巖土工程計算軟件FLAC3D基本原理與在工程上的應用[權威資料]

巖土工程計算軟件 FLAC3D 基本原理與在工程上的應用 本文檔格式為 WORD,感謝你的閱讀。 摘要：本文介紹了巖土工程計算軟件 FLAC3D 背景、理論依據和軟件優(yōu)缺點，詳細講解 FLAC3D 軟件的理論模型計算分析的一般步驟以及方法技巧，說明了 FLAC3D 計算軟件可廣泛用于廣泛巖土工程領域。 關鍵詞：巖土工程，計算軟件，基本原理，應用 G623.58 A 一、 FLAC 軟件背景介紹 FLAC（ Fast Lagrangian Analysis of Continua）由Itasca 公司開發(fā)的。目前，有二、三維兩個版本，二維 V3.0以前的為 DOS 版本， V2.5 版本僅能夠使用計算機的基本內存64K），所以，程序求解的最大結點數僅限于 2000 個以內。1995 年， FLAC2D 升為 V3.3 版本，程序能夠使用護展內存。 FLAC-3D(Three Dimensional Fast Lagrangian Analysis of Continua)也 Itasca Consulting Goup lnc 開發(fā)的三維快速拉格朗日分析 程序，該程序能較好地模擬地質材料在達到強度極限或屈服極限時發(fā)生的破壞或塑性流動的力學行為，特別適用于分析漸進破壞和失穩(wěn)以及模擬大變形。它包含 10 種彈塑性材料本構模型，有靜力、動力、蠕變、滲流、溫度五種計算模式，各種模式間可以互相藕合，可以模擬多種結構形式，如巖體、土體或其他材料實體，梁、錨元、樁、殼以及人工結構如支護、襯砌、錨索、巖栓、土工織物、摩擦樁、板樁、界面單元等，可以模擬復雜的巖土工程或力學問題。 FLAC3D 的輸入和一般的數值分析程序不同，它可以用交互的方式，從鍵盤輸入各種命令，也可以寫成命令（集） 文件，類似于批處理，由文件來驅動。 二、 FLAC3D 計算軟件的理論依據 FLAC3D 是 FLAC2D 的擴展，能夠進行土質、巖石和其它材料的三維結構受力特性模擬和塑性流動分析。單元材料可采用線性或非線性本構模型，在外力作用下，當材料發(fā)生屈服流動后，網格能夠相應發(fā)生變形和移動（大變形模式）。三維是基于三維顯式有限差分法的數值分析方法，可以模擬巖土或其他材料的三維力學行為。三維快速拉格朗日分析將計算區(qū)域劃分為若干四面體單元，每個單元在給定的邊界條件下遵循指定的線性或非線性本構關系，如果單元應力使 得材料屈服或產生塑性流動，則單元網格可以隨著材料的變形而變形，這就是所謂的拉格朗日算法，這種算法非常適合于模擬大變形問題。可以準確地模擬材料的屈服、塑性流動、軟化直至大變形，尤其在材料的彈塑性分析、大變形分析以及模擬施工過程等領域有獨到的優(yōu)點。 1、 FLAC3D 計算軟件的優(yōu)點與缺點 優(yōu)點：（ 1）對模擬塑性破壞和塑性流動采用的是 “ 混合離散法 ” 。 （ 2）即使模擬的系統(tǒng)是靜態(tài)的，仍采用了動態(tài)運動方程，這使得 FLAC3D 在模擬物理上的不穩(wěn)定過程不存在數值上的障礙。 （ 3） 采用了一個 “ 顯式解 “ 方案。因此，顯式解方案對非線性的應力 -應變關系的求解所花費的時間，幾互與線性本構關系相同，模擬大變形問題幾互并不比小變形問題多消耗更多的計算時間。 缺點：（ 1）對于線性問題的求解， FLAC3D 比其他有限元程序運行得要慢； （ 2）用 FLAC3D 求解時間取決于最長的自然周期和最短的自然周期之比。 