巖土工程數(shù)值法 緒論

巖土工程數(shù)值法

FLAC3D使用劉必?zé)舨┦?011年9月1日個(gè)人簡(jiǎn)介2002-2006石家莊鐵道大學(xué)土木工程學(xué)院橋梁系學(xué)士學(xué)位2006-2008中國(guó)地震局工程力學(xué)研究所防災(zāi)減災(zāi)工程與防護(hù)工程碩士學(xué)位2008-2011中國(guó)地震局工程力學(xué)研究所橋梁與隧道工程博士學(xué)位（2008年免試提前入讀博士）考核方式與紀(jì)律考勤+程序設(shè)計(jì)(期中小作業(yè))+程序設(shè)計(jì)(期末大作業(yè))，沒有考試考勤：1小時(shí)=1分期中程序設(shè)計(jì)：30分期末程序設(shè)計(jì)：約40分紀(jì)律！公共郵箱密碼flacflac個(gè)人郵箱電話解決巖土工程問題的方法數(shù)值法的種類有限差分法有限單元法邊界元法離散元

有限差分法最早出現(xiàn)的數(shù)值解法以差商來(lái)代替方程式的導(dǎo)數(shù)有限單元法Clough在1960年首次應(yīng)用“有限單元法（FiniteElementMethod)”這個(gè)詞，并處理平面彈性問題有限元法思想，即劃整為零很早就有了，我國(guó)的祖沖之將圓分割，求得，就是采用有限元的基本思想有限元的優(yōu)缺點(diǎn)及應(yīng)用情況

可用于非均質(zhì)問題，多層土、多種材料、多區(qū)域；可用于非線性材料，各向異性材料；可適應(yīng)復(fù)雜邊界條件；可用于各種類型的問題：應(yīng)力變形、滲流、固結(jié)、流變、濕化變形、動(dòng)力、溫度問題等。優(yōu)點(diǎn)：缺點(diǎn)：?jiǎn)卧螒B(tài)對(duì)計(jì)算結(jié)果影響較大；計(jì)算比較復(fù)雜、麻煩；計(jì)算模型、參數(shù)對(duì)結(jié)果影響大；非連續(xù)性問題困難；軟件介紹FastLagrangianAnalysisofContinua美國(guó)Itasca咨詢公司開發(fā)2D程序(1986)1990年代初引入中國(guó)有限差分法(FDM)DOS版→2.0→2.1→3.0→3.1Itasca其他軟件FLAC/FLAC3D簡(jiǎn)介介概況況FLAC3D是通通用用程程序序，，可可以以模模擬擬包包含含流流體體耦耦合合，，熱熱流流動(dòng)動(dòng)及及(土/石與與)結(jié)構(gòu)構(gòu)相相互互作作用用的的完全全非非線線性性靜靜力力學(xué)學(xué)和和動(dòng)動(dòng)力力學(xué)學(xué)問問題題，問問題題幾幾何何形形狀狀和和邊邊界界條條件件不不受受任任何何限限制制。。FLAC3D使用用廣廣義義有有限限差差分分法法(任意意形形狀狀單單元元，，又又稱稱為為有有限限體體積積法法)模擬擬非線線性性連連續(xù)續(xù)介介質(zhì)質(zhì)的的力力學(xué)學(xué)行行為為。FLAC3D對(duì)完整的的動(dòng)力學(xué)學(xué)方程求求解，即即使對(duì)于于準(zhǔn)靜態(tài)態(tài)問題也也是如此此，這種種方法對(duì)對(duì)于涉及及物理不不穩(wěn)定問問題(如坍塌)很有優(yōu)勢(shì)勢(shì)。在模模擬系統(tǒng)統(tǒng)的靜態(tài)態(tài)響應(yīng)時(shí)時(shí)，使用用阻尼吸吸收動(dòng)能能。隧道工程基本特征征內(nèi)置材料料模型（（fortran）連續(xù)介質(zhì)質(zhì)非線性性，大應(yīng)應(yīng)變模擬擬（ansys）顯式解題題方案，，為不穩(wěn)穩(wěn)定物理理過程提提供穩(wěn)定定解界面或滑滑動(dòng)面用用來(lái)模擬擬可產(chǎn)生生滑動(dòng)或或分離的的離散面面，從而而模擬斷斷層，節(jié)節(jié)理或摩摩擦邊界界內(nèi)置材料料模型：：零模型,三個(gè)彈性性模型(各向同性性，橫觀觀各向同同性和正正交各向向異性),八個(gè)朔性模型(德魯克-布拉格,摩爾-庫(kù)倫,應(yīng)變硬化化/軟化，單單一節(jié)理理，雙線線性應(yīng)變變硬化/軟化單一一節(jié)理,雙屈服，，修正劍劍橋粘土土，霍克克-布朗)自動(dòng)三維維網(wǎng)格生生成器(FLAC3D)使用預(yù)定定義形狀狀可以以創(chuàng)建交交叉內(nèi)部部區(qū)域（（如交叉叉隧道））FLAC3D擁有部分分圖形用用戶界面面(用來(lái)進(jìn)行行繪圖和和文件操操作)強(qiáng)大繪圖圖功能—等值線,矢量,張量等工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)格式圖圖形輸出出(包括PostScript,BMP,JPG,PCX,DXF(AutoCAD),EMF等),并可以用用剪貼板板進(jìn)行圖圖形剪切切和粘貼貼淺隧道的順序開挖和支護(hù)噴射混凝土，錨索及土釘支護(hù)開挖應(yīng)用：巖土力學(xué)學(xué)分析，，例礦體體滑坡、、煤礦開開采沉陷陷預(yù)測(cè)、、水利樞樞紐巖體體穩(wěn)定性性分析、、采礦巷巷道穩(wěn)定定性研究究等巖土工程程、采礦礦工程、、水利工工程、地地質(zhì)工程程特色：大應(yīng)變模模擬完全動(dòng)態(tài)態(tài)運(yùn)動(dòng)方方程使得得FLAC3D在模擬物物理上的的不穩(wěn)定定過程不不存在數(shù)數(shù)值上的的障礙顯示求解解具有較較快的非非線性求求解速度度結(jié)構(gòu)-土相互作作用壩基飽和和穩(wěn)定流隧道圍巖巖中的非飽和穩(wěn)穩(wěn)定流豐富的本本構(gòu)模型型彈性本構(gòu)構(gòu)模型零模型所有的應(yīng)應(yīng)力均為為零:模擬挖空空區(qū)彈性模型型各向同性性，線性性各向異性性彈性，假假定單元元為橫觀觀各項(xiàng)異異性bga-b面為對(duì)稱稱面.a,b軸與x,y軸呈任意意角度:afbxy德魯克-布拉格;摩爾-庫(kù)倫;單一節(jié)理理;應(yīng)變硬化化-軟化;雙屈服;修正劍橋橋粘土;霍克-布朗所有模型型都由屈屈服函數(shù)數(shù)，硬化化/軟化化函數(shù)，，和流動(dòng)動(dòng)準(zhǔn)則描描述;塑性流動(dòng)動(dòng)基于塑塑性理論論，即總總應(yīng)變可可以分解解為彈性性分量和和塑性分分量，只只有彈性性應(yīng)變分分量根據(jù)據(jù)彈性定定律引起起應(yīng)力增增加。而而且，彈彈性和塑塑性分量量與主應(yīng)應(yīng)力同軸軸;德魯克-布拉格，摩爾爾-庫(kù)倫，單一節(jié)節(jié)理,應(yīng)變硬化-軟化模型使用用剪切屈服函函數(shù)和非相關(guān)關(guān)聯(lián)流動(dòng)法則則;德魯克-布拉格，摩爾爾-庫(kù)倫，單一節(jié)節(jié)理,應(yīng)變硬化-軟化模型另外外還定義了拉拉伸強(qiáng)度準(zhǔn)則則及其相關(guān)流流動(dòng)法則;所有模型都使使用有效應(yīng)力力描述;雙屈服和修正正劍橋粘土考考慮了體積改改變對(duì)材料可可變形性和體體積變形的影影響;霍克-布朗包含非線線性破壞面，，隨圍壓改變變的塑性流動(dòng)動(dòng)法則.塑性本構(gòu)模型型FLAC/FLAC3D基本原理FLAC/FLAC3D利用有限差分，顯顯式方案，動(dòng)動(dòng)態(tài)松弛方法模擬連續(xù)續(xù)體的非線性力學(xué)行為：即使對(duì)準(zhǔn)靜態(tài)態(tài)問題,程序仍然求解解完整的動(dòng)力力學(xué)方程。這這種方法的好好處在于可以以為物理非穩(wěn)穩(wěn)定過程例如如塌方提供穩(wěn)穩(wěn)定解；在“松弛””方法中，使使用阻尼來(lái)吸吸收動(dòng)能以模模擬系統(tǒng)的““靜態(tài)”反應(yīng)應(yīng)。這種方方法可以用比比其它方案如如解矩陣法更更為真實(shí)有效效地模擬塌方方問題?；旌碗x散技術(shù)術(shù)FLAC混和離散+/2=每個(gè)為常應(yīng)力/應(yīng)應(yīng)變:體積應(yīng)變由整整個(gè)四邊形算算出.應(yīng)變偏量則有有兩個(gè)三角形形和分別算出(混合離散過程)解題過程中網(wǎng)網(wǎng)格坐標(biāo)按照照“拉格朗日日方式更新””(網(wǎng)格隨材料移移動(dòng)),且為顯式(一個(gè)時(shí)步內(nèi)局局部變化不會(huì)會(huì)影響鄰域)FLAC3D混和離散+/2=動(dòng)態(tài)松弛法在動(dòng)態(tài)松弛法法中，網(wǎng)格點(diǎn)點(diǎn)根據(jù)牛頓運(yùn)運(yùn)動(dòng)定律運(yùn)動(dòng)動(dòng).