PFC手册中文翻译整理1

Gettingstarted1导言1.1背景与概述PFC2D是利用离散单元法（DEM：1979年由Cundall和Strack提出）模拟球形颗粒的运动和相互作用的软件。它最早是被用来模拟颗粒状材料的行为；对包含有几百个颗粒的代表单元做过数值测试。颗粒模型被用来代表单元的行为（条件是统一的），而连续的方法则被用来解决真实的具有复杂变形模式的问题（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了变化。首先，对于particleassemblies而言，从测试结果中得到本构关系定律是非常困难的；再则，随着电子计算机运算速度及存储量的飞速发展，使得利用大量颗粒模拟整个问题成为可能；本构关系则自动在模型中体现出来了。PFC2D旨在成为可以解决固体力学和颗粒流的一种行之有效的工具。一个与圆形颗粒的移动和相互作用有关的物理问题也许可以直接用PFC2D进行模拟。利用两个或更多的颗粒来组成一个任意形状的物体也是可能的，因此这样捏合起来的每组颗粒则可以代表各自的物体（可利用clumplogic，理论与背景，section4）.PFC2D也可以用来模拟易碎的“固体”，即把每个颗粒与他周围的颗粒粘结（bond）起来；得到的assembly就可以被看作“固体”，它具有弹性而且当键（bond）在加工过程中被损坏时能够“fractuing”。PFC2D包括大量的logic供用户使用，它们可被当作是bondedparticles的一个大软件包来模拟“固体”（其中很多的logic在augmentedFishTank中被执行过，FishTank是由FISH编写的一套公式，FISH是PFC2D的一种嵌入式语言，见section3inthefishvolume）；“固体”可以使各项同性的，也可能被分割成不同的区域或块。这种系统也可由离散元程序UDEC（Itasca2004）和3DEC（Itasca2003）模拟，但是它们多用来模拟angularblock。然而，PFC2D拥有以下三个优势。1.它具有潜在的便捷性，因为判断圆形物体是否接触比判断带角物体的接触容易的多；2.本质上，PFC2D对物体的位移没有限制，即其可以任意大位移移动；3.不像UDEC（Itasca2004）和3DEC（Itasca2003）中那样，在PFC2D中，block可以破裂（因为它们1之间是由键粘合而成的）。PFC2D在模拟blocky系统中的缺点是block的边界不平坦（planar）；那么以PFC2D的优点作为交换，用户只能接受“颠簸（bumpy）”的边界啦。PFC2D中对于几何形状、性质和求解条件的说明不可能像FLAC（Itasca2002）或UDEC中那样直接明了。例如，在一个连续的程序中，网格被生成，初始应力被安置，边界条件被固定或不固定。在像PFC2D这样的颗粒代码中，是不可能有一个简洁、一般而言的陈述的，因为想在一个给定的空间中pack一定数量的颗粒就有很多种方法。生成颗粒后必须有一个压紧的过程，直到满足要求的孔隙率。对于初始的应力也不可能有一个详细、独立的说明，因为接触力完全取决于颗粒之间的相互位置。最后，边界条件的设定也比连续的程序中复杂的多，只因为PFC2D中的边界并不是平坦的曲面。这些问题本手册中都会提及，建议亲自动手实现手册中的练习程序去模拟真实的问题。一个深层的困难是必须使模拟取得的数据与实验室中的数据吻合。某种程度上说，这是一个反复的过程，因为想要从微观的性质预测宏观的肉眼可见的物理行为，目前还没有一个完整的理论。然而，本手册给出了指导方针，它会在用户吻合数据的过程中对用户提供帮助（举例来说，某参数的变动会影响某个行为，或者不会）。需要认识到的是，这些模拟将会是非常艰难的，因为它会不断挑战你的知识储备的极限。然而，通过执行PFC2D的测试，我们可以对固体的力学得到一些基本的认识（特别是断裂力学和损伤力学）。DEM属显示的时间推进模式方法，理论与背景中section3中会有详细介绍。