FLACD基础知识介绍

FLAG3D根底学问介绍

一、概述

FLAC（FastLagrangianAnalysisofContinua）由美国Itasca公

司开发的。目前\FLAC有二维和三维计算程序两个版本，二维计算

程序V3.0以前的为DOS版本，V2.5版本仅仅可以运用计算机的根

本内存64K）,所以，程序求解的最大结点数仅限于2000个以内。

1995,FLAC2D已晋级为V3.3的版本，其程序可以运用护展内存。

因此，大大发护展了计算规模。FSC3D是一个三维有限差分程序，

目前已开展到V3.0版本。

FSC3D的输入和一般的数值分析程序不同，它可以用交互的方

式，从键盘输入各种嘱咐，也可以写成嘱咐（集）文件，类似于批处

理，由文件来驱动。因此，承受FUXC程序进展计算，必需理解各种

嘱咐关键词的功能，然后，依据计算依次，将嘱咐按先后，依次排列,

形成可以完成确定计算任务的嘱咐文件。

FSC3D是二维的有限差分程序FLAC2D的护展，可以进展土质、

岩石和其它材料的三维构造受力特性模拟和塑性流淌分析。调整三维

网格中的多面体单元来拟合实际的构造。单元材料可承受线性或非线

性本构模型，在外力作用下，当材料发生屈从流淌后，网格可以相应

发生变形和挪动（大变形形式）。FLAC3D承受的显式拉格朗日算法

和混合一离散分区技术，可以特别准确的模拟材料的塑性破坏和流淌。

由于无须形成刚度矩阵，因此，基于较小内存空间就可以求解大范围

的三维问题。

三维快速拉格朗日法是一种基于三维显式有限差分法的数值分析

方法，它可以模拟岩土或其他材料的三维力学行为。三维快速拉格朗

日分析将计算区域划分为若干四面体单元，每个单元在给定的边界条

件下遵循指定的线性或非线性本构关系，假设单元应力使得材料屈从

或产生塑性流淌，则单元网格可以随着材料的变形而变形，这就是所

谓的拉格朗日算法，这种算法特别相宜了模拟大变形问题。三维快速

拉格朗口分析承受了显式有限差分格式来求解场的限制微分方程，并

应用了混合单元离散模型，可以准确地模拟材料的屈从、塑性流淌、

软化直至大变形，尤其在材料的弹塑性分析、大变形分析以和模拟施

工过程等领域有其独到的优点。

FLAC-3D(ThreeDimensionalFastLagrangianAnalysisof

Continua)是美国ItascaConsultingGoupInc开发的三维快速拉格朗

日分析程序，该程序能较好地模拟地质材料在到达强度极限或屈从极

限时发生的破坏或塑性流淌的力学行为，特别适用于分析渐进破坏和

失稳以和模拟大变形。它包含10种弹塑性材料木构模型，有静力、

动力、蠕变、渗流、温度五种计算形式，各种形式间可以互相耦合，

可以模拟多种构造形式，如岩体、土体或其他材料实体，梁、锚元、

桩、壳以和人工构造如支护、衬砌、锚索、岩栓、土工织物、摩擦桩、

板桩、界面单元等，可以模拟困难的岩土工程或力学问题。

FLAC3D承受ANSIC++语言编写的。

二、FLAC3D的优点与缺乏

FLAC3D有以下几个优点:

1对模拟塑性破坏和塑性流淌承受的是''混合离散法:这种方

法比有限元法中通常承受的''离散集成法''更为准确、合理。

2即使模拟的系统是静态的，仍承受了动态运动方程，这使得

FSC3D在模拟物理上的不稳定过程不存在数值上的障碍。

3承受了一个''显式解''方案。因此，显式解方案对非线性的应

力-应变关系的求解所花费的时间，几互与线性本构关系一样，而隐

式求解方案将会花费较长的时间求解非线性问题。面且，它没有必要

存储刚度矩阵，这就意味着，承受中等容量的内存可以求解多单元

构造；模拟大变形问题几互并不比小变形问题多消耗更多的计算时

间，因为没有任何刚度矩阵要被修改。

当然，它也存在以下几个缺乏之处：

1对于线性问期的求解，FSC3D比其他有限元程序运行得

要慢；但是，当进展大变形非线性问题或模拟实际可能出现不稳定问

题时，FSC3D是最有效的工具。

2用FLAC3D求解时间取决于最长的自然周期和最短的自然

周期之比。

三、FLAC3D的特点

工、应用范围广泛

1.1包含工0材料本构模型

Flac3D中为岩土工程问题的求解开发了特有的本构模型，总共

包含了10种材料模型:

1.开挖模型null

2.3个弹性模型(各向同性，横观各向同性和正交各向同性弹

性模型)

3.6个塑性模型(D「ucker-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

模型和修正的cam粘土模型)。

Flac3D网格中的每个区域可以给以不同的材料模型，并且还允

许指定材料参数的统计分布和变更梯度。还包含了节理单元，也称

为界面单元，可以模拟两种或多种材料界面不同材料性质的连续特

性。节理允许发生滑动或分别，因此可以用来模拟岩体中的断层、节

理或摩擦边界。

FSC3D中的网格生成器gen,通过匹配、连接由网格生成器生

成部分网格，可以便利地生成所须要的三维构造网格。还可以自动产

生交岔构造网格(比方说相交的巷道)，三维网格由整体坐标系x,y,z

系统所确定，这就供应了比拟灵敏的产生和定义三维空间参数°

1.2有五种计算形式

(I)静力形式。这是FU\C-3D默认形式，通过动态松弛方法得静

态解。

(2)动力形式。用户可以干脆输人加速度、速度或应力波作为系

统的边界条件或初始条件，边界可以固定边界和自由边界。动力计算

可以与渗流问题相藕合。

(3)蠕变形式。有五种蠕变本构模型可供选择以模拟材料的应力・

应变■时间关系:Maxwell模型、双指数模型、参考蠕变模型、粘塑性

模型、脆盐模型。

(4)渗流形式。可以模拟地下水流、孔隙压力耗散以和可变形孔

隙介质与其间的粘性流体的耦合。渗流听从各向同性达西定律，流体

和孔隙介质均被看作可变形体。考虑非稳定流，将稳定流看作是非稳

定流的特例。边界条件可以是固定孔隙压力或恒定流，可以模拟水源

或深井。渗流计算可以与静力、动力或温度计算耦合，也可以单独计

算。

(5)温度形式。可以模拟材料中的瞬态热传导以和温度应力。温

度计算可以与静力、动力或渗流计算藕合，也可单独计算。

1-3可以模拟多种构造形式

(I)对于通常的岩体、土体或其他材料实体，用八节点六面体单元

模拟。

(2)FIAC-3D包含有四种构造单元:梁单元、锚单元、桩单元、壳

单元。可用来模拟岩土工程中的人工构造如支护、衬砌、锚索、岩栓、

土工织物、摩擦桩、板桩等。

(3)FLAC-3D的网格中可以有界面，这种界面将计算网格分割为

若干部分，界面两边的网格可以分别，也可以发生滑动，因此，界面

可以模拟节理、断层或虚拟的物理边界。

1.4可以有多种边界条件

边界方位可以随意变更，边界条件可以是速度边界、应力边界，

单元内部可以给定初始应力，节点可.以给定初始位移、速度等，还可

以给定地下水位以计算有效应力、全部给定量都可以具有空间梯度分

布。

2FLAC-3D内嵌语言FISH

FUXC-3D具有强大内嵌语言FISH,使得用户可以定义新的变量

或函数，以适应用户的特别须要，例如，利用HSH做以下事情：

(I)用户可以自定义材料的空间分布规律，如非线性分布等。

(2)用户可以定义变量，追踪其变更规律并绘图表示或打印输出。

(3)用户可以自己设计FLAG3D内部没有的单元形态。

(4)在数值试验中可以进展伺服限制。

(5)用户可以指定特别的边界条件。

(6)自动进展参数分析。

(7)利用FLAC-3D内部定义的Fish变量或函数，用户可以获得计

算过程中节点、单元参数，如坐标、位移、速度、材料参数、应力、

应变、不平衡力等。

3FLAC-3D具有强大的前后处理功能

