FLAC3D在巖土工程中的應(yīng)用(2).ppt

FLAC3D在巖土工程中的應(yīng)用 報告人 陳育民導(dǎo)師 劉漢龍河海大學(xué)巖土工程研究所 2 74 主要內(nèi)容 FLAC3D軟件簡介FLAC3D的基本原理FLAC3D的前后處理流 固耦合分析接觸單元與應(yīng)用完全非線性的動力分析自定義本構(gòu)模型的基本方法結(jié)構(gòu)單元及應(yīng)用 3 74 主要內(nèi)容 FLAC3D軟件簡介FLAC3D的基本原理FLAC3D的前后處理流 固耦合分析接觸單元與應(yīng)用完全非線性的動力分析自定義本構(gòu)模型的基本方法結(jié)構(gòu)單元及應(yīng)用 4 74 FLAC3D簡介 FastLagrangianAnalysisofContinua美國Itasca咨詢公司開發(fā)2D程序 1986 1990年代初引入中國有限差分法 FDM DOS版 2 0 2 1 3 0Itasca其他軟件 5 74 FLAC3D簡介 應(yīng)用 巖土力學(xué)分析 例礦體滑坡 煤礦開采沉陷預(yù)測 水利樞紐巖體穩(wěn)定性分析 采礦巷道穩(wěn)定性研究等巖土工程 采礦工程 水利工程 地質(zhì)工程特色 大應(yīng)變模擬完全動態(tài)運動方程使得FLAC3D在模擬物理上的不穩(wěn)定過程不存在數(shù)值上的障礙顯示求解具有較快的非線性求解速度 6 74 主要內(nèi)容 FLAC3D軟件簡介FLAC3D的基本原理FLAC3D的前后處理流 固耦合分析接觸單元與應(yīng)用完全非線性的動力分析自定義本構(gòu)模型的基本方法結(jié)構(gòu)單元及應(yīng)用 7 74 基本原理 有限差分法Lagrangian網(wǎng)格空間混合離散技術(shù)Lagrangian格式動量平衡方程FLAC3D的求解過程FLAC3D的本構(gòu)模型 8 74 有限差分法 古老的方法 上世紀(jì)40年代 用差分格式轉(zhuǎn)化控制方程中的微商格式流體力學(xué) 土工滲流問題 固結(jié)FDM FEM的混合求解FDM的新進展 9 74 Lagrangian網(wǎng)格 源自流體力學(xué)中的拉格朗日法跟蹤流體質(zhì)點的運動狀態(tài)跟蹤固體力學(xué)中結(jié)點 按時步用Lagrangian法研究網(wǎng)格節(jié)點的運動節(jié)點和單元隨材料移動 邊界和接觸面與單元的邊緣一致固體力學(xué)大變形理論 法國數(shù)學(xué)家 物理學(xué)家拉格朗日 10 74 空間混合離散技術(shù) 結(jié)構(gòu)域離散為可由四面體單元組合形成的五面體或六面體等單元以為基本單元 常應(yīng)力 常應(yīng)變 體應(yīng)變的計算 偏應(yīng)變的計算 11 74 空間混合離散技術(shù) 2 12 74 Lagrangian格式動量平衡方程 F t m 牛頓運動定律 對于連續(xù)體 在靜力平衡條件下 加速度項為0 方程變?yōu)槠胶夥匠?13 74 Case 1自由落體的模擬 G mg S 1 2gt2 20m 命令流 configdyngenzonbrisize111inixmul0 1ym0 1zm0 1modelelaspropbulk3e8shear1e8inidens1000setgrav00 10solveage2 14 74 Case 1自由落體的模擬 movie 15 74 FLAC3D的求解過程 16 74 FLAC3D中的本構(gòu)模型 開挖模型null3個彈性模型各向同性彈性橫觀各向同性彈性正交各向同性彈性8個塑性模型 Drucker Prager模型 Morh Coulomb模型 應(yīng)變硬化 軟化模型 遍布節(jié)理模型 雙線性應(yīng)變硬化 軟化遍布節(jié)理模型 修正劍橋模型和胡克布朗模型 