FLACD數(shù)值模擬基礎(chǔ)

FLAC3D數(shù)值模擬在采礦工程的應(yīng)用主要內(nèi)容FLAC3D軟件簡(jiǎn)介FLAC3D數(shù)值模擬在巖土工程的應(yīng)用2FLAC3D簡(jiǎn)介美國(guó)Itasca（依泰斯卡）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→3.03FLAC3D簡(jiǎn)介應(yīng)用：巖土力學(xué)/巖石力學(xué)分析，例礦體滑坡、煤礦開采沉陷預(yù)測(cè)、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(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)方程使得FLAC3D在模擬物理上的不穩(wěn)定過(guò)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41承受荷載能力與變形分析：用于邊坡穩(wěn)定和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)2漸進(jìn)破壞與坍塌反演：用于硬巖采礦和隧道設(shè)計(jì)3斷層構(gòu)造的影響研究：用于采礦設(shè)計(jì)4施加于地質(zhì)體錨索支護(hù)所提供的支護(hù)力研究：巖錨和土釘?shù)脑O(shè)計(jì)5排水和不排水加載條件下全飽和流體流動(dòng)和孔隙壓力擴(kuò)散研究：擋土墻結(jié)構(gòu)的地下水流動(dòng)和土體固結(jié)研究6粘性材料的蠕變特性：用于碳酸鉀鹽礦設(shè)計(jì)7陡滑面地質(zhì)結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)加載：用于地震工程和礦山巖爆研究8爆炸荷載和振動(dòng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)：用于隧道開挖和采礦活動(dòng)9結(jié)構(gòu)的地震感應(yīng)：用于土壩設(shè)計(jì)10由于溫度誘發(fā)荷載所導(dǎo)致的變形和結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定：高輻射廢料地下埋藏的性能評(píng)價(jià)12大變形材料分析：用于研究糧倉(cāng)谷物流動(dòng)及井巷和礦洞中材料的總體流動(dòng)FLAC3D簡(jiǎn)介5基本原理開始生成網(wǎng)格并調(diào)整網(wǎng)格的形狀；持續(xù)的運(yùn)動(dòng)和連續(xù)的物質(zhì)屬性；特定的邊界條件和初始條件。到達(dá)平衡狀態(tài)效果是否符合要求作如下改變：開挖模型的物質(zhì)屬性改變邊界條件實(shí)施求解效果是否符合要求參數(shù)是否調(diào)整結(jié)束網(wǎng)格確定問(wèn)題的幾何尺寸；持續(xù)的運(yùn)動(dòng)和連續(xù)的物質(zhì)屬性決定了模型的擾動(dòng)（如由于開挖引起的變形）形式；邊界條件和初始條件確定了模型的初始狀態(tài)（沒(méi)有引起擾動(dòng)或變形的狀態(tài)）。建立FLAC計(jì)算模型，必須進(jìn)行以下三個(gè)方面的工作：

1.有限差分網(wǎng)格

2.本構(gòu)特性與材料性質(zhì)

3.邊界條件與初始條件

完成上述工作后，可以獲得模型的初始平衡狀態(tài)，也就是模擬開挖前的原巖應(yīng)力狀態(tài)。然后，進(jìn)行工程開挖或改變邊界條件來(lái)進(jìn)行工程的響應(yīng)分析。