網(wǎng)格點(diǎn)的速度度與該點(diǎn)的不不平衡力呈正正比.這種求解方法法所決定的一一系列位移將將把系統(tǒng)帶入入平衡狀態(tài)，，或表明破壞壞模式在動(dòng)態(tài)松弛法法中有兩個(gè)因因素很重要:時(shí)步的選擇阻尼效應(yīng)時(shí)步為滿足數(shù)值穩(wěn)穩(wěn)定性，時(shí)步步必須滿足如如下條件:這里Cp與1/mgp成比例。對(duì)于于靜態(tài)分析，，網(wǎng)格點(diǎn)質(zhì)量量按比例調(diào)節(jié)節(jié)使得局部臨臨界時(shí)步等于于()，這樣收斂速速度最優(yōu).然后調(diào)節(jié)節(jié)點(diǎn)點(diǎn)慣性質(zhì)量以以滿足穩(wěn)定條條件:注意介質(zhì)實(shí)際際重量不受影影響.顯式解與隱式式解的比較顯式,逐時(shí)推進(jìn)隱式,靜態(tài)1.無(wú)需進(jìn)行反復(fù)復(fù)迭代來(lái)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)非線性本構(gòu)構(gòu)關(guān)系.2.類似問題求解解時(shí)間呈N3/2規(guī)律增長(zhǎng)3.物理非穩(wěn)定性性不會(huì)引起數(shù)數(shù)值不穩(wěn)定性性.4.因?yàn)闊o(wú)需儲(chǔ)存存矩陣，用較較小內(nèi)存即可可模擬大尺度度問題.5.對(duì)大位移、大大應(yīng)變問題同同樣適合，無(wú)無(wú)需額外的計(jì)計(jì)算.1.需進(jìn)行反復(fù)迭迭代來(lái)實(shí)現(xiàn)非非線性本構(gòu)關(guān)關(guān)系2.類似問題求解解時(shí)間呈N2甚至N3規(guī)律增長(zhǎng).3.難以模擬物理理非穩(wěn)定性問問題.4.需存儲(chǔ)剛度矩矩陣，需克服服相關(guān)的帶寬寬問題，需要要的內(nèi)存較大大.5.對(duì)大位移、大大應(yīng)變問題需需進(jìn)行大量的的計(jì)算.FLAC3D的求解過程平衡方程(動(dòng)量方程)應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系(本構(gòu)模型)Gauss定律單元積分應(yīng)變率速度節(jié)點(diǎn)力新的應(yīng)力對(duì)所有的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)對(duì)所有單元分析問題的過過程建立網(wǎng)格初始條條件邊界條條件初始應(yīng)應(yīng)力平平衡外荷載載求解前處理理后處理理FLAC3D系統(tǒng)要要求處理器器–1GHz；硬盤–至少要要有100M的空間間；內(nèi)存–載入FLAC3D需要3MB內(nèi)存;當(dāng)模型型創(chuàng)建建后內(nèi)內(nèi)存可可以自自動(dòng)增增添和和釋放放；顯示器器–屏幕分分辨率率1024x768像素,16-字節(jié)調(diào)調(diào)色版版操作系系統(tǒng)–任何安安裝Windows98及以上上版本本的因因特爾爾計(jì)算算機(jī)單機(jī)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)–FLAC3D3.0有網(wǎng)絡(luò)絡(luò)版菜單驅(qū)驅(qū)動(dòng)(計(jì)算模模式)命令欄FLAC3DFLAC3DFLAC3D的文件件格式式保存文文件(*.sav)–含有所所有狀狀態(tài)變變量和和用戶戶定義義條件件的二二進(jìn)制制文件件數(shù)據(jù)文文件(*.dat)–數(shù)據(jù)文文件由由用戶戶創(chuàng)建建的一一種ASCⅡ格式的的文件件，它它包括括一系系列的的用于于描述述所分分析問問題的的FLAC3D命令歷史記記錄文文件(*.his)–記錄輸輸入輸輸出歷歷史值值的文文件圖形文文件–圖形文文件(各種標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