17 74 FLAC3D中的本構(gòu)模型 18 74 主要內(nèi)容 FLAC3D軟件簡介FLAC3D的基本原理FLAC3D的前后處理流 固耦合分析接觸單元與應(yīng)用完全非線性的動力分析自定義本構(gòu)模型的基本方法結(jié)構(gòu)單元及應(yīng)用 19 74 FLAC3D的前后處理 命令驅(qū)動 推薦 程序控制圖形界面接口計算模型輸出指定本構(gòu)模型及參數(shù)指定初始條件及邊界條件 指定結(jié)構(gòu)單元指定接觸面指定自定義變量及函數(shù) FISH 求解過程的變量跟蹤進行求解模型輸出 20 74 菜單驅(qū)動 計算模式 命令欄 21 74 菜單驅(qū)動 Plot 22 74 Case 2一個最簡單的例子 genzonbrisize333 建立網(wǎng)格modelelas 材料參數(shù)propbulk3e8shear1e8inidens2000 初始條件fixzranz 1 1 邊界條件fixxranx 1 1fixxranx2 93 1fixyrany 1 1fixyrany2 93 1setgrav00 10solve 求解appnstr 10e4ranz3x12y12solve RUNFLAC3D 23 74 前后處理功能的優(yōu)點 多種zone類型后處理快捷 方便 豐富計算過程中的hist變量動態(tài)顯示FISH可進行參數(shù)化模型設(shè)計單元狀態(tài)的可編程計算暫停時的后處理與可保存 24 74 前后處理功能的缺點 復(fù)雜模型的建模功能不強可以編程導(dǎo)入其他軟件形成的網(wǎng)格 比如 Ansys Adina GeoCAD 無等值線的后處理功能 3D 可編程將 sav文件寫入TecPlot等其他后處理軟件全命令操作 學(xué)習(xí)困難鼠標(biāo)功能單一 雙擊取擊點坐標(biāo) 25 74 主要內(nèi)容 FLAC3D軟件簡介FLAC3D的基本原理FLAC3D的前后處理流 固耦合分析接觸單元與應(yīng)用完全非線性的動力分析自定義本構(gòu)模型的基本方法結(jié)構(gòu)單元及應(yīng)用 26 74 流 固耦合分析 單相流 基本功能理論框架計算模式滲流邊界條件 初始條件單滲流計算及滲流耦合計算 27 74 基本功能 滲流各向同性 各向異性不同的滲流模型和屬性流體壓力 涌入量 滲漏量和不滲水邊界抽水井 點源 體積源飽和滲流可采用顯式差分法 隱式差分法非飽和滲流采用顯式差分法滲流 固體 熱的耦合流體和固體的耦合程度依賴于土體顆粒 骨架 的壓縮程度 用Biot系數(shù)表示顆粒的可壓縮程度 循環(huán)荷載引起的動水壓力變化和土體液化 28 74 理論框架 準(zhǔn)靜態(tài)Biot理論多孔介質(zhì)中遵循Darcy定律的單相滲流描述多孔介質(zhì)中流體滲流的變量孔隙水壓力 飽和度 特定排水向量的三個分量質(zhì)量守恒定律達西定律本構(gòu)定律考慮流體響應(yīng)孔隙水壓力改變 飽和度改變 體積應(yīng)變改變和溫度改變 29 74 流 固耦合的計算模式 無滲流模式孔壓計算有滲流模式瞬態(tài)滲流分析流 固耦合計算 30 74 無滲流模式 不設(shè)置CONFIGFluid孔壓不改變INITIALppWATERtableWATERdensitySETgravityWATERtableface手動設(shè)置干濕密度 設(shè)置CONFIGfluid瞬態(tài)滲流分析有效應(yīng)力計算不排水計算設(shè)置土體干密度滲流模型MODELfl isotropicMODELfl anisotropicMODELfl null 滲流模式 31 74 滲流邊界條件 初始條件 默認(rèn)的邊界條件是不透水邊界孔隙壓力自由 不透水邊界 固定孔隙水壓力 透水邊界 如 井孔隙壓力 孔隙率 飽和度和流體屬性的初始分布可以用INITIAL命令或者PROPERTY命令定義 