FLAC-FLAC3D基础与应用-陈育民

FLAC/FLAC3D基础与应用陈育民河海大学土木与交通学院2015年6月2日1河海大学研究生课程《岩土数值分析》关于教师●2002年本科毕业于中国矿业大学●2007年博士毕业于河海大学●2013.7-2014.7美国普渡大学访问学者●2015.2~2015.5日本东京大学访问学者●研究方向：○土动力学与岩土地震工程○土木工程防灾减灾○岩土工程数值分析●联系方式：[e-mail]关于教材3关于课程●2005-11-29河海土木院研究生会组织●2006-10-13同济大学土木工程学院●2006-10-26河海大学金水节●2007-04-15东南大学交通学院●2007-07-18同济大学土木工程学院●2007-11-03河海大学岩土所组织FLAC学术沙龙●2007-11-29河南工业大学●2008-11-15河海大学河海金水节培训●2010-11-10河海大学校庆报告●2011-06-18河海大学举办ITASCA技术与应用专题（南京）研讨会●2011-10-16河南理工大学●2011-11-03南京工业大学交通学院●2011-11-24河海大学土木与交通学院研究生会●2011-06-18_ITASCA技术与应用专题（南京）研讨会●2012-08-31_解放军理工大学FLAC讲座4课程目的●什么是FLAC？●为什么要用FLAC？●FLAC能做什么？●FLAC为何这么流行？●怎么学FLAC？课堂“作业”●研究生课程《岩土数值分析》上课学生调查6课堂“作业”7什么是FLAC？●FastLagrangianAnalysisofContinua8连续介质拉格朗日算法有限差分法快速为什么要用FLAC？650278206614117173论文数量FLACABAQUSANSYSPLAXISADINAPFCUDEC9检索期刊：•岩土工程学报•岩土力学•岩石力学与工程学报•关键词：×××软件论文数量FLAC650ABAQUS278ANSYS206PLAXIS61ADINA41PFC171UDEC73UpdatedonJune2,2015为什么要用FLAC？3123514029论文数量FLACABAQUSANSYSPLAXISADINAPFCUDEC10检索期刊：•JournalofGeotechnicalandGeoenvironmentalEngineering•Geotechnique•CanadiangeotechnicalJournal•Soilsandfoundations关键词：×××UpdatedonJune2,2015软件论文数量FLAC31ABAQUS23ANSYS5PLAXIS14ADINA0PFC2UDEC9为什么要用FLAC？8850277431216论文数量FLACABAQUSANSYSPLAXISADINAPFCUDEC11检索期刊：•GEO*•SOILS*关键词：×××UpdatedonJune2,2015软件论文数量FLAC88ABAQUS50ANSYS27PLAXIS74ADINA3PFC12UDEC16FLAC能做什么？●岩土工程中的绝大多数问题○土力学、岩石力学、防灾减灾、隧道、地下空间等●采矿工程中的大部分问题●水工结构中的部分问题●结构工程国际通用的岩土工程专业分析程序12FLAC为何这么流行？●CharlesFairhurst美国工程院、瑞典皇家工程院院士，国际岩石力学学科和岩石力学学会创始人之一，历任国际岩石力学学会主席和副主席，国际岩石力学学会MULLER奖、美国岩石力学学会终生成就奖获得者。●PeterCundall美国工程院、英国皇家工程院院士，国际资深计算岩石力学学家。