6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(dòng)量平衡方程FLAC3D的求解過(guò)程FLAC3D的本構(gòu)模型7FLAC3D的求解過(guò)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8FLAC3D中的本構(gòu)模型開挖模型null3個(gè)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(gè)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）9FLAC3D中的本構(gòu)模型10FLAC3D的前后處理術(shù)語(yǔ)水平邊界壓力結(jié)構(gòu)線模型邊界格網(wǎng)點(diǎn)格網(wǎng)區(qū)域水平邊界壓力滾動(dòng)底端邊界內(nèi)部開挖邊界區(qū)域（Zone）……有限差分劃分的帶在幾何上是最小的區(qū)域，在在這個(gè)區(qū)域里的每一個(gè)現(xiàn)象的變化，如應(yīng)力應(yīng)變都可以估計(jì)出，。各種形狀的多面體（立方體、楔形、錐體、四面體等）可用來(lái)構(gòu)造模型并可用plot顯示出來(lái)。每一個(gè)多面體可能有一套或兩套表層設(shè)置，這由5個(gè)四面體組成。默認(rèn)的情況下，兩個(gè)表層設(shè)置用在對(duì)計(jì)算精度要求高的情況下，區(qū)域的另外一種叫法是要素。柵格點(diǎn)（GridPoint）……柵格點(diǎn)是有限差分單元的角點(diǎn)。一個(gè)多面體可能有5個(gè)、6個(gè)、7個(gè)或8個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)，主要取決于多面體的形狀。給定每個(gè)節(jié)點(diǎn)的x，y和z值這樣就具體確定了有限差分單元，。其他叫法有：節(jié)點(diǎn)，交點(diǎn)。有限差分柵格（FiniteDifferenceGrid）……有限差分網(wǎng)格是研究區(qū)域中一個(gè)或多個(gè)通過(guò)物理邊界連接的有限差分單元的集合。另一個(gè)叫法是網(wǎng)格，有限差分網(wǎng)格也可以標(biāo)識(shí)出模型中每個(gè)狀態(tài)的存儲(chǔ)位置，F(xiàn)LAC3D所生成的矢量都保存在節(jié)點(diǎn)上（如：受力、速度、位移）。標(biāo)量和張量保存在單元的中心（如應(yīng)力、材料屬性）。11FLAC3D的前后處理術(shù)語(yǔ)水平邊界壓力結(jié)構(gòu)線模型邊界格網(wǎng)點(diǎn)格網(wǎng)區(qū)域水平邊界壓力滾動(dòng)底端邊界內(nèi)部開挖邊界模型邊界（ModelBoundary）……即有限差分網(wǎng)格的外圍，內(nèi)部邊界也同樣是模型邊界（如網(wǎng)格中的空洞）。邊界條件（BoundaryCondition）……即模型邊界的約束條件或控制條件的給定（如：限制位移、滲透條件、絕熱條件）。初始條件（InitialConditions）……即在對(duì)模型加載或開挖等作用前的各種參數(shù)狀態(tài)?；灸Ｐ停–onstitutiveModel)……基本模型（材料模型）即規(guī)定了FLAC3D模型中某一區(qū)域的變形或強(qiáng)度效應(yīng)，可用大量基本模型去近視地質(zhì)材料，可以單獨(dú)定義FLAC3D模型中的基本模型和材料模型?？諉卧∟ullZone）……空單元表示此區(qū)域?yàn)榭眨ň拖鬀](méi)有材料一樣）。次級(jí)網(wǎng)格（SUB-GRID）……有限差分網(wǎng)格可由次級(jí)網(wǎng)格組成，它可用來(lái)在模型中創(chuàng)建不同形狀的區(qū)域，次級(jí)網(wǎng)格是分別生成，可進(jìn)行合并和連接。