FLAC及FLAC3D基础与工程实例

1序FLAC是国际通用的岩土工程专业分析软件，具有强大的计算功能和广泛的模拟能力，尤其在大变形问题的分析方面具有独特的优势。软件提供的针对于岩土体和支护体系的各种本构模型和结构单元更突出了FLAC的“专业”特性，因此在国际岩土工程界非常流行。在国内，FLAC的应用也日渐广泛，拥有越来越多的用户群，而相关学习材料还不够丰富，该书为广大的FLAC使用者提供了新的参考素材。全书共分为基础篇、专题篇和应用篇三个篇章，分别针对FLAC和FLAC3D的基础知识、专题模块和工程应用做了系统介绍。站在初学者的立场，来讲解复杂的软件应用方法是本书最大的特色，书中不乏大量简单却具有说明性的小算例，用以描述繁琐的软件命令和计算功能，通过循序渐进的学习，使读者尽快掌握软件的使用方法和基本命令。同时，该书还提供了岩土工程中常见工程的应用范例，为读者进一步开展软件的应用实践提供参考。全书涉及静力分析、动力分析、接触分析、流固耦合分析、二次开发等众多领域，既考虑到初学者的入门需求，又对已具有一定基础的读者提供引导和建议，是FLAC和FLAC3D软件爱好者和使用者值得参考的图书。作者之一陈育民是我以前指导的博士生，在河海大学学习期间，他勤奋好学，品学兼优，通过博士期间的学习，他在FLAC和FLAC3D软件应用方面积累了一定的实践经验，尤其擅长于利用FLAC进行非线性动力分析、本构模型的二次开发和流固耦合问题的求解。该书是陈育民和徐鼎平等宝贵经验的总结，相信不管是初学者还是具有一定使用经验的用户，都将从该书中获益。刘汉龙长江学者奖励计划特聘教授国家杰出青年科学基金获得者2008年8月于江南文枢苑2第1章FLAC、FLAC3D的功能与特性自R.W.Clough1965年首次将有限元引入土石坝的稳定性分析以来，数值模拟技术在岩土工程领域获得了巨大的进步，并成功解决了许多重大工程问题。特别是个人电脑的出现及其计算性能的不断提高，使得分析人员在室内进行岩土工程数值模拟成为可能，也使得数值模拟技术逐渐成为岩土工程研究和设计的主流方法之一。数值模拟技术的优势在于有效延伸和扩展了分析人员的认知范围，为分析人员洞悉岩、土体内部的破坏机理提供了强有力的可视化手段。因此，优秀的岩土工程数值模拟软件须在专业性、可视化及信息输出等方面做到相对完备，方能使分析人员专注于工程实际问题的研究、分析和解决。FLAC系列软件的出现，为岩土工程研究工作者提供了一款功能强大的数值模拟工具。本章重点：FLAC/FLAC3D的主要特点FLAC/FLAC3D的不足之处1.1FLAC/FLAC3D简介FLAC（FastLagrangianAnalysisofContinua）是由Itasca公司研发推出的连续介质力学分析软件，是该公司旗下最知名的软件系统之一。FLAC目前已在全球七十多个国家得到广泛应用，在国际土木工程（尤其是岩土工程）学术界和工业界享有盛誉。FLAC有二维和三维计算软件两个版本，即FLAC2D（1984）和FLAC3D（1994）。这里进行一下说明，本书在阐述软件系列时，以FLAC统一称谓FLAC2D和FLAC3D；分述FLAC2D和FLAC3D时，FLAC仅指代FLAC2D。FLACV3.0以前的版本为DOS版本，V2.5版本仅仅能够使用计算机的基本内存（64K），因而求解的最大结点数仅限于2000个以内。1995年，FLAC升级为V3.3的版本，由于能够扩展内存，因此大大增加了计算规模。FLAC目前已发展到V5.0版本。FLAC3D作为FLAC的扩展程序，不仅包括了FLAC的所有功能，并且在其基础上进行了进一步开发，使之能够模拟计算三维岩、土体及其它介质中工程结构的受力与变形形态。FLAC3D目前已发展到V3.1版本。1.2FLAC/FLAC3D的主要特点FLAC/FLAC3D界面简洁明了，特点鲜明，其使用特征和计算特征在众多数值模拟软件中别具一格。