河海大学FLAC,FLAC3D基础与应用-陈育民

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,#,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,2015.22015.5,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：,ymchenhhu,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,？,F,ast,L,agrangian,A,nalysis of,C,ontinua,8,连续介质,拉格朗日算法,有限差分法,快速,为什么要用,FLAC,？,9,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,FLAC,650,ABAQUS,278,ANSYS,206,PLAXIS,61,ADINA,41,PFC,171,UDEC,73,Updated on June 2, 2015,为什么要用,FLAC,？,10,检索期刊：,Journal,of Geotechnical and Geoenvironmental,Engineering,Geotechnique,Canadian,geotechnical Journal,Soils,and foundations,关键词：,Updated on June 2, 2015,软件,论文数量,FLAC,31,ABAQUS,23,ANSYS,5,PLAXIS,14,ADINA,0,PFC,2,UDEC,9,为什么要用,FLAC,？,11,检索期刊：,GEO*,SOILS*,关键词：,Updated on June 2, 2015,软件,论文数量,FLAC,88,ABAQUS,50,ANSYS,27,PLAXIS,74,ADINA,3,PFC,12,UDEC,16,FLAC,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,12,FLAC,为何这么流行？,Charles,Fairhurst,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。,Peter Cundall,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,F,ast,L,agrangian,A,nalysis of,C,ontinua,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 ,3.1,4.05.0,2D,版本：,DOS,版,4.05.0,6.0,7.0,25,FLAC,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,.,26,Shear strainrate contours,FLAC3D,27,与,FLAC,类似，是,FLAC,的三维版本,与,FLAC,拥有相同的优点,upstream,downstream,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。,30,Lagrangian,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,N,3/2,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,N,2,甚至,N,3,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,.,New Features in,FLAC,Version,6.0,使用,Intel Fortran compiler,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,37,New Features in FLAC3D Version,3.1,多处理器的并行计算功能,新,结构单元类型 “,Embedded Liner”,提供两个方向的接触作用，可以很好地模拟挡土墙,对,四面体单元采用新的混合离散方法 “,Nodal Mixed Discretization”,提供塑性问题更精确的解答,64,位程序,包含,命令手册、,FISH,手册和应用实例的帮助,38,New,Features