)格格式)電影文文件(*.dcx)–AVI或PCX圖像文文件，，這些些圖像像文件件可以以當(dāng)作作電影影放映映FLAC3D語(yǔ)言及及主要要命令令程序控控制NEW(!!!)CALLfilenameQUITSAVEfilenameRESTOREfilenameRETURNSTOP計(jì)算模模式說說明CONFIGAXisymmetric,p-stressCreep,dynamic,extra,gwflow,,thermal幾何模模型的的建立立GENERATEZONEmeshnamecoordinateratioATTACHface本構(gòu)模模型參數(shù)輸輸入MODELnull,mohr-coulomb,elastic,isotropicelastic,elasticorthotrpic,ubiquitous-joint,strainhardeningsofteningplasticity初始條條件說說明INITIALpp,sxx,sxy,sxz,syy,szz,xdis,ydis,zdis,yvelzvelxvel,SETlarge,small,3D-damping,clock,creeptime,dytime,flow,force,gravity,tension,thermal,stepWATERtable邊界條條件輸輸入APPLYmechnicalboundary-ff,Pressure,sxx,syy,szz,sxy,xf,yf,zf,groundwaterboundary-pp,dischangethermalboundary-convention,flux,raditionFIXpp,Saturation,temperatrue,x,yFREEpp,Saturation,temperatrue,xy支護(hù)結(jié)結(jié)構(gòu)特特性STRUCTURbeamcablesupportangle,begin,delete,end,remove,widthprop,segment,tension,deletenode,fix,free,load,pin,slave,unslavepropArea,density,e,i,kn交界面面說明明INTERFACEcohesion,friction,glued,kn,ks,tbond,ungluedInterface單元元簡(jiǎn)介用途巖體介質(zhì)中的的解理、斷層層、巖層面地基與土體的的接觸箱、槽及其內(nèi)內(nèi)充填物的接接觸空間中無(wú)變形形的固定“障礙”原理三角形單元(無(wú)厚度!)8參數(shù)三種工作模式式粘結(jié)界面粘接滑移庫(kù)倫滑動(dòng)Interface的建建立關(guān)鍵要形成同一位位置的兩個(gè)節(jié)節(jié)點(diǎn)(面)“移來(lái)移去”(推薦)建兩個(gè)分開的的模型建立接觸單元元通過INI*add使模型接觸注意dist的含義NOmerge,NOattach!!!接觸面dist1234用戶定義函數(shù)數(shù)DEFINEfunction0nameEND計(jì)算過程監(jiān)視視HISTORYppsig1,sig2,sxx,sxy,syy,szz,tempthtime,unblance,write,xdis,ydis,xvel,yvelTRACKline,list,write計(jì)算與求解SOLVEage,dytime,force,temperatureSTEPn模型輸出MOVIEfile,off,on,viewPLOTapp,at,he,bo,c,cf,den,mark,unmark,sxx,sxy,syy,szz,dif,sig1,sig2,fix,grid,plas,xv,yv,xdis,ydis,vis,pPRINTP,AT,be,bo,den,markunmark,sxx,sxy,syy,szz,sdif,sigl,sig2,fix,grid,plas,xv,yv,xdis,ydis,TITLE@name與操作系統(tǒng)有有關(guān)命令copy,delete,dir,rename,type,exithelp三、FLAC3D基本模塊名稱稱關(guān)關(guān)鍵字字1、Brickbrick2、degeneratebrickdbrick3、wedgewedge4、pyramidpyramid5、tetrahed