13课程安排●第一讲：基本介绍、静力分析、前后处理●第二讲：接触面、FISH语言、流固耦合分析●第三讲：动力分析、自定义本构、结构单元●第四讲：FLAC（2D）基本介绍与应用实例●讨论14课程要求●了解FLAC的基本概念●了解FLA的适用范围和缺陷●了解深入学习FLAC的方法●会用FLAC分析简单的路堤填筑问题（考题）题外话——“虚拟”与“现实”现实的复杂与虚拟的简化是否一定要“像”我们也做过很像的东西认清土体数值分析的影响因素参数本构网格软件复杂的网格往往会把核心问题覆盖掉，经常会造成计算结果无法解释。虚拟是简单的世界现实中的桩虚拟的桩虚拟是简单的世界冰碛土体结构模拟结果台阶坡面上的砾石产出状态小结●数值分析要对实际工程进行大量的、细心的简化，从效率和结果两方面保证数模分析的成果●结果的判断，需要深入扎实的理论功底及“丰富”的工程经验●数值分析的作用从“锦上添花”到“雪中送炭”，在于各位的努力，指日可待第一讲FLAC3D基本介绍、静力分析、前后处理24软件介绍●FastLagrangianAnalysisofContinua●美国Itasca咨询公司开发2D程序(1986)●1990年代初引入中国●有限差分法(FDM)●3D版本：DOS版→2.0→2.1→3.0→3.14.05.0●2D版本：DOS版4.05.06.07.025FLAC●大应变、小应变计算模式.●丰富的本构模型、提供自定义的本构模型功能●接触面可以模拟不同材料的接触●流固耦合实现土体的固结与渗流●拥有各种功能的结构单元类型，模拟土与结构的相互作用●强大的动力分析功能.●流变分析，拥有粘弹性模型和粘塑性模型●热力学分析.26ShearstrainratecontoursFLAC3D27-与FLAC类似，是FLAC的三维版本-与FLAC拥有相同的优点upstreamdownstream基本特点●内置材料模型●连续介质非线性，大应变模拟●显式解题方案，为不稳定物理过程提供稳定解●界面或滑动面用来模拟可产生滑动或分离的离散面，从而模拟断层，节理或摩擦边界●内置材料模型丰富：○零模型,○三个弹性模型(各向同性，横观各向同性和正交各向异性),○八个朔性模型(德鲁克-布拉格,摩尔-库伦,应变硬化/软化，单一节理，双线性应变硬化/软化单一节理,双屈服，修正剑桥粘土，霍克-布朗)28隧道工程可选模块●可选模块包括:○热力学,热-力学耦合,热-流体-力学耦合包括热传导和对流;○粘弹,粘朔性(蠕变)材料模型;○动力学分析,并可以模拟静边界和自由域○使用C++定义自己的模型29核废料储存中的热力学研究问题FLAC/FLAC3D基本原理●FLAC/FLAC3D利用有限差分，显示方案，动态松弛方法模拟连续体的非线性力学行为：○即使对准静态问题，程序仍然求解完整的动力学方程。这种方法的好处在于可以为物理非稳定过程例如塌方提供稳定解；○在“松弛”方法中，使用阻尼来吸收动能以模拟系统的“静态”反应。这种方法可以用比其它方案如解矩阵法更为真实有效地模拟塌方问题。30Lagrangian法●源自流体力学中的拉格朗日法○跟踪流体质点的运动状态○跟踪固体力学中结点，按时步用Lagrangian法研究网格节点的运动●节点和单元随材料移动，边界和接触面与单元的边缘一致●固体力学大变形理论31法国数学家、物理学家拉格朗日混合离散技术32+/2=每个为常应力/应变:体积应变由整个四边形算出.应变偏量则有两个三角形和分别算出(混合离散过程)解题过程中网格坐标按照“拉格朗日方式更新”(网格随材料移动),且为显式(一个时步内局部变化不会影响邻域)混合离散技术FLAC3D混和离散33+/2=FLAC3D混和离散34结构域离散为可由四面体单元组合形成的五面体或六面体等单元;以为基本单元(常应力、常应变);体应变的计算：;偏应变的计算：.动态松弛●动态松弛法○在动态松弛法中，网格点根据牛顿运动定律运动.网格点的速度与该点的不平衡力呈正比.这种求解方法所决定的一系列位移将把系统带入平衡状态，或表明破坏模式.●在动态松弛法中有两个因素很重要:○时步的选择○阻尼效应35显式算法显式解与隐式解的比较36显式,逐时推进隐式,静态1.无需进行反复迭代来实现非线性本构关系.2.