in,FLAC3D,Version,4.0,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,39,Lagrangian,格式动量平衡方程,40,F,(,t,),m,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,41,G = mg,S = 1/2gt,2,= 20m,命令流：,config dyn,gen zon bri size 1 1 1,ini x mul 0.1 y m 0.1 z m 0.1,model elas,prop bulk 3e8 shear 1e8,ini dens 1000,set grav 0 0 -10,solve age 2,自由落体的模拟,(movie),42,FLAC3D,中模型术语,43,节点,gridpoint,：节点,zone,：单元,boundary,：边界,FLAC,3D,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,FLAC,3D,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,45,FLAC,3D,中的本构模型,46,一个最简单的例子,gen zon bri size 3 3 3,;,建立网格,(,前处理,),model elas,;,材料参数,prop bulk 3e6 shear 1e6,ini dens 2000,;,初始条件,fix z ran z -.1 .1,;,边界条件,fix x ran x -.1 .1,fix x ran x 2.9 3.1,fix y ran y -.1 .1,fix y ran y 2.9 3.1,set grav 0 0 -10,solve,;,求解,app nstr -10e4 ran z 3 x 1 2 y 1 2,solve,plo con zd,;,后处理,切片功能,47,RUN FLAC,3D,分析问题的过程,48,建立网格,初始条件,边界条件,初始应力平衡,外荷载,求解,前处理,后处理,FLAC3D,的文件格式,保存文件,(*.sav),含有所有状态变量和用户定义条件的二进制文件,数据文件,(*.dat),数据文件由用户创建的一种,ASC,格式的文件，它包括一系列的用于描述所分析问题的,FLAC3D,命令,FISH,文件,(*.fis),FISH,程序文件,FLAC3D,文件,(*.flac3d),FLAC3D,的网格信息文件,历史记录文件,(*.his),记录输入输出历史值的文件,图形文件,图形文件,(,各种标准格式,),电影文件,(*.dcx),AVI,或,PCX,图像文件，这些图像文件可以当作电影放映,49,初始应力的生成,为什么要单独列出？,分析过程中出现的很多问题都与初始应力是否合理有关,手册中的例子五花八门,是所有后续分析的基础,！,生成方法,弹性求解,更改强度参数的弹塑性求解,设置初始应力的弹塑性求解,存在水压力的初始应力生成,水下建筑的初始应力生成,50,弹性求解,模型尺寸,单元数量,密度,K,G,u,112 (m,3,),112,2000,30MPa,10MPa,0.35,51,gen zon bri size 1 1 2,m elas,prop bulk 3e7 shear 1e7,fix z ran z 0,fix x ran x 0,fix x ran x 1,fix y ran y 0,fix y ran y 1,ini dens 2000,set grav 0 0 -10,solve,Step = 162,s,z = -40e3,s,x = -21.54e3,更改强度参数的弹塑性求解,模型,尺寸,单元,数量,密度,K,G,c,f,u,112 (m,3,),112,2000,30MPa,10MPa,10kPa,15,0.35,52,gen zon bri size 1 1 2,model mohr,prop bulk 3e7 shear 1e7,c 1e10,f 15,ten 1e10,fix z ran z 0,fix x ran x 0,fix x ran x 1,fix y ran y 0,fix y ran y 1,ini dens 2000,set grav 0 0 -10,solve,prop bulk 3e7 shear 1e7,c 10e3,f 15,ten 0,solve,Step = 163,s,z = -40e3,s,x = -21.54e3,Or: solve elastic,设置初始应力的弹塑性求解,模型,尺寸,单元,数量,密度,K,G,c,f,u,112 (m,3,),112,2000,30MPa,10MPa,10kPa,15,0.35,53,gen zon bri size 1 1 2,model mohr,prop bulk 3e7 shear 1e7,c 