离散元软件PFC入门指导.ppt

1、PFC2D粒子流软件教学中模仿技术有限公司，主要内容，第一部分PFC2D粒子流节目介绍第二部分有限差分方法基础介绍第三部分离散元素方法基础介绍第四部分使用PFC2D，第一部分PFC2D粒子流节目介绍，1，理论背景2，粒子流方法的基本假设3，粒子流方法的特性4，可选特性5，可选特性5 作为离散元素的二维粒子流节目数值模拟新技术，理论基础是CUNDA，模拟通过圆形(或异形)离散单元与粒子介质的运动和交互。 平面内的平移和旋转运动方程确定粒子在每个瞬间的位置和速度。作为研究粒子介质特性的工具，使用具有代表性的数百至数万个粒子单位，通过数值模拟实验，得到粒子介质配置模型。1 .理论背景，粒子流代码2分

2、量(pfc2d)是二维粒子流程序，通过离散单位方法模拟圆形粒子介质的运动和交互。最初，牙齿方法是研究粒子介质特性的工具，预计将使用将对象分成数百个代表性粒子单位的数值方法，利用牙齿局部模拟结果研究边值之间连续计算的构造模型。以下两个茄子因素导致了PFC2D方法的变化和发展：通过：(1)现场实验获得粒子介质配置模型非常困难。(2)随着微电脑功能的逐步增强，可以使用粒子模型模拟整个问题。某些配置属性可以在模型中自动形成。因此，PFC2D是模拟固体力学和粒子流问题的有效手段。2，粒子流方法的基本假设，粒子流方法假定模拟过程中粒子单位为刚性，如下所示：2)接触发生在很小的范围内，即点接触。3)接触性质

3、是弹性接触，接触点允许固定的重叠量。4)“重叠”大小量与接触力有关，与粒子大小相比，“重叠”量非常小。5)接点具有特殊的连接强度。6)粒子单位是磁盘(或旧式)。粒子是刚性体的假设对于模拟介质运动仅发生在相互接触面表面的问题(如沙和粮食等粒子组合材料)非常重要。利用牙齿假说通常是适当的。因为牙齿材质的变形不是每个刚度粒子本身的变形，而是来自粒子刚度之间的滑动和旋转以及接触面的开放和封闭。3，粒子流方法的特点，PFC2D可以直接模拟圆形粒子的运动和相互作用问题。蛋可以表示材料中的单个粒子(例如沙粒)，也可以表示粘合在一起的固体材料(例如混凝土或岩石)。粘合逐渐破坏时会破裂。结合在一起的集合可以分为

4、各向同性或单独的面域或块。这些物理系统可以使用处理角度块的离散单位节目UDEC和3DEC模拟。PFC2D有三个茄子优点。第一，潜在的效率。因为圆形物体之间的接触检测比角状物体之间的接触更简单。第二，可模拟的变位大小本身没有限制。第三，它们可能因为粘合的粒子而碎裂，与UDEC或3DEC模拟区块不同，它们不能碎裂。PFC2D模拟块系统的缺点是块的边界不是平面的。用户必须接受不公平的界限以换取PFC2D提供的好处。PFC2D的几何特性、物理特性和问题解决条件的说明不如FLAC和UDEC程序简单。例如，使用连续介质程序创建网格、设置初始压力、设置固定或自由边界等。在粒子程序(如PFC2D)中，通常不能

5、预先指定粒子紧密结合的状态，因为在给定空间中没有大量粒子组合的唯一方法。必须追踪与物体压缩类似的过程，直到获得所需的孔隙率。由于粒子相对位置的变化引起接触力，因此初始应力状态的确定与初始压缩有关。因为边界不是由平面组成的，所以边界条件设置比连续介质程序更复杂。当需要满足具有实验室实际测试的模拟物体的力学特性时，出现了更大的困难。在一定程度上是一个反复的实验过程。因为还不完善的理论可以根据微观特性预测宏观特性。但是，必须给出一些有助于模型与原型匹配的茄子准则，例如哪些因素影响动力学行为的某些方面，哪些因素不影响。要认识到，由于现有知识的制约，这种模拟本身很难。但是用PFC2D进行实验，可以获得对

6、固体力学的基本认识，尤其是热力学和损伤力学。PFC2D可以模拟任意大小圆形粒子集合的动态动力学行为。粒子生成器根据粒子指定的分布规律自动随机生成。粒子半径根据均匀分布或高斯分布而分布。初始孔间隙通常很高，但可以通过控制粒子半径的扩展来获得密度压缩。在任何阶段，任何因素都可以改变半径。因此，无需重复实验，即可获得指定孔的压缩状态。属性与单个粒子或接触相关，而不是与类型号相关。因此，可以指定属性和半径的连续变形渐变。接头产生器用于修改沿指定轨迹的接触性质。假设牙齿线叠加在粒子集合上。这样，模型可以分组到岩石节理等软弱面。粒子颜色也是允许用户指定各种标记方案的属性。将坐标和半径存储为双精度数据，以便