32 74 單滲流計算及滲流耦合計算 時間比例完全耦合分析方法孔壓固定分析 有效應(yīng)力分析 單滲流得到孔壓分布無滲流計算 孔壓的力學(xué)響應(yīng)流 固耦合計算 33 74 時間比例 scale 力學(xué)過程的特征時間流體擴散過程的特征時間 34 74 完全耦合分析方法 時間比例短期行為 不排水 ts 分析時間 tc施加擾動的屬性流體擾動 滲流可不與力學(xué)過程耦合力學(xué)擾動 耦合等級取決于流固剛度比流固剛度比 35 74 單滲流得到孔壓分布 用途 排水溝 抽水井 耦合計算計算步驟CONFIGfluidSETmechoffSETfluidimpliciton offMODELfl PROPSTEP SOLVEage SETfluidratioSETfluidoffmechonPROPbiot c0 orINIfmod0 36 74 無滲流計算 孔壓的力學(xué)響應(yīng) 不排水短期響應(yīng)兩種分析方法 干法和濕法干法 Ku K a2M兩種破壞形式WATER或INI獲得常孔壓 不排水的c 孔壓改變較小 0 c cu M K 4 3G 濕法 耦合體系的短期行為使用排水的K c 若SETfluidoff Biot mod fmod 真實 37 74 流 固耦合計算 CONFIGfluid M Kf K 滲透系數(shù) 真實 則FLAC3D默認(rèn)耦合計算 p v v p預(yù)估流 力特征時間耦合計算前先達到一個平衡狀態(tài)SETfluidonmechoff SETfluidoffmechon STEPSETmechforce SETmechsubstepnauto SETfluidsubstepm 1 STEP 滲流步足夠小 38 74 Case 3真空預(yù)壓的簡單模擬 孔壓邊界條件ts tc長期分析 排水 Rk 1骨架很軟孔壓擾動進行biot mod調(diào)整 砂層 軟土層 粘土層 PVD 2m 8m 10m Datafile 39 74 數(shù)值分析過程 movie 40 74 主要內(nèi)容 FLAC3D軟件簡介FLAC3D的基本原理FLAC3D的前后處理流 固耦合分析接觸單元與應(yīng)用完全非線性的動力分析自定義本構(gòu)模型的基本方法結(jié)構(gòu)單元及應(yīng)用 41 74 接觸面單元的用途 巖體介質(zhì)中的解理 斷層 巖層面地基與土體的接觸箱 槽及其內(nèi)充填物的接觸空間中無變形的固定 障礙 42 74 接觸面的原理 三角形單元 無厚度 參數(shù)較多三種工作模式粘結(jié)界面粘接滑移庫倫滑動 43 74 接觸單元模型的建立 1 關(guān)鍵要形成同一位置的兩個節(jié)點 面 移來移去 推薦 建兩個分開的模型建立接觸單元通過INI add使模型接觸注意dist的含義 接觸面 dist 44 74 接觸單元模型的建立 2 導(dǎo)來導(dǎo)去 利用expgrid impgrid命令進行網(wǎng)格導(dǎo)出與導(dǎo)入配合DELETE命令適于內(nèi)部接觸面的建立 或其他前處理工具建立的網(wǎng)格 45 74 導(dǎo)來導(dǎo)去 具體方法 save1 savdelrangrop2notInterface1facesave2 savrest1 savdelrangroup2expgrid1 fac3drest2 savimpgrid1 flac3d 46 74 接觸面參數(shù)的確定 虛構(gòu)的為了合并節(jié)點而設(shè)置的接觸面Kn ks 10 真實的剛性接觸面如料倉下料c D Tension重要 kn ks不重要真實的柔性接觸面斷層 水力劈裂材料試驗得到參數(shù)對于kn ks 巖石斷層10 100MPa m 粘土 100GPa 巖石 反分析方法 通過斷層中巖石的變形與原巖的變形 47 74 