10e3 f 15 ten 0,fix z ran z 0,fix x ran x 0,fix x ran x 1,fix y ran y 0,fix y ran y 1,ini dens 2000,ini szz -40e3 grad 0 0 20e3 ran z 0 2,ini,syy,-20e3 grad 0 0 10e3 ran z 0 2,ini,sxx,-20e3 grad 0 0 10e3 ran z 0 2,set grav 0 0 -10,solve,Step =,0,s,z = -40e3,s,x,= -20e3,存在水压力的初始应力生成,(1),模型,尺寸,单元,数量,饱和,密度,K,G,c,f,u,水位线,孔隙率,112,(m,3,),112,2000,30,MPa,10,MPa,10,kPa,15,0.35,1m,0.5,54,gen,zone brick size 1 1 2,model mohr,prop bulk 3e7 shear 1e7 coh 10e3 fri 15 ten 0,fix z ran z 0,fix x ran x 0,fix x ran x 1,fix y ran y 0,fix y ran y 1,ini dens 2000 ran z 0 1,ini dens 1500 ran z 1 2,ini szz -35e3 grad 0 0 20e3 ran z 0 1,ini syy -22.5e3 grad 0 0 15e3 ran z 0 1,ini sxx -22.5e3 grad 0 0 15e3 ran z 0 1,ini szz -30e3 grad 0 0 15e3 ran z 1 2,ini syy -15e3 grad 0 0 7.5e3 ran z 1 2,ini sxx -15e3 grad 0 0 7.5e3 ran z 1 2,ini pp 10e3 grad 0 0 -10e3 ran z 0 1,set grav 0 0 -10,solve,Step =,0,s,z = -,35e3,s,x,=,-22.5e3,r,d =,r,s ns,r,f,存在水压力的初始应力生成,(2),模型,尺寸,单元,数量,饱和,密度,K,G,c,f,u,水位线,孔隙率,112,(m,3,),112,2000,30,MPa,10,MPa,10,kPa,15,0.35,1m,0.5,55,config fluid,gen zon bri size 1 1 2,model elas,prop bu 3e7 sh 1e7,ini dens,1500,model fl_iso,ini fdens=1000 fmod 0,prop por 0.5,set grav 0 0 -10,water dens 1500,water table face 0 0 1, 0 1 1, 1 1 1, 1 0 1,ini pp 10e3 grad 0 0 -10e3 ran z 0 1,ini szz -30e3 grad 0 0 15e3 ran z 1 2,.,set fluid off,solve,Step =,142,s,z = -40e3,s,x,= -24e3,单元数较少产生的误差,水下建筑的初始应力生成,模型,尺寸,单元,数量,饱和,密度,K,G,c,f,u,水位线,112,(m,3,),112,2000,30,MPa,10,MPa,10,kPa,15,0.35,3,m,56,gen zon bri size 1 1 2,model m,prop bulk 3e7 shear 1e7 c 10e10 f 15 ten 1e10,fix z ran z 0,fix x ran x 0,fix x ran x 1,fix y ran y 0,fix y ran y 1,ini dens 2000 ran z 0 2,ini szz -50e3 grad 0 0 20e3 ran z 0 2,ini syy,-,40e3,grad 0 0,15e3,ran z 0 2,ini sxx,-40e3,grad 0 0,15e3,ran z 0 2,ini pp 30e3 grad 0 0 -10e3 ran z 0 2,app nstress -10e3 ran z 2,set grav 0 0 -10,solve,Step =,0,s,z = -50e3,s,x =,-,40,e3,前后处理,57,前后处理,基本前后处理,命令操作,菜单操作,dd & dip,attach & merge,外界模型的导入,复杂模型的网格检查,58,FLAC3D,的前后处理,命令驱动,(,推荐,),程序控制,图形界面接口,计算模型输出,指定本构模型及参数,指定初始条件及边界条件，指定结构单元,指定接触面,指定自定义变量及函数,(FISH),求解过程的变量跟踪,进行求解,模型输出,59,菜单驱动,(,计算模式,),60,命令栏,菜单驱动,(Plot),61,FLAC3D,的前处理,62,FLAC3D,网格生成的关键特征：,FLAC3D,是命令驱动,.,使用,FLAC3D,内置基元进行形状组合可形成复杂网格,.,用户自定义,FISH,函数可以用来修改基元网格以创建更为复杂的网格,.,第三方软件导入,.,FLAC3D,网格基,元,63,块体,退化块体,楔体,金字塔,四面体,柱体,径向块体,径向隧道,径向柱体,柱状壳体,柱状交叉,隧道交叉,64,65,块体,径向柱体,柱状交叉,Tecplot,的后处理,66,67,Tecplot,后处理,68,69,70,71,Tecplot,的云图和等值线,72,Tecplot,中云图的效果与,flac3d,的,shade on,的效果差不多,但是其出三维等值线的功能是卓越的,.,73,Tecplot,的切片功能,74,Tecplot,的,slice,切片功能,.,和,CAD,一样,可以任意切剖面出图,.,最大优点是可以几个剖面同时出图,.,75,整体和截面的数据以单元形式存在列表中,可自由选择和组合多个单元出图,.,dd,和,dip,Simwe.Com,上有近百的讨论贴,地质上的概念，倾向和倾角,建议用,ori,和,norm,代替,后处理的切片功能,plo set,plane,ori (*,*,*) norm (*,*,*),plo con zdis,plane,概念清晰，使用快捷,其他应用,reflect,网格,建立水面,76,x,y,z,ori,norm,attach,和,merge,attach,用于连接次节点,(sub-grid),允许网格存在一定随意性,要求成比例,(1:2, 1:3,等,),可用于模型的检查,慎用,merge,用于节点的合并,外来模型导入的精度差异,tolerance,的设置,77,sub-grid,4:2,5:2,tol,1,2,1,merg,外界模型的导入,复杂网格的生成难度大,接口编写,不同软件之间的精度差异,Group,的定义,采用,.flac3d,的文件格式,.flac3d,文件的格式,G,1 1.0e+00 1.0e+00 1.0e+00,Z,B8 1 2 3 4 5 6 7 8,ZGROUP,Soil,1 2 3,impgrid & expgrid,仅限于,网格,78,3w zones,3sec,复杂网格的检查,FLAC,3D,生成的复杂网格,attach face,无接触面时检查整体模型是否存在,sub-grid,有接触面时给定范围进行检查,其他软件导入的复杂模型,网格划分的检查,gen merge,弹性模型,model elastic,求解,“独立”节点,“畸形”单元,79,模型的检查,FLAC,本身的,Check,功能十分有限,错误提示很少,十分开放的工作平台,(,自由落体,),检查的基本步骤,网格检查,(,如前所述,),边界条件检查,速度约束条件,plo,gpfix,red sk,荷载条件,plo,fap,red sk,模型检查,模型赋值,plo block,model,参数赋值,plo block,prop,*,初始应力检查,(,如后所述,),80,初始应力检查办法,初始应力的计算时间不会,“,非常长,”,经常检查模型的响应,plo con szz (syy, sxx),应力场,plo con zdis (ydis, xdis),位移场,plo blo sta,屈服状态,plo gpfix red sk,速度约束条件,plo fap red sk,体力,plo hist (unbal),不平衡力,plo interface nstress (sstress),接触面单元,81,第二讲,FLAC3D,接触面、,FISH,语言、流固耦合分析,接触面（,interface,）,接触面单元,应用范围,原理,建模方法,推荐方法,复杂内部接触面的设置方法,参数选择,单桩承载力分析,挡土墙的接触面设置,思路：未知问题的分析方法,接触面单元的用途,网格不连续,岩体介质中的解理、断层、岩层面,地基与土体的接触,箱、槽及其内充填物的接触,空间中无变形的固定,“,障碍,”,接触面的原理,三角形单元,(,无厚度,!,),参数较多,三种工作模式,粘结界面,粘接滑移,库伦滑动,接触单元模型的建立,(1),关键,要形成同一位置的两个节点,(,面,),“,移来移去,”,(,推荐,),建两个分开的模型,建立接触单元,通过,INI,*,add,使模型接触,注意,dist,的含义,NO merge, NO