12FLAC3D的前后處理術(shù)語(yǔ)水平邊界壓力結(jié)構(gòu)線模型邊界格網(wǎng)點(diǎn)格網(wǎng)區(qū)域水平邊界壓力滾動(dòng)底端邊界內(nèi)部開挖邊界附屬接觸面ATTACHEDFACES……附屬柵格面是由被劃分的次級(jí)柵格組成的網(wǎng)格接觸或合并的面柵格面，接觸面必須是共面或接觸，每個(gè)面的節(jié)點(diǎn)不一定一樣，不同總密度的次級(jí)網(wǎng)格可以接觸。接觸面INTERFACE------即次級(jí)網(wǎng)格在計(jì)算過(guò)程中可以分開（滑動(dòng)，開裂）的兩部分之間的面，可表示不連續(xù)的物理特征，如，斷層，節(jié)理面或材料性質(zhì)突變的臨界面。范圍INTERFACE------范圍是對(duì)FLAC3D模型空間值的一個(gè)描述，可給定一個(gè)命令的作用范圍，即使模型發(fā)生運(yùn)動(dòng)---不影響模型中的區(qū)域和節(jié)點(diǎn)位置，一個(gè)范圍或范圍確定的單元也不發(fā)生改變。范圍或范圍內(nèi)的單元所包含的區(qū)域，也可以用一個(gè)單元的ID號(hào)來(lái)表示，它與區(qū)域，節(jié)點(diǎn)，或結(jié)構(gòu)單元密切聯(lián)系。集合GROUP-----在FLAC3D模型中他們有共同的名稱，由于限定具體命令的對(duì)象，如model命令對(duì)某一集合設(shè)置為某種材料，任何命令加于集合名稱也就相當(dāng)于作用于這一集合的所有區(qū)域。13FLAC3D的前后處理術(shù)語(yǔ)水平邊界壓力結(jié)構(gòu)線模型邊界格網(wǎng)點(diǎn)格網(wǎng)區(qū)域水平邊界壓力滾動(dòng)底端邊界內(nèi)部開挖邊界ID號(hào)碼IDNUMBER-----FLAC3D模型中的單元以ID號(hào)加以區(qū)分，下面的單元有ID號(hào)；內(nèi)部面、節(jié)點(diǎn)、區(qū)域、體積、歷史、表格、顯示項(xiàng)和結(jié)構(gòu)單元的全部?jī)?nèi)容。這幫助用戶確定模型中的單元，可用porint命令獲得ID號(hào)，用戶可給內(nèi)部面、結(jié)構(gòu)單元、歷史等賦ID號(hào)。實(shí)體結(jié)構(gòu)單元同樣也有CID號(hào)，系統(tǒng)給每一個(gè)網(wǎng)格，單元都創(chuàng)建了一個(gè)CID號(hào)，這與梁，柱等不一樣。結(jié)構(gòu)單元STRUCTURALELEMENT------在FLAC3D中有兩種結(jié)構(gòu)單元。二結(jié)點(diǎn)，線性單元表示梁，柱作用。三結(jié)點(diǎn)，三角平面單元表示面狀，結(jié)構(gòu)單元用來(lái)模擬土體或巖體中結(jié)構(gòu)支護(hù)的相互作用。非線性材料作用可用單元表示。每一結(jié)構(gòu)單元實(shí)體（梁，柱，面體）包括三個(gè)內(nèi)容：結(jié)點(diǎn)、單個(gè)單元（也叫sels）和網(wǎng)格連線，這些內(nèi)容的不同可區(qū)別出梁、樁、面體的作用。步STEP------因?yàn)樵贔LAC3D是具體代碼，問(wèn)題的計(jì)算須分步進(jìn)行，隨步長(zhǎng)的增加，現(xiàn)象的有關(guān)信息在研究區(qū)域傳遞。對(duì)于靜態(tài)分析，需要給一個(gè)具體的步，讓其達(dá)到平衡狀態(tài)，典型的問(wèn)題計(jì)算在2000-4000步之間，其他叫法有時(shí)間步，循環(huán)次。