类似问题求解时间呈N3/2规律增长3.物理非稳定性不会引起数值不稳定性.4.因为无需储存矩阵，用较小内存即可模拟大尺度问题.5.对大位移、大应变问题同样适合，无需额外的计算.1.需进行反复迭代来实现非线性本构关系2.类似问题求解时间呈N2甚至N3规律增长.3.难以模拟物理非稳定性问题.4.需存储刚度矩阵，需克服相关的带宽问题，需要的内存较大.5.对大位移、大应变问题需进行大量的计算.NewFeaturesinFLACVersion6.0●使用IntelFortrancompiler拥有更快的计算速度●自动网格重画功能，解决bad-geometry问题.●新的模拟颗粒土材料的硬化模型●更新的通用网格生成工具37NewFeaturesinFLAC3DVersion3.11.多处理器的并行计算功能2.新结构单元类型“EmbeddedLiner”提供两个方向的接触作用，可以很好地模拟挡土墙3.对四面体单元采用新的混合离散方法“NodalMixedDiscretization”提供塑性问题更精确的解答4.64位程序5.包含命令手册、FISH手册和应用实例的帮助38NewFeaturesinFLAC3DVersion4.0●模拟颗粒状材料的硬化模型●自动网格重画功能，解决bad-geometry问题.●改进的interface●更快的渗流计算●更新的动力计算功能39Lagrangian格式动量平衡方程40F(t)duFmamdtijiijdugdtx,,uuum牛顿运动定律对于连续体在静力平衡条件下，加速度项为0，方程变为平衡方程自由落体的模拟41G=mgS=1/2gt2=20m命令流：configdyngenzonbrisize111inixmul0.1ym0.1zm0.1modelelaspropbulk3e8shear1e8inidens1000setgrav00-10solveage2自由落体的模拟(movie)42FLAC3D中模型术语43节点gridpoint：节点zone：单元boundary：边界FLAC3D的求解过程44平衡方程(动量方程)应力—应变关系(本构模型)Gauss定律单元积分应变率速度节点力新的应力对所有的网格节点对所有单元FLAC3D中的本构模型●开挖模型null●3个弹性模型○各向同性弹性○横观各向同性弹性○正交各向同性弹性●8个弹塑性模型○Drucker-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、修正剑桥模型和胡克布朗模型45FLAC3D中的本构模型46岩石各向同性的岩石材料胡克-布朗模型粘土变形和抗剪强度是体变的函数修正剑桥模型轻胶结的粒状材料，在压力作用下导致永久体积减小双屈服面塑性模型层状材料破坏后研究具有非线性材料硬化或软化的层状材料双线性应变硬化/软化遍布解理模型松散沉积地层中的开挖具有强度各向异性的层状材料(即板岩)遍布解理模型破坏后研究(失稳过程，立柱屈服，顶板崩落)存在非线性硬化或软化的粒状材料应变硬化/软化摩尔-库仑模型岩土力学通用模型(边坡稳定性分析，地下开挖)松散或胶结的粒状材料：土，岩石，混凝土摩尔-库仑模型与隐式有限元程序相比的常用模型极限分析，底摩擦角的软粘土德鲁克-普拉格模型不超过强度极限的层压材料横观各向同性弹性(即板岩)横观各向同性弹性不超过强度极限的柱状玄武岩正交各向同性材料正交各向同性弹性低于强度极限的人工材料(如钢铁)；安全系数计算均匀各向同性的线形本构关系线弹性模型孔洞，开挖，后续施工材料(如回填)空空模型实际应用材料特性模型岩石各向同性的岩石材料胡克-布朗模型粘土变形和抗剪强度是体变的函数修正剑桥模型轻胶结的粒状材料，在压力作用下导致永久体积减小双屈服面塑性模型层状材料破坏后研究具有非线性材料硬化或软化的层状材料双线性应变硬化/软化遍布解理模型松散沉积地层中的开挖具有强度各向异性的层状材料(即板岩)遍布解理模型破坏后研究(失稳过程，立柱屈服，顶板崩