attach!,接触面,dist,1,2,3,4,接触单元模型的建立,(2),“,导来导去,”,利用,expgrid, impgrid,命令进行网格导出与导入,配合,DELETE,命令,适于,内部接触面,的建立，或,其他前处理,工具建立的网格,接触单元模型的建立,(3),GEN separate,INTERFACE wrap,指定正确的,group,接触面参数的确定,虚构的为了合并节点而设置的接触面,Kn=ks=10*max(K+4/3G)/,D,z,min,真实的刚性接触面,如料仓下料,c,D,Tension,重要，,kn,ks,不重要,真实的柔性接触面,断层；,水力劈裂,材料,试验得到参数,对于,kn,ks,：岩石断层,10100MPa/m(,粘土,); 100GPa(,岩石,),反分析方法,：通过断层中岩石的变形与原岩的变形,单桩承载力分析,软土地基,bulk 1.6878E6,shear 3.6167E5,coh 15E3,fric 12,dens 1.73E3,桩体,bulk 5e9,shear 3.75e9,dens 2.5e3,0.5m,8m,10m,20m,计算过程,施加桩顶荷载,计算结果,影响因素,7.50E+03,fric,g,k,3,coh/0.7,0.7fric,10g,10k,2,3.00E+04,20,100e,100e,1,coh,fric,ks,kn,水平因素,计算工况设计,1,2,3,3,(9),3,1,2,3,(8),2,3,1,3,(7),2,1,3,2,(6),1,3,2,2,(5),3,2,1,2,(4),3,3,3,1,(3),2,2,2,1,(2),1,1,1,1,(1),coh,fric,ks,kn,水平,因素,工况,计算结果,Ks,取,1,Ks,取,2,Ks,取,3,96.9%,1,2,3,3,(9),22.4%,3,1,2,3,(8),54.1%,2,3,1,3,(7),96.9%,2,1,3,2,(6),7.1%,1,3,2,2,(5),37.8%,3,2,1,2,(4),96.9%,3,3,3,1,(3),42.9%,2,2,2,1,(2),37.8%,1,1,1,1,(1),Ra,差异度,coh,fric,ks,kn,水平因素,最优方案,2,2,2,2,11,1,1,2,2,10,1,1,2,2,最优方案,17.3%,6.8%,72.8%,11.9%,极差,52.4%,52.7%,96.9%,57.8%,k3,64.6%,59.2%,24.1%,47.3%,k2,47.3%,52.4%,43.2%,59.2%,k1,coh,fric,ks,kn,水平因素,合理步骤,单桩分析,简单网格,接触面参数,多次试算,理论、实测,加密网格,接触参数,理想结果,群桩分析,Pile,结构单元,单元参数,理想结果,Pile,结构单元,单元参数,理想结果,挡土墙的接触面设置,对于未知问题的分析思路,3,个独立的接触面,3,个同,ID,的接触面,2,个独立的接触面,2,个独立的接触面并进行底部,merge,挡墙,土体,1,2,3,Wall,Soil,挡土墙的接触面设置,(2),Z = 5.16cm,Z = 1.14cm,Z = ,不能初始平衡,Z = 0.35cm,？,挡土墙的接触面设置,(3),X = 1.95cm,X = 1.91cm,X = 1.47cm,？,挡土墙的接触面设置,(3),前两种方法的差别实质,3,个,ID,的独立接触面在相同位置产生互不影响的两个节点,共同,ID,的接触面在相同位置自动设置为,1,个节点,最终的结论需要您自己去判断！,3 interfaces, 2 IDs,1 interface, 1 ID,FISH,语言,FISH,语言简介,软件自带的编程语言,是否一定要学？,视情况而定，需要时查询,FISH,变量即可,语法简单,xxx,end,_,xxx,注意事项,与,FLAC,本身的关键字冲突,保留字不可缩写,变量可不定义，因此注意检查程序,print fish,table, extra,等命令使用,一个最简单的,FISH,程序,def,abc,abc = 1 + 2 * 3,abcd = 1.0 / 2.0,end,abc,print fish,数据格式,函数与变量,都可以在,FISH,函数中进行赋值，赋值操作与常规的编程语言类似，按照运算符的优先级先后顺序来执行。,函数和变量的赋值遵守数据类型的规则，即整型的计算结果为整型，浮点型的计算结果为浮点型，因此读者在进行除法运算、开方运算时都需要将数据类型设置为浮点型，数字尽量使用小数点以保证运算正确。,变量和函数名的命名规则是不能以数字开头，不能含有中文，并且不能包含如下的字符。,. , * / + -,= # ( ) ;,变量和函数名不能与,FLAC3D,、,FISH,的保留字相冲突，不要采用过于简单的单词，比如,a,，,hist,等，这些都与保留字相冲突。