2、 Flac3D 應用范圍 Flac3D 中為巖土工程問題的求解開發(fā)了特有的本構模型，總共包含了 10 種材料模型： （ 1）開挖模型 null （ 2） 3 個彈性模型（各向同性，橫觀各向同性和正交各向同性彈性模型） （ 3） 6 個塑性模型（ Drucker-Prager 模型、 Morh-Coulomb 模型、應變硬化 /軟化模型、遍布節(jié)理模型、雙線性應變硬化 /軟化遍布節(jié)理模型和修正的 cam 粘土模型）。 Flac3D 網格中的每個區(qū)域可以給以不同的材料模型，并且還允許指定材料參數的統(tǒng)計分布和變化梯度。 還包含了節(jié)理單元，也稱為界面單元，能夠模擬兩種或多種材料界面不同材料性質的間斷特性。節(jié)理允許發(fā)生滑動或分離，因此可以用來模擬巖體中的斷層、節(jié)理或 摩擦邊界。 Flac3D 中一共有五種計算模式： (l)靜力模式； (2)動力模式； (3)蠕變模式； (4)滲流模式 ； (5)溫度模式 Flac3D 可以模擬多種結構形式： (l)對于通常的巖體、土體或其他材料實體，用八節(jié)點六面體單元模擬。 (2)FIAC3D 包含有四種結構單元 :梁單元、錨單元、樁單元、殼單元?？捎脕砟M巖土工程中的人工結構如支護、襯砌、錨索、巖栓、土工織物、摩擦樁、板樁等。 (3)FLAC3D 的網格中可以有界面，這種界面將計算網格分割為 若干部分，界面兩邊的網格可以分離，也可以發(fā)生滑動，因此，界面可以模擬節(jié)理、斷層或虛擬的物理邊界。 Flac3D 有多種邊界條件，邊界方位可以任意變化，邊界條件可以是速度邊界、應力邊界，單元內部可以給定初始應力，節(jié)點可以給定初始位移、速度等，還可以給定地下水位以計算有效應力、所有給定量都可以具有空間梯度分布。 FLAC-3D 內嵌語言 FISH： FLAC-3D 具有強大內嵌語言 FISH，使得用戶可以定義新的變量或函數，以適應用戶的特殊需要，例如，利用 HSH做以下事情 : (l)用戶可以自定義材料的空間分布規(guī)律，如非線性分布等。 (2)用戶可以定義變量，追蹤其變化規(guī)律并繪圖表示或打印輸出。 (3)用戶可以自己設計 FLAC-3D 內部沒有的單元形態(tài)。 (4)在數值試驗中可以進行伺服控制。 (5)用戶可以指定特殊的邊界條件。 (6)自動進行參數分析。 (7)利用 FLAC-3D 內部定義的 Fish 變量或函數，用戶可以獲得計算過程中節(jié)點、單元參數，如坐標、位移、速度、材料參數、應力、應變、不平衡力等。 三、 FLAC3D 的理論 模型計算分析的一般步驟以及方法技巧 與大多數程序采用數據輸入方式不同， FLAC 采用的是命令驅動方式。建立 FLAC 計算模型須進行以下工作： （ 1）有限差分網格 ；（ 2）本構特性與材料性質 ；（ 3）邊界條件與初始條件 方法技巧： 用 FLAC3D 解決問題時，為了得到最有效的分析使模型最優(yōu)化是很重要的。這個章節(jié)對改進模型的運行提供了一些方法建議。同時，準備計算時需要避免的一些通常出現的缺陷也列了出來。 1.檢查模型運行時間 ； 2.影響運行時間的因素 FLAC3D 有時需較長時間才可以收斂主要發(fā)生在下列情況下： (a)材料本身剛度變異或材料與結構及接觸面之間的剛度差異很大。 (b)劃分的區(qū)域尺寸相差很大。 3.考慮網格劃分的密度 FLAC3D 使用常應變單元。如果應力 /應變曲線傾斜度比較高，那么你將需要許多區(qū)域來代表多變的分區(qū)。