这种模式有以下一些优势，1.它对于系统表现出不稳定的情形将会非常的容易；2.模拟的规模只取决于计算机的容量，因为根本无需储存矩阵的信息；3.PFC2D可能被用来模拟静态或力学问题，而要求解完整的力学运动方程几乎只需我们知道静态解；这是为了遵从现实生活中的材料表现出的‘flow’和失灵现象；4.无需调用一些非物理的算法。一次PFC2D模拟一般需要上千次时间步长的迭代，每一步长中应用两次牛顿定律来更新颗粒的速度和新位置，并更新作用在颗粒上的作用力。以这些新的颗粒位置为基础，作用力取决于每对颗粒的相对位移。该版本的PFC2D可在windows98和更高的系统下运行。在100mb内存时，可同时模拟100000个颗粒。用户还可以使用并行选项，几台计算机联网分流运算。详细内容见optionalfeatures中section4.PFC2D中的其他选项还有：热力学分析及耦合；C++程序模块；流体项耦合；用户自定义接触模型。2PFC2D的执行默认为命令驱动模式；还有为文件管理，绘图和打印改道等准备的绘图及菜单驱动模式。在任一选项中，都可以迅速生成high-resolution，color－renderd绘图。图形显示功能允许用户在创建或程序运行过程中的任一步骤都可以观测到模型的状态。显示的图形有可能是颗粒、墙、接触、力、位移、速度或其他数值。所有的绘图输出可以直接以黑白或者彩色的形式考入windows剪贴板或者一个单独文件。1.2主要特征PFC2D可模拟任何尺寸的圆形颗粒的assembles。一个颗粒生成器可以自动生成指定分布的颗粒群。颗粒半径可以是统一的，也可以服从高斯分布。特别地，初始的孔隙率很高，但是通过控制颗粒半径的扩张也可以得到密集。用户可以在任一步骤改变原有的半径，因此用户无需反复试验就可以得到指定的孔隙率了。性质与单个颗粒或接触息息相关，而不是“typenumber”。因此，用户要指定连续顺序的性质或半径。“jointgenerator”用来修改沿着指定线的接触的性质，当然假定他们在particleassembly上是有层次的。这样，模型可能会被weakplane的设置traversed。颗粒的颜色也被看作是一种性质，所以用户可以自行指定各种记号。在PFC2D模型中，为确保在数值漂流中长时间自由，坐标和半径都以二进制储存。相关的接触位移直接按坐标轴计算得到，而不是通过位移的增量算得。关于接触：●线性弹簧，或者简化hertz－mindlin定律；●库仑sliding；●键的选择。（键连接可以承载一定的张力，而键对张力和剪切力的承受能力是有一定限度的。键一共分两种，即接触键和平行键，它们可以安装到颗粒与颗粒的接触当中。这两种键分别对应两种物理性质：1.接触键是用来表示在一个非常小的区域上的支持作用；2.而平行键则用来表示在小球与小球接触后的附加材料（material）的堆积（deposited）作用。这种附加材料的有效硬度与接触点硬度平行，因而得名平行键。）Clumplogic使此代码的一般性得到延展，它支持被slaved的颗粒及clump的群的创建。Clump中的小球可以重叠，且每个clump的行为犹如带有可变形边界的刚体，因此，它可以看作是驾驭颗粒之上的一种一般的几何形状。As3sembly通过墙的速度，颗粒速度和应用外力的混合物来加载。Augmentedfishtank为在assembly中安装一指定的应力区域提供了一些方程，或者对assembly使用应力边界条件。时间步长的运算是自动进行的，而且包括由hertz接触模型引起的硬度变化的作用。时间步长也可以根据每个颗粒周围的接触的数量和瞬时的硬度值而改变。有一种模式叫单元映射模式（cell－mappingscheme），他是以颗粒计数为基础，利用最优的cell数；它可以自动调整单元空间的外部尺寸来提供逃逸颗粒和/或新进入的颗粒，就像被指定过一样。这种单元映射模式支持判断接触算法，以确保求解时间根据颗粒数线性增长而不是二次或高次。