31.2.1FLAC/FLAC3D的使用特征FLAC/FLAC3D的使用特征主要表现为：命令驱动模式FLAC/FLAC3D有两种输入模式：①人机交互模式，即从键盘输入各种命令控制软件的运行；②命令驱动模式，即写成命令流文件，由文件来控制软件的运行。其中，命令驱动模式为FLAC/FLAC3D的主要输入模式，尽管这种驱动方式对于简单问题的分析过于繁杂，对软件初学者而言相对较困难，但对于那些从事大型复杂工程问题分析而言，因涉及多次参数修改、命令调试，这种方式无疑是最有效、最经济的（当然，由于二维建模相对简单，照顾不少用户的使用习惯，在FLAC中也可以采用界面操作模式即GIIC模式进行分析计算）。专一性FLAC/FLAC3D专为岩土工程力学分析开发，内置丰富的弹、塑性材料本构模型（其中FLAC内置11个，FLAC3D内置12个），有静力、动力、蠕变、渗流、温度5种计算模式，各种模式间可以相互耦合，以模拟各种复杂的工程力学行为。FLAC/FLAC3D可以模拟多种结构形式，如岩体、土体或其它材料实体：梁、锚元、桩、壳以及人工结构，如支护、衬砌、锚索、岩栓、土工织物、摩擦桩、板桩等。通过设置界面单元，可以模拟节理、断层或虚拟的物理边界等。借助其强大的绘图功能，用户能绘制各种图形和表格。用户可以通过绘制计算时步函数关系曲线来分析、判断体系何时达到平衡与破坏状态，并在瞬态计算或动态计算中进行量化监控，从而通过图形直观地进行各种分析。开放性FLAC/FLAC3D几乎是一个全开放的系统，为用户提供了广阔的研究平台。通过其独特的命令驱动模式，用户几乎参与了从网格模型的建立、边界条件的设置、参数的调试到计算结果输出等的全部求解过程，自然能更深刻理解分析的实现过程。利用其内置程序语言FISH，用户可以定义新的变量或函数，以适应特殊分析的需要。例如，利用FISH，用户可以设计自己的材料本构模型；用户可以在数值试验中进行伺服控制；可以指定特殊的边界条件；自动进行参数分析；可以获得计算过程中节点、单元的参数，如坐标、位移、速度、材料参数、应力、应变和不平衡力等。此外，用户还可以利用C++程序语言自定义新的本构模型，编译成DLL（动态链接库），在需要时载入FLAC/FLAC3D，且运行速度与内置模型相差不大；用户也可以利用有限元软件或其它专业建模工具建立复杂三维模型，导入FLAC3D，以弥补在建立三维复杂模型等方面的不足。1.2.2FLAC/FLAC3D的计算特征作为有限差分软件，相对于其它有限元软件，在算法上，FLAC/FLAC3D有以下几个优点：采用“混合离散法”（MartiandCundall1982）来模拟材料的塑性破坏和塑性流动。这种方法比有限元法中通常采用的“离散集成法”更为准确、合理。即使模拟静态系统，也采用动态运动方程进行求解，这使得FLAC/FLAC3D模拟物理上的不稳定过程不存在数值上的障碍。4采用显式差分法求解微分方程。对显式法来说，非线性本构关系与线性本构关系并无算法上的差别，根据已知应变增量，可很方便地求得应力增量、不平衡力并跟踪系统的演化过程。此外，由于显式法不形成刚度矩阵，每一时步计算所需内存很小，因而使用较少的内存就可以模拟大量的单元，特别适于在微机上操作。在大变形问题的求解过程中，由于每一时步变形很小，因此可采用小变形本构关系，将各时步的变形叠加，得到大变形。这就避免了推导并应用大变形本构关系时所遇到的麻烦，也使得它的求解过程与小变形问题一样。1.2.3FLAC/FLAC3D的求解流程采用FLAC/FLAC3D进行数值模拟时，有三个基本部分必须指定，即：有限差分网格；本构关系和材料特性；边界和初始条件。网格用来定义分析模型的几何形状；本构关系和与之对应的材料特性用来表征模型在外力作用下的力学响应特性；边界和初始条件则用来定义模型的初始状态（即边界条件发生变化或者受到扰动之前，模型所处的状态）。在定义完这些条件之后，即可进行求解获得模型的初始状态；接着，执行开挖或变更其它模拟条件，进而求解获得模型对模拟条件变更后作出的响应。