这个体上的单元进行统一修改。①选择需要定义材料的体Select—>Entities—>Volumes点击“OK”按钮，出现如下对话框，点击“PickAll”②定义材料。选择指定的体之后，屏幕只显示指定体，这时候对这些单元进行材料定义即可：Preprocessor—>Modeling—>Move/Modify—>Element—>ModifyAttrib点击“PickAll”选择所有单元，出现如下对话框。在更改类型里选择Material。对材料参数值进行编号命名。◆操作的命令流：续命令流文件(ansex3.3.1.txt)!(6)定义单元材料MP,EX,1,3.06e10!岩土体的模量MP,PRXY,1,0.25!岩土体的泊松比MP,DENS,1,2.0e3!岩土体的密度!此步最好放在“(5)网格划分”前，否则只能修改！修改后的命令流文件(ansex3.3.2.txt)—学用3！演示：MIDAS的导入方法。3.3.3ANSYS—FLAC3D模型转换在ANSYS软件中建立模型后，就可以进行节点与单元输出并转换成为FLAC3D模型，然后再求解。

首先，总结一下前面的处理步骤！然后，进行ANSYS—FLAC3D模型转换说明。AUTOCAD—ANSYS模型建立步骤

(总结)步骤一、AUTOCAD绘图并输出1、绘图；2、把各区域形成面域：reg\选择需要的面域线\回车；3、先保存为