7、在PFC2D模型中长期保持数据不漂移。接触的相对位移是根据座标而不是变位增量直接计算的。接触性质由1)线性弹簧或简化的Hertz-Mindlin准则组成。2)库仑滑球；3)粘合类型：粘合接触能承受张力，粘合具有有限的拉伸和剪切强度。您可以设定两种茄子类型的接合、接触接合和平行接合。牙齿两种茄子类型的粘合对应于两种可茄子的物理接触。接触粘合再现作用于接触点小区域的附着效果。平行粘结再现了粒子接触后浇注其他材料(如水泥灌浆)的作用。在平行接合中，其他材料的有效劲度具有接触点的劲度。块逻辑支持创建附属粒子组或块，以促进程序的传播。块体内粒子可以在一定程度上重叠，刚性体具有可变形边界的每个块，可以成为

8、一般形状的超级粒子。指定墙速度、混合粒子速度、外力和重力，然后将其载入系统。扩展的FISH库提供了设置集合中指定应力场或应用应力边界条件的函数功能。时间步长计算是自动的，包括Hertz接触模型刚性变更的影响。在模拟过程中，时间点也会根据每个粒子周围的接触数和瞬时刚度值发生变化。基于估计的粒子数，单元映射策略使用最佳单元数自动调整单元的外部尺寸，以适应缺少粒子和指定的新对象。单元映射方案支持接触检测算法，以确保解析时间根据粒子数而不是二次线性增加。与FLAC类似，PFC提供局部粘性阻尼。牙齿阻尼形式具有以下优点：1)对于均匀运动，体力接近于0，只能在加速度运动中制动。2)阻尼系数为无人驾驶。3)

9、由于阻尼系数不随频率变化，因此自然周期不同的组件内的区域使用相同的阻尼系数均匀地阻尼。PFC2D在半静态模式下运行，可以快速聚合到静态解决方案中，也可以在完全动态模式下运行。PFC2D包含FISH，这是一种强大的嵌入式编程语言，允许用户通过新的变量和函数定义创建满足用户特殊需要的数字模型。例如，可以定义特定材料的模型和属性、载荷方法、实验条件的伺服控制、模拟顺序、绘图和打印用户定义变量等。4，可选特性，1)热分析2)并行处理技术3)自定义接触模型4)允许用户编写C程序的C编程。热选项用于模拟材料中热的瞬时流动和热柔道变位以及力的顺序发展。热模型可以独立工作，也可以与机械模型相结合。通过修改粒子

10、半径和平行粘合所能承受的力，产生热变形，对粒子和粘合材料的热进行分析。自定义接触配置模型以C语言编写，并编译为动态链接库文件，以便在需要时加载。用户编写的C节目选项允许用户用C语言编写自己的程序，创建可执行的PFC2D个人版本。牙齿选项可以代替FISH函数，从而大大提高执行速度。并行处理技术允许PFC2D模型分为多个部分，每个部分可以在单独的处理器上并行运行。与在单个处理器上运行PFC2D模型相比，并行处理大大提高了内存容量和计算速度。5、应用程序、PFC2D可以解决静态和动态问题、参数预测和原始详细信息的实际模拟。PFC2D模拟测试可以代替室内测试。在岩石和土体发掘问题的研究和设计方面，实测

11、资料相对较少，有关初始应力、不连续性等问题也只能部分理解。在松散介质流动问题中，影响流动介质不规则分布的影响因素难以定量说明。因此，应用PFC2D初步研究来研究影响整个系统的某些参数属性，并了解整个系统的属性，将有助于设计模型模拟的整个过程。PFC2D可以模拟粒子间的相互作用问题、大变形问题、破坏问题等，适用于(1)槽、管、料斗、筒仓中松散物体的流动问题。(2)矿山陷落法开采中岩体的破坏、崩塌、破碎、岩体流动问题；(3)模板中粉末的压缩；(4)组合粒子组件的碰撞和动态破坏；(5)梁结构的地震反应和倒塌；(6)粒子材料的基本特性研究(如屈服、流动、体积变化等)(7)固体的基本特性研究(如累计破坏

