颗粒流方法及PFC2D程序

颗粒流方法及PFC2D程序演讲者张标颗粒流方法产生的背景PFC2D（ParticleFlowCodein2Dimensions）即二维颗粒流程序，是通过离散单元方法来模拟圆形颗粒介质的运动及其相互作用。最初，这种方法是研究颗粒介质特性的一种工具，它采用数值方法将物体分为有代表性的数百个颗粒单元，期望利用这种局部的模拟结果来研究边值问题连续计算的本构模型。以下两种因素促使PFC2D方法产生变革与发展：（1）通过现场实验来得到颗粒介质本构模型相当困难；（2）随着微机功能的逐步增强，用颗粒模型模拟整个问题成为可能，一些本构特性可以在模型中自动形成。因此，PFC2D便成为用来模拟固体力学和颗粒流问题的一种有效手段。颗粒流方法的特点PFC2D方法既可直接模拟圆形颗粒的运动与相互作用问题，也可以通过两个或多个颗粒与其直接相邻的颗粒连接形成任意形状的组合体来模拟块体结构问题。PFC2D中颗粒单元的直径可以是一定的，也可按高斯分布规律分布，单元生成器根据所描述的单元分布规律自动进行统计并生成单元。通过调整颗粒单元直径，可以调节孔隙率，通过定义可以有效地模拟岩体中节理等弱面。颗粒间接触相对位移的计算，不需要增量位移而直接通过坐标来计算。接触过程可用下列单元模拟：（1）线性弹簧或Hertz-Mindlin法则：（2）库仑滑块；（3）可选择的连接类型，如一种是点接触；另一种是用平行的弹簧连接，这种平行的弹簧连接可以抵抗弯曲。颗粒流方法的基本假定颗粒流方法在模拟过程中作了如下假设:1)颗粒单元为刚性体;2)接触发生在很小的范围内，即点接触;3)接触特性为柔性接触，接触处允许有一定的“重叠”量;4)“重叠”量的大小与接触力有关，与颗粒大小相比，“重叠”量很小;5)接触处有特殊的连接强度;6)颗粒单元为圆盘形(或球形)。颗粒流方法解题途径1定义模拟对象2建立力学模型的基本概念3构造并运行简化模型4补充模拟问题的数据资料5模拟运行的进一步准备6运行计算模型7解释结果PFC2DMODEL模型的建立颗粒的生成有两个命令可用于生成颗粒流模型:BALL和GENERATE，其中，BALL命令是生成单个的颗粒，该命令生成的颗粒可与已存在的颗粒重叠，而GENERATE可生成一系列指定数目的颗粒流，该命令生成的颗粒是不允许重叠的。PFC2D里主要有两种类型的颗粒流：规则排列的和无规则排列的。一系列规则排列的颗粒流可以用来模拟模拟结构部分，如梁，而不规则排列的颗粒流可用来模拟实体或内部结构无规则的颗粒材料，如岩石内部所包含的胶结颗粒。模型的建立Example1：CreatingamixtureoftwodiscreteparticlesizesExample2：Confiningparticlestoanon-rectangularregionExample3：Generatingasemi-circularregionofparticlesExample1Example2Example3颗粒组的压缩规律排列颗粒流生成规则排列的颗粒流，主要采用FISH语言配合BALL命令，循环生成一系列的颗粒。Example4颗粒组的压缩不规律排列颗粒流无规则排列，即：对一个给定空隙率的区域，采用颗粒来充填其中需要进行填充的空隙，并确保整个模型保持平衡。对于所能被填充的模型的初始空隙率，是有一个限制值，不能任意小。对于某些空隙率的模型，颗粒的填充可以无接触地排列，对于其它情况的空隙率，颗粒又可以重叠排列。颗粒组的压缩第一种方法，首先建立封闭区域的边界(简称墙体)，然后在封闭区域内任意生成一系列无接触的颗粒，最后移动区域的限制墙体，至所需要的空隙率。第二种方法：运用GENERATE命令生成颗粒体，同时配合关键词高斯配，即指定颗粒体半径的上下限，然后相应分配一个标准差，同时配合FISH函数来选择颗粒半径，最终生成我们所需要的模型。半径扩展法首先需要介绍一个概念：半径放大系数m，它会引起模型空隙率的改变。空隙率的定义：——颗粒体的总面积；——封闭区域的总面积因此：1pAnApAA2nAAR2(1)RAn我们定义初始空隙率为，新生成的空隙率为,那么，则有：如果整个模型使用相同的半径放大系数，则：或0nn220011RnRn2011nmn011nmn半径扩展法实例：区域宽：10单位区域高：5单位目标空隙率：0.12颗粒体数目：300最大最小半径比：1.5初始假设一个m之值，可以求出初始的为：从而得到平均半径大小为：0nrN0n201(1)nnm0(1)ARnN半径扩展法由初始给定的颗粒体最大直径和最小直径的比例r可得到颗粒体半径的上下限：下限：上限：2(1)LORRrHILORrR半径扩展法半径扩展法Example5模型接触力挤压排斥法指定颗粒体的半径，不限制颗粒的数目，使足够多的颗粒产生来达到所需要的空隙率。但这种方法所带来的缺点是可能在局部区域造成大面积的颗粒重叠，这将会产生很大的挤压力，从而给予颗粒较大的初始速度，这就可能使得颗粒体脱离墙体的限制。为避免此情况的发生，可通过初始的有限步循环计算将颗粒的动能减至零，然后再计算至平衡态。挤压排斥法Example6平衡前模型平衡后模型接触状态的建立iniradmul1.60;iniradmul1.66Example7边界条件及其初始状态建立初始状态建立Example8后续工况分析Example9后续工况分析无支护隧洞Example10后续工况分析支护隧洞Example11颗粒流方法及PFC2D程序THEEND