图1-1给出的是FLAC/FLAC3D的一般求解流程。对于多单元模型复杂问题，如动力分析、多场耦合分析等的模拟，可以按这一求解流程，先采用简单模型（单元数较少的模型）观察类似模拟条件下的响应，接着再进行复杂问题的模拟以使之更有效率。1.3FLAC/FLAC3D的应用范围尽管最初开发FLAC是用于岩土工程和采矿工程的力学分析，但由于该软件具有很强的解决复杂力学问题的能力，因此，FLAC及其扩展软件FLAC3D的应用范围现已拓展到土木建筑、交通、水利、地质、核废料处理、石油及环境工程等领域，成为这些专业领域进行分析和设计不可或缺的工具。其研究范围主要集中在以下几个方面：岩、土体的渐近破坏和崩塌现象的研究；岩体中断层结构的影响和加固系统（如喷锚支护、喷射混凝土等）的模拟研究；岩、土体材料固结过程的模拟研究；岩、土体材料流变现象的研究；高放射性废料的地下存储效果的研究分析；岩、土体材料的变形局部化剪切带的演化模拟研究；岩、土体的动力稳定性分析、土与结构的相互作用分析以及液化现象的研究等。5图1-1FLAC/FLAC3D的一般求解流程1.4FLAC/FLAC3D的不足毋庸置疑，FLAC/FLAC3D是十分优秀的岩土工程数值模拟软件，其实用性和专业性得开始建立分析模型：(1)生产网格，形成所需要的形状；(2)定义本构关系和材料性质；(3)定义边界条件和初始条件检查模型的响应特性执行变更：例如：(1)开挖(2)改变边界条件进入平衡状态进行求解检查模型的响应特性需要进行参数研究？结束结果不满意是模型作出合理的响应否结果可接受需进行更多的试验6到了广泛证实。但不可否认，FLAC/FLAC3D尤其是FLAC3D也存在着诸多不足，主要集中在以下几个方面：求解时间受网格尺寸的影响很大。对于一般的弹塑性问题，FLAC的求解时间大致与N3/2（N为单元数目）成正比，FLAC3D求解时间大致与N4/3成正比。由此可以看出，FLAC/FLAC3D对网格尺寸十分敏感，同一模型采用不同尺寸的网格单元可能导致求解时间相差数倍之巨。某些模式下的计算求解时间很长。由于很多物理过程（如固结过程、长期动力影响、材料流变等）与时间相关，模拟时必须考虑时间效应。对于这些物理过程的时间效应，FLAC/FLAC3D均采用真实时间予以考虑，因而造成求解时间很长，在有些情况下计算时间甚至是无法令人接受的。前处理功能较弱。FLAC3D对于复杂三维模型的建立仍然十分困难。尽管FLAC3D软件为用户提供了12种初始单元模型，通过连接、组合匹配这些初始单元模型可方便快捷地建立规则的三维工程地质体模型；同时，也可通过内置语言FISH，编写命令来调整、构建特殊的计算模型，使之更符合工程实际。但是，由于FLAC3D在建立计算模型时采用的是键入数据/命令行文件的方式，加上FISH语言独特的源代码表达方式，直接扼杀了一般工程技术人员运用FLAC3D进行工程分析的想法。即使对于有相当数值模拟经验和能力的分析人员来说，建立较复杂的地质体模型，如地形起伏大的峡谷区地质模型，也是一件费时费力的苦差。这也是造成FLAC3D三维模拟计算周期长、难度大，制约其进一步推广应用的主要原因之一（胡斌，张倬元，等2002；廖秋林，曾钱帮，等2005）。尽管如此，FLAC/FLAC3D的不足之处还是可以采取一定办法予以克服的。其计算时步受网格尺寸影响较大和某些模式下计算时间过长的问题，由于涉及到软件内核即算法和计算效率的问题，需从算法和计算机性能上予以改进（戴荣，李仲奎等2006），普通用户是难以解决的。但随着算法的不断改进和完善，以及高性能计算机的普及，这些不足之处有望得到改善。至于FLAC3D前处理较弱的问题，普通用户即使在现有条件下也完全可以通过借助其它软件予以弥补和完善，对于这部分内容本书将单独成章予以详述。7第2章FLAC3D快速入门FLAC3D的命令驱动模式，使得初学者需花费较长的时间入门。本章将对FLAC3D进行粗略的浏览；以一个简单示例，介绍FLAC3