主要內(nèi)容 FLAC3D軟件簡介FLAC3D的基本原理FLAC3D的前后處理流 固耦合分析接觸單元與應(yīng)用完全非線性的動力分析自定義本構(gòu)模型的基本方法結(jié)構(gòu)單元及應(yīng)用 48 74 完全非線性的動力分析 特點動力荷載動力邊界條件地震波的調(diào)整動孔壓的生成 49 74 FLAC3D動力分析特點 完全非線性分析遵循任何指定的非線性本構(gòu)關(guān)系不同頻率間會出現(xiàn)干涉和混合模擬不可恢復(fù)的位移和永久變形合適的塑性理論 塑性應(yīng)變增量與應(yīng)力有關(guān)易進行不同本構(gòu)模型的對比分析 50 74 動力荷載 動力輸入的類型加速度時程速度時程應(yīng)力 壓力 時程力時程APPLYINTERIOR 內(nèi)部 TABLEFISH 51 74 動力邊界條件 靜態(tài) quiet 粘性 邊界LysmerandKuhlemeyer 1969 模型邊界法向和切向設(shè)置獨立的阻尼器自由場 freefield 邊界Cundalletal 1980 自由場網(wǎng)格與主體網(wǎng)格的耦合粘性阻尼器 自由場網(wǎng)格的不平衡力施加到主體網(wǎng)格邊界上設(shè)置條件底部水平 重力方向為z向側(cè)面垂直 法向分別為x y向其他邊界條件在APPLYff之前 52 74 力學(xué)阻尼 瑞利 rayleigh 阻尼假設(shè)阻尼與質(zhì)量 剛度的線性關(guān)系參數(shù)確定簡單計算速度慢 不推薦局部 local 阻尼FLAC3D的靜力分析阻尼參數(shù)簡單適合簡單情況 53 74 滯回阻尼 HystereticDamping 模擬巖土介質(zhì)的動模量衰減曲線initialdamphystereticnamesig3 三參數(shù) sig4 四參數(shù) Hardin 哈丁模型 default計算速度快推薦 54 74 地震波的調(diào)整 基線校正對于地震分析的加速度時程 其積分得到的速度和位移應(yīng)歸0美國地質(zhì)調(diào)查研究所BasicStrong MotionAccelerogramProcessingSoftware BAP 對網(wǎng)格施加一個固定速度從而使殘余的位移變?yōu)? 55 74 地震波的調(diào)整 動力荷載的頻率與單元尺寸的雙向調(diào)整高頻的輸入要求單元尺寸很小一定的單元尺寸對應(yīng)輸入的最大頻率一般進行濾波處理濾掉低能量的高頻FFT FISOrigin 56 74 地震波的調(diào)整 El Centro波 FFT 修正后的時程 修正后FFT 5Hz 57 74 動孔壓的生成 液化 干沙剪應(yīng)變循環(huán)加載試驗初始加載階段 沙土通常先壓實再膨脹 卸載時 沙土遵循與加載相似的路徑 但在零應(yīng)變時 有些殘余體積應(yīng)變存在 取決于初始孔隙率 這可能代表純粹的壓實假定孔隙中充滿水對于常體積測試 有效應(yīng)力降低 孔隙水壓保持不變對于常荷載測試 例如 盒子上法向荷載固定 孔隙水壓增加 有效應(yīng)力減小有效應(yīng)力為零時發(fā)生液化 58 74 動孔壓的生成 液化 因此孔隙水壓增加不是液化的基本原因由于顆粒間 重組以后 的低接觸力導(dǎo)致有效應(yīng)力的減小描述液化的模型高級模型 BSHP 邊界面低塑性本構(gòu)模型 Wangetal 1990 簡單模型 MC 體積應(yīng)變增量模型Finn模型 Byrne模型 59 74 主要內(nèi)容 FLAC3D軟件簡介FLAC3D的基本原理FLAC3D的前后處理流 固耦合分析接觸單元與應(yīng)用完全非線性的動力分析自定義本構(gòu)模型的基本方法結(jié)構(gòu)單元及應(yīng)用 60 74 自定義本構(gòu)模型的基本方法 