,即使程序中存在与保留字相冲突的变量，,FLAC3D,也不会提供任何提示，所以提醒读者在编制,FISH,程序时,尽量使用较长的、复杂的变量和函数名,。,函数与变量,对变量进行赋值时，不能使用当前函数的函数名放在,“,=,”,的右边，比如采用下面的定义,abcd = abc + 1.0,在,FISH,程序执行时会提出错误，因为这样会形成递归调用，这种调用方式在,FISH,程序中是不允许的。,变量和函数的作用是,全局,的，在命令中的任何地方修改变量的值都会立即生效，因此在实际应用中尽量避免不同的函数中含有相同的变量，因为这样可能会造成赋值错误，并难以检查。,在,FLAC3D,中可以用如下的命令来引用,FISH,函数和变量,PRINT,用于查看函数和变量的数值；,HISTORY,命令可以对函数和变量的数值进行记录；,SET,命令用于变量的赋值。,主要语句,选择语句,CASEOF,表达式,默认语句,CASE n1,表达式的值为,n1,时的语句,CASE n2,表达式的值为,n2,时的语句,ENDCASE,主要语句,条件语句,IF,条件表达式,THEN,ELSE,ENDIF,FISH,中条件运算符没有,“,并,”,、,“,或,”,、,“,否,”,这样的符号,if aa 1.0,if aa 2.0,执行语句,endif,endif,表达,“,1aa maxdisp_value,maxdisp_value = disp_gp,maxdisp_gpid = gp_id(p_gp),endif,p_gp = gp_next(p_gp),endloop,end,find_max_disp,print maxdisp_value maxdisp_gpid,FISH,的编写习惯,第一步,第二步,def abc,end,abc,def abc,p_gp = gp_head,loop while p_gp # null,p_gp = gp_next(p_gp),endloop,end,abc,第三步,第四步,def abc,p_gp = gp_head,loop while p_gp # null,command,endcommand,p_gp = gp_next(p_gp),endloop,end,abc,def abc,p_gp = gp_head,loop while p_gp # null,command,app nstress,endcommand,p_gp = gp_next(p_gp),endloop,end,abc,FISH,与建模,两个圆形隧道的连接部分,变直径的隧道部分,FISH,检查,主要采用,PRINT fish,命令,查看变量的赋值是否合理，主要检查值为,0,的函数和变量，因为,FISH,程序中一般定义的变量都有实际的意义，输出为,0,的变量很可能是与保留字相冲突的变量,（如,a,就是,apply,的保留字）,或者由于编写笔误产生的变量,（如数字,0,与大写字母,O,）。,流固耦合分析,很难！,流,-,固耦合分析,(,单相流,),基本功能,理论框架,计算模式,渗流边界条件，初始条件,单渗流计算及渗流耦合计算,基本功能,渗流各向同性、各向异性,不同的渗流模型和属性,流体压力，涌入量，渗漏量和不渗水边界,抽水井、点源、体积源,饱和渗流可采用显式差分法、隐式差分法,非饱和渗流,采用显式差分法,渗流,-,固体,-,热,的耦合,流体和固体的耦合程度依赖于土体颗粒,(,骨架,),的压缩程度，用,Biot,系数表示颗粒的可压缩程度。,循环荷载引起的动水压力变化和,土体液化,理论框架,准静态,Biot,理论,多孔介质中遵循,Darcy,定律的单相渗流,描述多孔介质中流体渗流的变量,孔隙水压力，饱和度，特定排水向量的三个分量,质量守恒定律,达西定律,本构定律,考虑流体响应孔隙水压力改变，饱和度改变，体积应变改变和温度改变,有效应力计算,无渗流模式,不设置,CONFIG Fluid,孔压不改变,设置孔压分布,INITIAL pp,WATER table,WATER density,WATER table face,SET gravity,手动设置,干湿密度,渗流模式,设置,CONFIG fluid,设置土体,干密度,渗流模型,MODEL fl_isotropic,MODEL fl_anisotropic,MODEL fl_null,SET fluid off,set WATER bulk = 0,渗流边界条件，初始条件,默认的边界条件是不透水边界,孔隙压力自由,(,不透水边界,),固定孔隙水压力,(,透水边界,),如：井,孔隙压力，孔隙率，饱和度和流体属性的初始分布可以用,INITIAL,命令或者,PROPERTY,命令定义。