FSG3D具有强大的自动三维网格生成器，内部定义了多种单元

形态，用户还可以利用FISH自定义单元形态，通过组合根本单元，

可以生成特别困难的三维网格，比方穿插隧洞等。

在计算过程中的任何时刻用户都可以用高区分率的彩色或灰度

图或数据义件输出结果，以对结果进展实时分析，图形可以表示网格、

构造以和有关变量的等值线图、矢量图、曲线图等，可以给出计算域

的随意截面上的变量图或等直线图，计算域可以旋转以从不同的角度

观测计算结果。

四、FLAC3D做计算分析的一般步骤：

与大多数程序承受数据输入方式不同，FLAC承受的是嘱咐驱动方

式。嘱咐字限制着程序的运行。在必

要时，尤其是绘图，还可以启动FLAc用户交互式图形界面。为了建

立FSC计算模型，必需进展以下三个方面的工作：

1.有限差分网格

2.本构特性与材料性质

3.边界条件与初始条件

完成上述工作后，可以获得模型的初始平径状态，也就是模拟开

挖前的原岩应力状态。然后，进展工程开挖或变更边界条件来进展工

程的响应分析•，类似于FLAC的显式有限差分程序的问题求解。与传

统的隐式求解程序不同，FLAC承受一种显式的时间步来求解代数方

程。进展一系列计算步后到达问题的解。

在FSC中，到达问题所需的计算步可以通过程序或用户加以限

制，但是，用户必需确定计算步是否已经到达问题的最终的解

五、FLAC3D分析的运用领域

依据手册中所说，总结如下：

1承受荷载实力与变形分析：用于边坡稳定和根底设计

2渐进破坏与坍塌反演：用于硬岩采矿和隧道设计

3断层构造的影响探讨：用于采矿设计

4施加于地质体锚索支护所供应的支护力探讨：岩锚和土钉的设计

5排水和不排水加载条件下全饱和流体流淌和孔隙压力扩散探讨：

挡土墙构造的地下水流淌和土体固结探讨

6粘性材料的蠕变特性：用于碳酸钾盐矿设计

7陡滑面地质构造的动态加载：用于地震工程和矿山岩爆探讨

8爆炸荷载和振动的动态响应：用于隧道开挖和采矿活动

9构造的地震感应：用于土坝设计

10由于温度诱发荷载所导致的变形和构造的不稳定

12大变形材料分析：用于探讨粮仓谷物流淌和放矿的矿石流淌

六、后处理

用tecplot绘制曲线

L第一主应力

2.xdisp>ydisp、zdisp、disp

用excel做曲线

隧道

1做地表沉降槽(zdisp)

2地表横向位移(xdisp)

3隧道中线竖向沉降曲线(zdisp)

4提取位移矢量图，

5显示初期支拧构造内力

6显示state（找塑性区）

基坑

1做地表沉降槽（zdisp）

2提取位移矢量图，

3显示初期支护构造内力

4显示state（找塑性区）

边坡

做平安系数和应变图

七、模型最优化

用FLAC3D解决问题时，为了得到最有效的分析使模型最优化

是很重要的。这个章节对改良模型的运行供应了一些方法建议。同时,

打算计算时须要避开的一些通常出现的缺陷也列了出来。

L检查模型运行时间

一个FSC3D例子的运行时间是区域数的4/3倍。这个规则适用

于平衡条件下的弹性问题。对于塑性问题，运行时间会有点变更，但

是不会很大，但是假设发生塑性流淌，这个时间将会大的多。对一个

具体模型检查自己机子的计算速度很重要。一个简洁的方法就是运行

5.1节所给的基准测试。然后基于区域数的变更，用这个速度评估具

体模型的计算速度。

2.影响运行时间的因素

FSC3D有时会须要较长时间才可以收敛主要发生在下列状况

下:

(a)材料本身刚度变异或材料与构造和接触面之间的刚度差异很

大。

(b)划分的区域尺寸相差很大。

这些尺寸差异越大编码就越无效。在做具体分析前应当探讨刚度

差异的影响。例如，一个荷载作用下的刚性板，可以用一系列顶点固

定的网格代替，并施以等速度。(记住FIX哌咐确定速度，而不是位

移。)地下水的出现将使体积模量发生明显的增加一见理论卷第三

章流体•固体互相作用分析。

3.考虑网格划分的密度

FSC3D运用常应变单元。假设应力/应变曲线倾斜度比拟高，则

你将须要很多区域来代表多变的分区。通过运行划分密度不同的同一

个问题来检查影响。FLAC3D应用常应变区域，因为当用多的少节点

单元与用比拟少的多节点单元模拟塑性流淌时相比更准确。

应尽可能保持网格，尤其是重要区域网格的统一°避开长细比大

于5:1的瘦长单元，并避开单元尺寸跳动式变更(即应运用平滑的网

格)。应用GENERATE嘱咐中的比率关键词，使细划分区域平滑过渡

到粗划分区域。

4.自动觉察平衡状态

默认状况下，当执行SOLVE嘱咐时，系统将自动觉察力的平衡。

当模型中全部网格顶点中全部力的平均量级与其中最大的不平衡力

的量级的比率小于1*10时，认为到达了平衡状态。留意一个网格顶

点的力由内力（例如，由于重力）和外力（例如，由于所加的应力边

界条件）共同引起。因为比率是没有尺寸的，所以对于有不同的单元

体系的模型，在大多数状况下，不平衡力和所加力比率的限制给静力

平衡供应了一个准确的限制。

同时还供应了其他的比率限制；可以用SETratio嘱咐施加。假

设默认的比率限制不能为静力平衡供应一个足够准确的限制，则应考

虑可供选择的比率限制。

默认的比率限制同样可用于热分析和流体分析的稳定状态求解。

对于热分析，是对不平衡热流量和所加的热流量量级进展评估，而不

是力。对于流体分析，对不平衡流度和所加流度量级进展评估。

5•考虑选择阻尼

对于静力分析，默认的阻尼是部分阻尼，近于消退大多数网格顶

点的速度重量周期性为零时的动能很有效。这是因为质量的调整过程

依靠于速度的变更。部分阻尼对于求解静力平衡是一个特别有效的计

算法则且不会引入错误的阻尼力（见Cundall1987）。

假设在求解最终状态，重要区域的网格海疆的速度重量不为零，

则说明默认的阻尼对于到达平衡状态是不够的。有另外一种形式的阻

尼，叫组合阻尼，相比部分阻尼可以使稳定状态到达更好的收敛，这

时网格将发生明显的刚性挪动。例如，求解轴向荷载作用下桩的承载

力或模拟蠕变口寸都可能发生。运用SETmechanicaldampcombined

嘱咐来调用组合阻尼。组合阻尼对于减小动能方面不如部分阻尼有

效，所以应留意使系统的动力激发最小化（见例3.14）。可以用

SETmechanicaldamplocal嘱咐转换到默认阻尼。

6,检杳模型反响

FSC3D显示了一个相试的物理系统是怎样变更的。做一个简洁

的试验证明你在做你认为你在做的事情。例如，假设荷载和实体在几

何尺寸上都是对称的，当然反响也是对称的。变更了模型以后，执行

几个时步（假设，5或10步），证明初始反响是正确的，并且发生的

位置是正确的。对应力或位移的期望值做一个估计，与FLAC3D的

输出结果作比拟。

假设你对模型施加了一个猛烈的冲击，你将会得到猛烈的反响。

假设你对模型作了一些看起来不合理的事情，你确定要等待惊异的结

果。假设在分析的一个给定阶段，得到了意外值，则回忆到这个阶段

所用的时步。

在进展模拟前很关键的是检查输出结果。例如，除了一个角点速

度很大外，一切都很合理，则在你理解缘由前不要接着下去。这种状

况小，你可能没有给定适当的网格边界。

7,初始化变量

在模拟基坑开挖过程时，在到达目的前通常要初始化网格顶点位

移。因为计算次序法则不要求位移，所以可以初始化位移，这只是由

网格顶点的速度确定，并有益于用户初始化速度却是一件难事。假设

设定网格顶点的速度为一常数，则这些点在设置否则前保持不变。所

以，不要不要为了去除这些网格的速度而简洁的初始化它们为零一

这将影响模拟结果。然而，有时设定速度为零是有用的（例如，消退

全部的动能）。

8.最小化静力分析的瞬时效应

对于连续性静力分析，经过很多阶段逐步接近结果是很重耍的

—即，当问题条件突然变更时，通过最小化瞬时波的影响，使结果

更加''静力〃。使FSC3D解决方法更加静态的方法有两种。

（1）.当突然发生一个变更时（例如，通过使区域值为零模拟开

挖），设定强度性能为很高的值以得到静力平衡。然后为了确保不平

衡力很低，设定性能为真实值，再计算，这样，由瞬时现象引起的失

败就不会发生了。

（2）.当挪动材料时，用FISH函数或表格记录来逐步削减荷载

（见L2节中的例子）。

9,变更模型材料

FLAC3D对一个模拟中所用的材料数没有限制。这个准则已经

尺寸化，允许用户在自己所用版本的FLAC3D中最大尺寸网格的每个

区域（假设设定的）运用不同的材料'

10.运行在现场原位应力和重力作用下的问题

有很多问题在建模时须要考虑现场原位应力和重力的作用。这种

问题的一个例子是深层矿业开挖.—回填，此时大多数岩石受很高

的原位应力区的影响（即，自重应力由于网孔尺寸的限制可以无视不

计），但是回填桩的放置使自重应力开展导致岩石在荷载作用下可能

坍塌。在这些模拟中要留意的重点（因为任何一种模拟都有重力的作

用）是网格的至少三个点在空间上应固定一否则，整个网格在重力

作用下将转动。假设你曾经留意到整个网格在重力加速度矢量方向发

生转动，则你可能遗忘在空间上固定网格了（见例3.16）。

八、算例

FLAC3D3.0在某隧道工程开挖支护中的应用•嘱咐流.dat

new

setlogon

setlog

genzonradcylpO000pl9.000p20500p3008&

size42064dim6565rat1111group围岩

genzoncshellpO000pl6.000p20500p3005.0&

size42064dim5.64.65.64.6rat1111group初期支护

genzoncshellpO000pl5.600p20500p3004.6&

size42064dim5.04.05.04.0rat1111group二次衬砌

fillgroup原岩

genzonradcylpO000pl00-8.0p20500p39.000&

size42064dim3636rat1111group围岩2

genzoncshellpO000pl00-3.0p20500p36.000&

size42064dim2.65.62.65.6rat1111group仰拱初期

支护

genzoncshellpO000pl00-2.6p20500p35.600&

size42064dim2525rat1111group仰拱二次衬砌fill

group仰拱原岩

genzonereflectnormal-100

genzoneradtunpO000pl4500p20500p30020&

size320312dim9898rat1111.1group围岩3

genzonreflectdip0ori000rangex09y050z820

genzonreflectdip0ori000rangex945y050z020

genzonreflectdip90dd270ori000rangex09y050z

820

genzonreflectdip90dd270ori000rangex09y050z

-8-20

genzonreflectdip90dd270ori000rangex945y050z

-2020

genzonbrickpO-450-20pl-450-40p2-4550-20p3450

-20&

size5206rat1.111group围岩4

savetunmodel,sav

；假设围岩岩体符合mohr-coulomb本构模型，给围岩赋参数嘱咐流如

下，

;mohr-coulombmodel

modelmohr

defderive

s_modl=E_modl/(2.0*(1.0+p_ratiol))

bmodl=Emodi/(3.0*(1.0~2.0*pratiol))

s」nod2=E_mod2/⑵0*(1.0+p_ratio2))

b_mod2=E_mod2/⑶0*(1.0-2.0*p_ratio2))

end

setE_modl=0.6e9p_ratiol=0.27E_mod2=0.8e9p_ratio2=0.26

derive

propbulkbmodlshears_modlcohe1.8e6tens0.8e6fric30

rangez4.520

propbulkb_mod2shears_mod2cohe2.8e6tens1.0e6fric35

rangez-404.5

inidens=2300

se