必要性試驗總結(jié)的本構(gòu)模型特定條件下的本構(gòu)模型交叉學(xué)科的本構(gòu)模型二次開發(fā)環(huán)境自定義本構(gòu)模型的功能自定義本構(gòu)模型的基本方法 61 74 二次開發(fā)環(huán)境 FLAC3D采用面向?qū)ο蟮恼Z言標(biāo)準(zhǔn)C 編寫本構(gòu)模型都是以動態(tài)連接庫文件 DLL文件 的形式提供VC 6 0 SP4 或更高版本的開發(fā)環(huán)境優(yōu)點自定義的本構(gòu)模型和軟件自帶的本構(gòu)模型的執(zhí)行效率處在同一個水平自定義本構(gòu)模型 DLL文件 適用于高版本的FLAC 2D 3DEC UDEC等其他Itasca軟件中 62 74 自定義本構(gòu)模型的功能 主要功能 對給出的應(yīng)變增量得到新的應(yīng)力輔助功能 模型名稱 版本讀寫操作模型文件的編寫基類 classConstitutiveModel 的描述成員函數(shù)的描述模型的注冊模型與FLAC3D之間的信息交換模型狀態(tài)指示器的描述 63 74 自定義本構(gòu)模型的基本方法 頭文件 usermodel h 中進行新的本構(gòu)模型派生類的聲明修改模型的ID 100 名稱和版本修改派生類的私有成員C 文件 usermodel cpp 中修改模型結(jié)構(gòu) UserModel UserModel boolbRegister ConstitutiveModel constchar UserModel Properties 函數(shù)模型的參數(shù)名稱字符串constchar UserModel States 函數(shù)計算過程中的狀態(tài)指示器 64 74 自定義本構(gòu)模型的基本方法 doubleUserModel GetProperty 和voidUserModel SetProperty 函數(shù)constchar UserModel Initialize 函數(shù)參數(shù)和狀態(tài)指示器的初始化 并對派生類聲明中定義的私有變量進行賦值constchar UserModel Run 函數(shù)由應(yīng)變增量計算得到應(yīng)力增量 從而獲得新的應(yīng)力constchar UserModel SaveRestore 函數(shù)對計算結(jié)果進行保存 程序的調(diào)試在VC 的工程設(shè)置中將FLAC3D軟件中的EXE文件路徑加入到程序的調(diào)試范圍中 并將FLAC3D自帶的DLL文件加入到附加動態(tài)鏈接庫 AdditionalDLLs 中 然后在Initialize 或Run 函數(shù)中設(shè)置斷點 進行調(diào)試 在程序文件中加入return 語句 這樣可以將希望得到的變量值以錯誤提示的形式在FLAC3D窗口中得到 65 74 一個例子 Duncan Chang 66 74 主要內(nèi)容 FLAC3D軟件簡介FLAC3D的基本原理FLAC3D的前后處理流 固耦合分析接觸單元與應(yīng)用完全非線性的動力分析自定義本構(gòu)模型的基本方法結(jié)構(gòu)單元及應(yīng)用 67 74 FLAC3D中的結(jié)構(gòu)單元 有限單元梁 beam 單元錨索 cable 單元樁 pile 單元錨桿 rockbolton殼 shell 單元格柵 geogrid 單元土工織物 土工格柵初襯 liner 單元 beam cable pile shell geogrid liner 68 74 Case 4結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng) configdynselpileid 1beg000end001selpilepropdens2400 Emod1 0e10Nu0 3XCArea0 3