,单渗流计算及渗流耦合计算,时间比例,完全耦合分析方法,孔压固定分析,(,有效应力分析,),单渗流得到孔压分布,无渗流计算,孔压的力学响应,流,-,固耦合计算,单渗流得到孔压分布,用途：排水沟；抽水井；耦合计算,计算步骤,CONFIG fluid SET mech off,SET fluid implicit on/off,MODEL fl_; PROP,STEP; SOLVE age; SET fluid ratio,SET fluid off mech on,PROP biot_c 0 (or INI fmod 0),无渗流计算,孔压的力学响应,不排水短期响应,两种分析方法：干法和湿法,干法：,Ku=K+a,2,M,两种破坏形式,WATER,或,INI,获得常孔压，不排水的,c, (,孔压改变较小,),=0,c=c,u,(MK+4/3G),湿法：耦合体系的短期行为,使用排水的,K, c,若,SET fluid off, Biot_mod(fmod),真实,力学过程的特征时间,流体扩散过程的特征时间,完全耦合分析方法,时间比例,短期行为,(,不排水,),ts(,分析时间,)tc,施加扰动的属性,流体扰动：渗流可不与力学过程耦合,力学扰动：耦合等级取决于流固刚度比,流固刚度比,流,-,固耦合计算,CONFIG fluid; M(Kf); K(,渗透系数,),真实，则,FLAC,3D,默认耦合计算,p,e,v,s,e,v,p,预估流,/,力特征时间,耦合计算前先达到一个平衡状态,SET fluid on mech off; SET fluid off mech on; STEP,SET mech force; SET mech substep,n,auto; SET fluid substep,m,(=1),STEP:,渗流步足够小,流固耦合的计算方法,手动调整的,STEP,求解,SET fluid on mech off,STEP,SET fluid off mech on,STEP,主从进程的,SOLVE,求解,SET mech force,SET mech substep n auto (,从进程,),SET mech substep m(,主进程,),SOLVE age,自动,STEP,求解,STEP,渗流问题,(CONFIG,fluid,),分析步骤,时间比例,(t,s, t,c,),稳态,不排水状态,相当,扰动类型,力学扰动,孔压扰动,流固刚度比,Rk,是否,1,完全耦合模式,时间比例相当；力学扰动,心墙土坝的渗流,(1),new,config fluid,set fluid off,gen zon brick p0 0 0 -10 size 20 1 10,gen zon brick p0 5 0 0 p1 15 0 0 p2 5 1 0 p3 9 0 5 p4 15 1 0 p5 9 1 5 p6 11 0 5 p7 11 1 5 size 10 1 5,group soil,group dam ran x 5 7 z -5 0,group dam ran id 201 a id 211 a id 221 a id 231 a id 241 a,group dam ran id 202 a id 212 a id 222 a id 232 a id 242 a,m e,prop bu 3e7 sh 1e7,ini pp 0 grad 0 0 -10e3 ran z 0 -10,ini dens 2000,model fl_iso,prop por 0.5 perm 1e-10,ini fden 1000 ften -1e10,ini sat 0.0 ran z 0 5,model fl_null ran gro dam,;ini pp 0 ran gro dam,fix z ran z -10,fix x ran x 0,fix x ran x 20,fix y,set grav 10,solve,save elastic.sav,网格模型,初始孔压,心墙土坝的渗流,(2),rest elastic.sav,ini xd 0 yd 0 zd 0 xv 0 yv 0 zv 0,app nstress -40e3 grad 0 0 10e3 ran z 0 4 x 0 9,solve,save pressure.sav,竖向应力,沉降,心墙土坝的渗流,(3),rest pressure.sav,set fluid on mech off,ini fmod 2e3 ften 0.0 ran gro soil,ini xd 0 yd 0 zd 0 xv 0 yv 0 zv 0,app pp 40e3 grad 0 0 -10e3 ran z 0 4 x 0 9,app pp 0 ran z 0 x 15 20,hist id=10 zone pp id 