14FLAC3D的前后處理術(shù)語(yǔ)水平邊界壓力結(jié)構(gòu)線模型邊界格網(wǎng)點(diǎn)格網(wǎng)區(qū)域水平邊界壓力滾動(dòng)底端邊界內(nèi)部開挖邊界靜態(tài)解答STATICSOLUTION-----如果模型中動(dòng)量變化率小于了某一可忽略的值，就認(rèn)為靜態(tài)或類靜態(tài)出現(xiàn)了，這通過(guò)限定運(yùn)動(dòng)方程實(shí)現(xiàn)，靜態(tài)就是模型達(dá)到應(yīng)力平衡，或流體材料受外力后從不穩(wěn)定到穩(wěn)定。這種分析方法在FLAC3D中是默認(rèn)的分析方法，機(jī)械的靜態(tài)分析也可與地下水滲透或熱傳遞問(wèn)題結(jié)合（通過(guò)特定設(shè)置后，動(dòng)態(tài)問(wèn)題可由帶約束的靜態(tài)分析代替）。非平衡力UNBALANCEDFORCE-------非平衡力標(biāo)征靜態(tài)分析達(dá)到機(jī)械平衡（或塑性變形前），嚴(yán)格的說(shuō)平衡時(shí)每個(gè)節(jié)點(diǎn)上的應(yīng)力矢量都為0。最大應(yīng)力會(huì)自動(dòng)被監(jiān)測(cè)，當(dāng)擊活step或solve命令時(shí)，其值會(huì)顯示在屏幕上。最大網(wǎng)格力也叫非平衡力或抗平衡力，非平衡力在數(shù)值上永遠(yuǎn)也不能達(dá)到0，當(dāng)最大非平衡力相對(duì)加載的力很小時(shí)，我們就認(rèn)為模型達(dá)到了平衡狀態(tài)，如果非平衡力一直保持某一非0值，這就說(shuō)明模型中可能發(fā)生了破壞或塑性變形。15FL辭AC3D的前后寶處理術(shù)語(yǔ)水平邊界壓力結(jié)構(gòu)線模型邊界格網(wǎng)點(diǎn)格網(wǎng)區(qū)域水平邊界壓力滾動(dòng)底端邊界內(nèi)部開挖邊界動(dòng)態(tài)誘解答腰DY梳NA事MI婚C逼SO禾LU坊TI墨ON--購(gòu)--釣--視在動(dòng)蘋態(tài)分簽析中盯，求拋解所哄有動(dòng)漁態(tài)方慘程，賴動(dòng)量幣的產(chǎn)養(yǎng)生和叛消耗句都將長(zhǎng)產(chǎn)生受直接錫影響無(wú)，在玩高頻盛率發(fā)肯生或躲持續(xù)驅(qū)時(shí)間餅很短錄的過(guò)弦程中支用到掛，如牽地震叛或爆狠炸。足動(dòng)態(tài)掀計(jì)算直是F器LA賣C3查D的戲一個(gè)辨可選粘模塊床。大應(yīng)庸變/偽小應(yīng)誦變L縣AR常GE傍S足TR贈(zèng)AI拿N/捷SM輝AL亞L河ST失RA瘋IN--蜂--藝--決--窄FL云AC厘3D趁默認(rèn)擇的都感是小押應(yīng)變鉤，也脖就是談?wù)f，織即使愉計(jì)算甩出來(lái)誰(shuí)的位酬移相童對(duì)通栽常區(qū)劫域尺痰寸很輕大，循節(jié)點(diǎn)賀也不叔發(fā)生窩相應(yīng)珍位移膝。大鏈應(yīng)變朵中，家節(jié)點(diǎn)執(zhí)根據(jù)劣每一效步計(jì)飼算出粱的位霞移量特發(fā)生演位移妖。幾并何非單線性維只有敲用大詳應(yīng)變跑才能薄實(shí)現(xiàn)爽。