(56)-7.1.6離散元法（下）巖層控制模擬技術(shù)

1隨著離散元理論的發(fā)展，產(chǎn)生了很多基于離散元理論的應(yīng)用程序。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外離散元方法的主要使用軟件如表7-l所示。6.離散元法（4）離散元法在巖土工程中的應(yīng)用現(xiàn)狀2國(guó)家作者軟件名稱特點(diǎn)國(guó)外ITASCA國(guó)際咨詢公司UDEC適合于模擬節(jié)理巖石系統(tǒng)或不連續(xù)塊體集合體在靜力或動(dòng)力荷載條件下的響應(yīng)，并可以模擬對(duì)象的破壞過(guò)程。3DEC模擬估算巖土邊坡失穩(wěn)、地下工程挖掘、巖土地基工程中節(jié)理、巖體斷層、層理等結(jié)構(gòu)影響PFC2D/3D利用顯式差分算法和離散元理論開(kāi)發(fā)的微/細(xì)觀力學(xué)軟件，適用研究粒狀集合體的破裂和破裂發(fā)展問(wèn)題以及顆粒的流動(dòng)（大位移）問(wèn)題Thomton研究小組GRANULE完全符合彈塑性圓球接觸力學(xué)原理，能模擬干—濕、彈性—塑性和顆粒兩相流問(wèn)題UniversityofIllinoisalUrbanaChampaignBLOKS3D集料形狀特征與實(shí)際的三維不規(guī)則形狀較為接近，適用于模擬無(wú)黏結(jié)條件下集料的堆積情形，但它不能考慮集料顆粒本身的破碎問(wèn)題國(guó)內(nèi)軟腦軟件有限公司塊體離散元分析系統(tǒng)2D-BLOCK采用面向?qū)ο蟮木幊陶Z(yǔ)言，編程軟件VC++6.0具有高度的集成度，從數(shù)據(jù)輸入到最后形成計(jì)算報(bào)告或論文，都無(wú)需第三方程序的幫助王泳嘉劉連峰三維離散單元法軟件TRUDEC用C語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)內(nèi)存的動(dòng)態(tài)管理，并設(shè)計(jì)了較完整的前后處理程序，友好的用戶界面對(duì)處于較低應(yīng)力水平的邊坡穩(wěn)定分析是有利的劉凱欣研究小組SUPER-DEM利用VC6.0程序設(shè)計(jì)平臺(tái)和OpenGL圖形制作技術(shù)編制，可對(duì)多種荷載和邊界條件下的二維沖擊動(dòng)力學(xué)問(wèn)題進(jìn)行數(shù)值模擬表7-1基于離散元法的計(jì)算軟件3而目前為止，最成功、應(yīng)用最為廣泛的是ITASCA國(guó)際咨詢公司開(kāi)發(fā)的UDEC、3DEC、PFC2D和PFC3D四款軟件。UDEC和3DEC為塊體離散元程序，PFC2D和PFC3D為顆粒離散元程序。6.離散元法（4）離散元法在巖土工程中的應(yīng)用現(xiàn)狀41）跨尺度、跨學(xué)科的發(fā)展空間目前，離散元中的顆粒元是最活躍、應(yīng)用范圍最廣的單元和模型，它可大可小，可以大到石塊甚至星球，可以小到塵埃甚至原子。另一方面，分子動(dòng)力學(xué)在模型上是完全符合關(guān)于離散元法的定義。6.離散元法（5）離散元法的研究重點(diǎn)及發(fā)展趨勢(shì)5它們的區(qū)別在于單元間的關(guān)聯(lián)上，離散元法主要用于分析宏觀現(xiàn)象，一般只考慮與對(duì)象單元相接觸的單元之間的作用力；分子動(dòng)力學(xué)主要用于分析原子、分子世界的微觀現(xiàn)象，一般需要考慮對(duì)象單元同所有單元間的作用力。6.離散元法（5）離散元法的研究重點(diǎn)及發(fā)展趨勢(shì)6它們?cè)谒惴ㄉ贤耆梢韵嗷パa(bǔ)充，相互促進(jìn)。若能夠把分子動(dòng)力學(xué)與離散元結(jié)合起來(lái)，則可以拓展兩者的發(fā)展與應(yīng)用空間。6.離散元法（5）離散元法的研究重點(diǎn)及發(fā)展趨勢(shì)72）理論的建設(shè)與完善在離散元方法中，人為假定較多，法向、切向剛度都是人為假設(shè)的。在這些假定前提下，模擬的結(jié)果有可能偏離實(shí)際很多。因此，如何合理地確定離散元中相關(guān)參數(shù)，需要理論上進(jìn)一步完善。6.離散元法（5）離散元法的研究重點(diǎn)及發(fā)展趨勢(shì)8加強(qiáng)離散元相關(guān)理論的研究，可以保持其在模擬散體介質(zhì)整體力學(xué)行為和力學(xué)演化方面的優(yōu)勢(shì)。