12、、破裂)。6，分析阶段，1)根据模拟对象定义模拟意图定义模型的详细程序，仅判断一种力学机制的另一种解释，就可以创建相对粗糙的模型。您只需在模型中反映要分析的机构。可以忽略对模拟问题影响不大的特性。2)建立力学模型的基本概念首先形成了分析对象初始特性的初步概念。为此，首先要提出几个茄子问题：系统是否会变成不稳定的系统、问题变形的大小、主要动力学特性是否非线性、介质的不连续性是否需要定义、系统边界是实际边界还是无限边界、系统结构是否对称等。结合以上内容，描述模型的近似特征，包括粒子单元设计、接触类型选择、边界条件确定和初始平衡状态分析。3)构建和运行简化模型在构建实际工程模型之前构建和运行一系列简

13、化的测试模型，可以提高故障诊断的效率。通过这种字典简化模型的运行，可以更好地理解动力学系统的概念，在某些情况下，分析简化模型的结果(例如，选定的接触类型是否具有代表性、对模型结果的边界条件影响程度等)，然后修改第二阶段。，4)补充模拟问题的数据模拟实际工程问题需要大大简化模型运行的结果，包括地质力学方面的： a)几何特性(如地下挖掘酮室的形状、地形地、坝的形状、岩土结构等)。b)地质结构位置，如断层、接头、标高等；c)材料特性，如弹性/塑料、后破坏特性等；d)初始条件(例如现场应力状态、孔压力、饱和度等)外部载荷(例如冲击载荷、挖掘应力等)。由于某些实际工程特性的不确定性(尤其是应力状态、变形

14、和强度特性)，因此必须选择合理的参数研究范围。第三阶段简化了模型的运行，有助于牙齿的选择，从而为更多的实验提供了资料。5)为模拟运营做进一步准备a)合理确定每一分钟所需的时间，如果运行时间过长，很难得到有意义的结论，因此要考虑在多台计算机上同时运行。b)要在后续运行中调用结果，必须及时保存模型的运行状态。例如，如果您的分析有多个附加卸货流程，则您应能够轻松返回每个流程，并在更改参数后继续运行。c)计划应具有足够的监视点(例如，参数变化点、不平衡等)牙齿，并应随时比较和分析中间模拟结果，分析粒子流状态。6)在计算模型运行模型正式运行之前运行一些检查模型，然后暂停，根据某些特性参数实验或理论计算结

15、果验证模拟结果是否合理，并在验证模型是否正常运行时连接所有数据文件进行计算。7)分析比较分析结果计算结果和测量结果。图形应重点关注要分析的区域，例如应力集中区域，各种计算结果应易于输出分析。第二部分有限差分方法基础介绍，连续介质三维高速拉格朗日有限差分计算方法(FLAC3D)是近20年逐步成熟的新数值计算方法。基于显式差分方法求解运动方程和动力方程。模拟岩土或其他材料的三维力学行为。在分析中，首先离散计算区域，划分为多个三维单元，单元之间连接到节点，节点受载荷作用，然后相应的平衡方程(运动方程)可以记录为时间步长为T的有限差分形式。动态应力松弛由于显式差分分析技术，在较小时间内作用于该节点的载

16、荷仅影响周围的多个节点。根据单元节点的速度变化和周期T，求出单元之间的相对位移，从而获得单元变形，并利用单元材料的构造关系得出单元应力。(威廉莎士比亚、单元、单元、单元、单元、单元、单元、单元、单元、单元、单元、单元)基于此，求出单元之间的不平衡力，将牙齿不平衡力重新应用于节点，然后执行下一个迭代过程，直到整体系统不平衡力足够小或节点位移平衡为止。FLAC3D可以解决FEA程序难以模拟的复杂工程问题，例如分布挖掘、大变形、非线性和不稳定系统(甚至大面积屈服/不稳定或完全崩溃)。第三部分离散元法基础介绍，离散单位法是模拟离散介质的计算方法，自20世纪70年代提出以来，在岩石力学、土力学、结构分析

17、等领域广泛应用于数值模拟领域，是一种新的离散体分析方法。采用离散单元法，单元之间的相对运动不一定满足变位连续和变形曹征条件，计算速度快，所需存储空间小，特别适用于节理岩体的大变位、大变形分析。离散单位法自成立以来取得了长足的发展，已经成为解决岩石力学问题的重要数值方法。在工程中，本岩体的形式是不连续结构，因此形成的岩体运动和受力状况几乎是材料的非线性问题，很难使用有限单元法或边界单元法等解决连续介质力学问题。可以用数值方法解决，离散元法充分考虑了岩石结构的不连续性，适合于解决节理岩石力学问题。近年来，离散元法的应用范围扩大到了解决连续介质到非连续介质转换的力学问题。混凝土等脆性材料在冲击渗透等动态载荷作用下产生的损伤和破坏，本质上是力学模型从连续体到不连续体的切换过程。传统的基于连续介质力学的有限元等数值计算方法很难直接用于计算和模拟材料的具体破坏形式和破坏过程。离散元法显示了这方面的巨大生命力。(大卫亚设，美