通過運行劃分密度不同的同一個問題來檢查影響。 4.自動發(fā)現平衡狀態(tài) 默認情況下，當執(zhí)行 SOLVE 命令時，系統(tǒng)將自動發(fā)現力的平衡。當模型中所有網格頂點中所有力的平均量級與其中最大不平衡力的量 級的比率小于1*10 時，認為達到平衡狀態(tài)。注意一個網格頂點的力由內力（例如重力）和外力共同引起。 5.考慮選擇阻尼對于靜力分析，默認的阻尼是局部阻尼，對于消除大多數網格頂點的速度分量周期性為零時的動能很有效。這是因為質量的調節(jié)過程依賴于速度的改變。局部阻尼對于求解靜力平衡是一個非常有效的計算法則且不會引入錯誤的阻尼力。 6.檢查模型反應 FLAC3D 顯示了一個相試的物理系統(tǒng)是怎樣變化的。做一個簡單的試驗證明你在做你認為你在做的事情。 7.初始化變量在模擬基坑開挖過程時，在達 到目的前通常要初始化網格頂點位移。因為計算次序法則不要求位移，所以可以初始化位移，這只是由網格頂點的速度決定，并有益于用戶初始化速度卻是一件難事。如果設定網格頂點的速度為一常數，那么這些點在設置否則前保持不變。 8.最小化靜力分析的瞬時效應對于連續(xù)性靜力分析，經過許多階段逐步接近結果是很重要的 即，當問題條件突然改變時，通過最小化瞬時波的影響，使結果更加 “ 靜力 ” 。 9.改變模型材料 FLAC3D 對一個模擬中所用的材料數沒有限制，這個準則已經尺寸化，允許用戶在自己所用版本的FLAC3D 中 最大尺寸網格每個區(qū)域使用不同的材料。 10.運行在現場原位應力和重力作用下的問題有很多問題在建模時需要考慮現場原位應力和重力的作用。 四、 FLAC3D 計算軟件現階段使用的領域 根據手冊中所說，總結如下： （ 1）承受荷載能力與變形分析（ 2）漸進破壞與坍塌反演（ 3） 斷層構造的影響研究（ 4）施加于地質體錨索支護所提供的支護力研究（ 5）排水和不排水加載條件下全飽和流體流動和孔隙壓力擴散研究（ 6） 粘性材料的蠕變特性（ 7）陡滑面地質結構的動態(tài)加載（ 8）爆炸荷載和振動的動態(tài)響應（ 9）結構的地震感應（ 10）由于溫度誘發(fā)荷載所導致的變形和結構的不穩(wěn)定 （ 11）大變形材料分析。 隧道方面：（ 1）做地表沉降槽（ zdisp）（ 2）地表橫向位移（ xdisp）（ 3）隧道中線豎向沉降曲線（ zdisp）（ 4）提取位移矢量圖（ 5）顯示初期支護結構內力（ 6）顯示state（找塑性區(qū)） 基坑方面：（ 1）做地表沉降槽（ zdisp） （ 2）提取位移矢量圖（ 3）顯示初期支護結構內力（ 4）顯示 state（找塑性區(qū)） 四、 FLAC3D 計算軟件在實際工程當中的應用 以邊坡在地 震作用下的模擬為例： 圖 1.邊坡變形矢量圖 圖 2.邊坡變形云圖 圖 3. 計算過程變量 1 的變化 圖 4. 計算過程變量 1 6 的變化 圖 5. 邊坡位移場云圖 圖 6. 邊坡應力云圖 文檔資料：巖土工程計算軟件 FLAC3D 基本原理與在工程上的應用 完整下載 完整閱讀 全文下載 全文閱讀 免費閱讀及下載 閱讀相關文檔 :巖體力學發(fā)展史與新技術展望的綜述 提高電力工程管理的措施分析 信息時代的網絡安全問題 新形勢下建筑工程施工管理之我見 土建施工 技術在高層建筑中的應用 新時期水利工程施工的相關技術與管理 現代性背景下的城市特色文化營造策略 小區(qū)域 GPS 數據優(yōu)化處理探索 談建筑工程管理中如何控制施工成本 現代建筑幕墻設計中的結構抗震設計解析 現代建筑裝飾工程管理的重要性探