PFC2D中任意的线段都可以被指定为墙，拥有各自的接触性质。在墙的拐角处需要设置特殊的接触条件，它是与墙的有效面有关的曲线，以保证当颗粒沿峰滚动时接触力的单值性。除平面墙外，圆形片段，点墙和线状的墙都是可用的。可以给墙指定一个速度（平动转动都可），而墙上的力和力矩都可以被追踪（monitored）。在模拟的任一个阶段，颗粒和墙都可以被创建或删除（当然他们的性质也可以改变）。PFC2D模型可以在一个矩形的周期空间被创建或执行，其实就是无限空间的问题我们可以使用周期边界。Adaptive连续/非连续(AC/DC)logic被用来handleboundedmaterial的大模型。Pbrick则源自周期空间中创建的compactedassembly。Pbricks可以被储存，也可以被复制来构建一个大模型。被选中的pbrick可以表示为矩阵的形式，因此节省了计算时间和内存。Pbricks也可以被任意分布在一组处理器当中，利用MPI（见section1.4.1.5）.AC/DC只用来模拟变形比较小的情形，例如易碎的岩石。AC/DC的描述见section4inFISHvolume。PFC2D还提供了局部非粘性阻尼（用于消耗动能），此种阻尼具有以下优点：●当运动是稳定的时候体力趋近于零（即只有减速时才有阻尼）。●阻尼常量是无量纲的；●带有不同自然周期的assembly区域平等的阻尼，即利用相同的阻尼常数，因为阻尼是frequency－independent的。粘性接触阻尼也可以使用，其中利用接触弹簧元素进行平行的缓冲。这种阻尼在模型impact和freeflight的情况下是合适的，而此时利用默认的阻尼是不现实的。4密度缩放可以用来增加时间步长和优化求解效率。重力不受密度尺度缩放的影响。追踪能量。以下能量可以被追踪：●体的工作量（assembly中的所有颗粒体）●粘结能量（总的assembly的张力能量储存在平行键之中）；●边界的工作量（assembly中的所有墙）●摩擦（所有接触的摩擦能量消耗）；●动力学能量（所有粒子的动力学能量）●张力能量（整个assembly的所有接触的张力能量）assembly中测量任意圆形区域数是很便利的：●平均应力张量的所有成分；●平均张力张量的所有成分；●孔隙率；●Thecoordinationnumber（每个颗粒的平均解除数）；●接触分数。任何数据都可以追踪而且储存为history。储存的history也可以绘成图，显示在屏幕上，或者储存在一个文件里面可以被其他程序调用。PFC2D可在半静态模式或全动力模式下执行。PFC2D中所有数据都可以被储存，并汇成history。PFC2D拥有强大的built－in程序FISH，用户可以定义新的变量和方程。FISH提供给用户一个唯一的能力去根据用户自己的需要裁剪程序。例如，FISH方程可以做以下的事情：●详细说明用户指定的性质变化；●绘制和打印用户自定义的变量；●Servo－control数值测试；●自动参数学习；●根据用户的需要创建或删除颗粒；●按照某种方式创建颗粒group；●读写ASC2或2进制文件；●利用TCP/IP信息从/向其他Itasca程序发送和接收数据。1.3可选择特性可选择的特性（热量分析，流体分析，并行处理和C++编程，用户可以通过C＋＋程序创建自己需要的基础模型）此可以作为PFC2D的额外价值。5热力分析选项：可以模拟材料中短暂的热流和随后位移和力的发展趋势。热力模型可以独立运行也可以耦合在力学模型之中。热力张力通过改变颗粒的半径得到，平行键上承载的力来说明颗粒和结合键的热量。热力学分析选项的描述见section1inoptionalfeatures。流体分析选项：允许用户模拟流固耦合问题。该模式在欧拉坐标系下数值求解连续和动量方程，然后得到考虑单元内小球存在时的压力和速度。由流体产生的驱动力在施加于小球之上。关于流体选项的描述见section2inoptionalfeatures。用户自行编写的C＋＋选项