215,solve,Ratio = 1,Ratio = 1E-5,荷载引起的地基土体的超孔隙水压力,10 m,3 m,K = 500 MPa, G = 300 MPa, c = 10 kPa,f,= 15,40 kPa,20 m,计算文件,; - apply load slowly -,def ramp,ramp = min(1.0,float(step)/200.0),end,apply nstress = -40e3 hist ramp range x -.1 3.1 z 9.9 10.1,; - fluid flow model -,model fl_iso,ini fmod 2e9,; - pore pressure fixed at zero at the surface -,fix pp 0 range z 9.9 10.1,; - settings -,set fl off,; - test -,step 750,1,1,因为本例中没有设置初始应力，这里只进行了,750,步的求解。,计算结果,对主从进程法的讨论,SET mech force,设置一个不平衡力的大小，达到这个不平衡力系统认为暂时达到平衡状态；,SET mech substep n auto,设置力学进程为从进程，在主进程每执行一步中必须执行,n,步，当系统达到平衡时也可以少于,n,步；,SET fluid substep m,设置流体进程为主进程。,讨论,1,：对收敛准则进行对比分析,不平衡力,（,force,）：,1E3,、,5E3,、,1E4,、,5E4,不平衡力比（,ratio,）：,1E-4,、,1E-3,、,1E-2,、,1E-1,采用,1E-3,的收敛准则既可以满足计算流固耦合过程中的计算精度要求，同时又具有较高的计算效率,对主从进程法的讨论,(2),讨论,2,：子步数的影响,set mech sub 100 fluid sub 10,set mech sub 10 fluid sub 10,set mech sub 1 fluid sub 1,设置合理的子步数也很重要。设置过大，则会导致计算时间大大增加，过小又会造成计算结果的误差。,真空预压的简单模拟,孔压边界条件,t,s,t,c,长期分析,(,排水,),R,k,1,骨架很软,孔压扰动,进行,biot_mod,调整,砂层,软土层,粘土层,PVD,2m,8m,10m,Data file:,数值分析过程,(movie),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,139,FLAC3D,非线性,动力分析,140,非常复杂！,Said by Prof. Peter Cundall,为什么要用,FLAC,做动力分析？,FLAC,可以模拟体系（土，岩石，结构，流体）受到的外部动力荷载（比如地震）或内部动力荷载（比如基础振动、爆炸）。,可以计算塑性引起的永久变形以及孔隙水压力的消散。,土动力学中常用的等效线性方法无法直接处理上述问题。,141,动力模拟的,3,个重要问题,动力荷载与边界条件,材料响应与阻尼,土体液化,142,动力荷载,动力输入的类型,加速度时程,速度时程,应力,(,压力,),时程,力时程,APPLY,INTERIOR (,内部,),TABLE,FISH,143,Quiet,边界,静态,(quiet,粘性,),边界,Lysmer and Kuhlemeyer(1969),模型边界法向和切向设置独立的阻尼器,性能,对于法向,p,波和,s,波能很好的吸收,对于倾斜入射的波和,Rayleigh,波也有所吸收，但存在反射,人工边界仍应当足够远,144,Quiet,边界应用,内部振动,(,如隧道中的列车振动问题,),动力荷载直接施加在节点上,使用,Quiet,边界减小人工边界上的反射,不需要,FF,边界,外部荷载的底部边界,软土地基上的地震荷载不适合用加速度或速度边界条件,使用应力条件,t,= -,2,C,s,r,v,s,地震底部输入的侧向边界,扭曲了入射波,145,quiet,quiet,quiet,Free-field,边界,146,Cundall et al. (1980),自由场网格与主体网格的耦合粘性阻尼器，自由场网格的不平衡力施加到主体网格边界上,设置条件,底部水平，重力方向为,z,向,侧面垂直，法向分别为,x, y,向,其他边界条件在,APPLY ff,之前,相当于一个阻尼器,Free-field,边界,APPLY ff,将边界上单元的属性、条件和变量全部转移,ff,单元上；,设置以后主体网格上的改动将不会被,FF,边界所响应,可存在任意的本构模型以及流体耦合,(,仅竖向,),FF,边界进行小变形计算，主体网格可大变形，,FF,边界上的变形要相对较小,存在,attach,