另外，還應(yīng)加強(qiáng)數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的比較，從中尋找離散元方法的不足，對(duì)其有針對(duì)性地進(jìn)行改進(jìn)。6.離散元法（5）離散元法的研究重點(diǎn)及發(fā)展趨勢(shì)93）計(jì)算軟件的發(fā)展目前開(kāi)發(fā)離散元商用程序最有名的公司要屬離散元思想首創(chuàng)者Cundall加盟的ITASCA工程咨詢公司。6.離散元法（5）離散元法的研究重點(diǎn)及發(fā)展趨勢(shì)開(kāi)發(fā)的二維UDEC和三維3DEC塊體離散元程序，主要用于模擬節(jié)理巖石或離散塊體巖石在準(zhǔn)靜或動(dòng)載條件下的力學(xué)過(guò)程及采礦過(guò)程的工程問(wèn)題。10該公司開(kāi)發(fā)的PFC2D和PFC3D則分別為基于二維圓盤單元和三維圓球單元的離散元程序，它主要用于模擬大量顆粒元非線性相互作用下的總體流動(dòng)和材料的混合，含因損傷累積導(dǎo)致的破裂、動(dòng)態(tài)破壞和地震響應(yīng)等問(wèn)題。6.離散元法（5）離散元法的研究重點(diǎn)及發(fā)展趨勢(shì)11國(guó)內(nèi)離散元軟件的開(kāi)發(fā)相對(duì)比較落后，但隨著離散元法研究的升溫，國(guó)內(nèi)也出現(xiàn)了用于土木工程的離散元軟件，如塊體離散元分析軟件2D-Block、三維離散元軟件TRUDEC、基于二維圓盤單元和三維球單元為基礎(chǔ)的SUPER-DEM離散元力學(xué)分析系統(tǒng)。6.離散元法（5）離散元法的研究重點(diǎn)及發(fā)展趨勢(shì)12上述離散元軟件都屬于專業(yè)性很強(qiáng)的專業(yè)軟件，在算法、前后處理系統(tǒng)、物態(tài)方程及材料數(shù)據(jù)庫(kù)方面，與有限元法的通用性商業(yè)軟件相比，還有很大差距。這方面的工作亟待加強(qiáng)，以促進(jìn)離散元軟件進(jìn)一步發(fā)展完善。6.離散元法（5）離散元法的研究重點(diǎn)及發(fā)展趨勢(shì)134）與其他算法的融合有限元法、邊界元法等傳統(tǒng)數(shù)值方法適合于解決連續(xù)介質(zhì)問(wèn)題，而離散單元法適合于非連續(xù)介質(zhì)問(wèn)題或連續(xù)體到非連續(xù)體轉(zhuǎn)化的材料損傷破壞問(wèn)題。6.離散元法（5）離散元法的研究重點(diǎn)及發(fā)展趨勢(shì)14因此，如果能將離散元法與有限單元法和邊界單元法等有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，便能充分發(fā)揮各自的長(zhǎng)處，可以極大地?cái)U(kuò)大該數(shù)值方法的應(yīng)用范圍。6.離散元法（5）離散元法的研究重點(diǎn)及發(fā)展趨勢(shì)15在算法融合方面，離散元與有限元、邊界元融合算法已經(jīng)開(kāi)始受到重視。王泳嘉于1987年就提出了離散元法與邊界元法耦合的思路與算法，并通過(guò)算例說(shuō)明了離散元與邊界元耦合法在巖石力學(xué)中的應(yīng)用。6.離散元法（5）離散元法的研究重點(diǎn)及發(fā)展趨勢(shì)16在融合算法后的軟件開(kāi)發(fā)方面，中國(guó)科學(xué)院非連續(xù)介質(zhì)力學(xué)與工程災(zāi)害聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室與極道成然科技有限公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)了離散元大型商用軟件CDEM。6.離散元法（5）離散元法的研究重點(diǎn)及發(fā)展趨勢(shì)17該軟件基于中科院力學(xué)所非連續(xù)介質(zhì)力學(xué)與工程災(zāi)害聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的CDEM（Continuum-basedDiscreteElementMethod）算法，將有限元與塊體離散