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岩土工程计算软件FLAC3D基本原理与在工程上的应用

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岩土工程计算软件 FLAC3D 基本原理与在工程上的应用 摘要:本文介绍了岩土工程计算软件 FLAC3D 背景、理论依据和软件优缺 点,详细讲解 FLAC3D 软件的理论模型计算分析的一般步骤以及方法技巧,说 明了 FLAC3D 计算软件可广泛用于广泛岩土工程领域。 关键词:岩土工程,计算软件,基本原理,应用 一、FLAC 软件背景介绍 FLAC(Fast Lagrangian Analysis of Continua)由 Itasca 公司开发的。目前, 有二、三维两个版本,二维 V3.0 以前的为 DOS 版本,V2.5 版本仅能够使用计 算机的基本内存 64K) ,所以,程序求解的最大结点数仅限于 2000 个以内。1995 年,FLAC2D 升为 V3.3 版本,程序能够使用护展内存。 FLAC-3D(Three Dimensional Fast Lagrangian Analysis of Continua) 也 Itasca Consulting Goup lnc 开发的三维快速拉格朗日分析程序,该程序能较好地模拟地 质材料在达到强度极限或屈服极限时发生的破坏或塑性流动的力学行为, 特别适 用于分析渐进破坏和失稳以及模拟大变形。它包含 10 种弹塑性材料本构模型, 有静力、动力、蠕变、渗流、温度五种计算模式,各种模式间可以互相藕合,可 以模拟多种结构形式,如岩体、土体或其他材料实体,梁、锚元、桩、壳以及人 工结构如支护、衬砌、锚索、岩栓、土工织物、摩擦桩、板桩、界面单元等,可 以模拟复杂的岩土工程或力学问题。FLAC3D 的输入和一般的数值分析程序不 同,它可以用交互的方式,从键盘输入各种命令,也可以写成命令(集)文件, 类似于批处理,由文件来驱动。 二、FLAC3D 计算软件的理论依据 FLAC3D 是 FLAC2D 的扩展,能够进行土质、岩石和其它材料的三维结构 受力特性模拟和塑性流动分析。 单元材料可采用线性或非线性本构模型,在外力 作用下,当材料发生屈服流动后,网格能够相应发生变形和移动(大变形模式) 。 三维是基于三维显式有限差分法的数值分析方法, 可以模拟岩土或其他材料的三 维力学行为。 三维快速拉格朗日分析将计算区域划分为若干四面体单元,每个单 元在给定的边界条件下遵循指定的线性或非线性本构关系, 如果单元应力使得材 料屈服或产生塑性流动, 则单元网格可以随着材料的变形而变形,这就是所谓的 拉格朗日算法, 这种算法非常适合于模拟大变形问题。可以准确地模拟材料的屈 服、塑性流动、软化直至大变形,尤其在材料的弹塑性分析、大变形分析以及模 拟施工过程等领域有独到的优点。 1、FLAC3D 计算软件的优点与缺点 优点: (1)对模拟塑性破坏和塑性流动采用的是“混合离散法”。 (2)即使模拟的系统是静态的,仍采用了动态运动方程,这使得 FLAC3D 在模拟物理上的不稳定过程不存在数值上的* (3)采用了一个“显式解“方案。因此,显式解方案对非线性的应力 -应变 关系的求解所花费的时间, 几互与线性本构关系相同,模拟大变形问题几互并不 比小变形问题多消耗更多的计算时间。 缺点: (1)对于线性问题的求解,FLAC3D 比其他有限元程序运行得要慢; (2)用 FLAC3D 求解时间取决于最长的自然周期和最短的自然周期之比。 2、Flac3D 应用范围 Flac3D 中为岩土工程问题的求解开发了特有的本构模型,总共包含了 10 种 材料模型: (1)开挖模型 null (2)3 个弹性模型(各向同性,横观各向同性和正交各向同性弹性模型) (3)6 个塑性模型(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/软化遍布节理模型和修正的 cam 粘 土模型) 。 Flac3D 网格中的每个区域可以给以不同的材料模型,并且还允许指定材料 参数的统计分布和变化梯度。 还包含了节理单元,也称为界面单元,能够模拟 两种或多种材料界面不同材料性质的间断特性。节理允许发生滑动或分离,因此 可以用来模拟岩体中的断层、节理或摩擦边界。 Flac3D 中一共有五种计算模式: (l)静力模式; (2)动力模式;(3)蠕变模式;(4)渗流模式 ;(5)温度模式 Flac3D 可以模拟多种结构形式: (l)对于通常的岩体、土体或其他材料实体,用八节点六面体单元模拟。 (2)FIAC3D 包含有四种结构单元:梁单元、锚单元、桩单元、壳单元。可用 来模拟岩土工程中的人工结构如支护、衬砌、锚索、岩栓、土工织物、摩擦桩、 板桩等。 (3)FLAC3D 的网格中可以有界面,这种界面将计算网格分割为若干部分, 界面两边的网格可以分离,也可以发生滑动,因此,界面可以模拟节理、断层或 虚拟的物理边界。 Flac3D 有多种边界条件,边界方位可以任意变化,边界条件可以是速度边 界、应力边界,单元内部可以给定初始应力,节点可以给定初始位移、速度等, 还可以给定地下水位以计算有效应力、所有给定量都可以具有空间梯度分布。 FLAC-3D 内嵌语言 FISH: FLAC-3D 具有强大内嵌语言 FISH,使得用户可以定义新的变量或函数,以 适应用户的特殊需要,例如,利用 HSH 做以下事情: (l)用户可以自定义材料的空间分布规律,如非线性分布等。 (2)用户可以定义变量,追踪其变化规律并绘图表示或打印输出。 (3)用户可以自己设计 FLAC-3D 内部没有的单元形态。 (4)在数值试验中可以进行伺服控制。 (5)用户可以指定特殊的边界条件。 (6)自动进行参数分析。 (7)利用 FLAC-3D 内部定义的 Fish 变量或函数, 用户可以获得计算过程中节 点、单元参数,如坐标、位移、速度、材料参数、应力、应变、不*衡力等。 三、FLAC3D 的理论模型计算分析的一般步骤以及方法技巧 与大多数程序采用数据输入方式不同,FLAC 采用的是命令驱动方式。建立 FLAC 计


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