16FL斃AC3D的前后森處理命令偽驅(qū)動(dòng)糖(推占薦)程序猜控制圖形隊(duì)界面奴接口計(jì)算嚷模型境輸出指定務(wù)本構(gòu)輩模型沒(méi)及參御數(shù)指定川初始件條件糞及邊屑界條充件，串指定瓜結(jié)構(gòu)厲單元指定骨接觸煩面指定歌自定冠義變導(dǎo)量及慚函數(shù)涉(F州IS擁H)求解旅過(guò)程訴的變?cè)斄扛粉欉M(jìn)行紗求解模型圍輸出17前后彎處理脾功能繳的優(yōu)腿點(diǎn)多種叢zo判ne膝類型后處孤理快鴿捷、團(tuán)方便建、豐朵富計(jì)算蓄過(guò)程繞中的午hi養(yǎng)st蠶變量究動(dòng)態(tài)剝顯示計(jì)算糊暫停堅(jiān)時(shí)的啞后處怠理與朝可保毛存18前后紀(jì)處理贈(zèng)功能錯(cuò)的缺農(nóng)點(diǎn)復(fù)雜鳴模型蠅的建薦模功疲能不基強(qiáng)可以皆編程屠導(dǎo)入拖其他榴軟件骨形成享的網(wǎng)特格(緣瑞比如勻：A載ns繁ys勾、A新di桿na陰、G赴eo濱CA秧D)全命灰令操啦作，刻學(xué)習(xí)萍困難19FL韻AC3D數(shù)值束模擬在巖豬土工蹤蝶程的湯應(yīng)用1、FL壞AC真3D忍進(jìn)核行數(shù)釋值分惱析的犬步驟在進(jìn)敘行巖辨土力許學(xué)分宋析的小時(shí)候狂，遇抬到的屠地質(zhì)佩條件華是相飽當(dāng)復(fù)況雜的舌，怎愚樣楊從繁姨多的睡條件慈中找飄出我坊們需夫要的涼數(shù)據(jù)縫進(jìn)行秀簡(jiǎn)化爽并且辣與數(shù)訪值模丟擬軟驕件相言結(jié)織合分液析各孩種現(xiàn)爐象是聞進(jìn)行僅數(shù)值周分析否的難前點(diǎn)。雜因此金在進(jìn)蠅行數(shù)飽值分鎖析時(shí)偉需纖要掌漿握一候定的顯技巧冊(cè)與步紹驟：（1糊）明濕確數(shù)印值模揭擬的逃目的復(fù)；（2支）建夏立并刃運(yùn)行宗簡(jiǎn)單附的理盲想化濁模型介；（3撿）根未據(jù)?？訑M目鋒的搜職集具房誠(chéng)體問(wèn)挨題的益數(shù)據(jù)悔；（4裳）加的載數(shù)遭據(jù)后塊運(yùn)行感詳細(xì)替的模臂型；（5禽）在爬詳細(xì)夢(mèng)模型拔中設(shè)勵(lì)置監(jiān)舞測(cè)點(diǎn)緞并解機(jī)釋所供分析柿的問(wèn)責(zé)題。20FL峽AC3D數(shù)值墻模擬在巖娛土工窄程的副應(yīng)用2、況實(shí)例瞇分析2.榮1模堵型的串建立本次露模擬鴉的地暫質(zhì)條忌件是暢：某旱礦，挽平均陰采深康3勇00述m，裳近水鴉平巖僅層，催開菌采厚造度徐5m暫，底韻板厚巾度郊25吃m，仁松散劍層厚洪度灑20選0m疑，巖浪層的學(xué)力學(xué)連性質(zhì)砌見(jiàn)下宮表俱1。廁其三管維倆FL恥AC素模跳型如咳圖怨2危所示童。21FL雅AC3D數(shù)值便模擬在巖啟土工物程的蒼應(yīng)用22FL蛙AC3D數(shù)值泰模擬在巖彎土工吧程的辭應(yīng)用由于管在校FL秒AC泳3D蛙中琴，使連用的嗎巖體訴參數(shù)榨是體瓦積模序量捎K和歐剪切兆模量去G丹。慕所以贈(zèng)我們飄需要膀把彈護(hù)性模軟量任E繁和泊散松比歇μ轉(zhuǎn)湊化成何體積病模量擁K雕和求剪切集模量雪G他，它元們的寒轉(zhuǎn)化叼公式孟為：K=E/3(惱1灰-妥2μ)G=E/2(戀1適+μ)23FL咬AC3D數(shù)值辣模擬在巖抖土工貫程的社應(yīng)用24FL縫AC3D數(shù)值興模擬在巖此土工輔程的范應(yīng)用2.2坊本慣構(gòu)模秒型的簽選取在進(jìn)玩行模影擬時(shí)緩，采私用摩參爾-庫(kù)侖擠（Mo棉hr數(shù)-C料ou斗lo匙mb）強(qiáng)閱度準(zhǔn)膀則來(lái)健判斷礦體與頂撇底板良的破夸壞機(jī)耕理。欺該準(zhǔn)誓則基即本的題內(nèi)涵濤為：逐巖石貌的剪撒切破頌壞是做由塞巖石雁破裂撲面產(chǎn)極生的件破壞軋剪應(yīng)顧力受旗到巖匙石材螺料的棄內(nèi)聚杏力和腿內(nèi)摩亞擦力診的朱抵抗河，當(dāng)乞破裂鐘面上含的破固壞剪儉應(yīng)力砌大于莫巖石毒的內(nèi)猛聚力逢和內(nèi)袍摩擦屠力時(shí)惰，即Fs腹>0時(shí)，務(wù)材料桑發(fā)生娘剪切借破壞[4結(jié)]：25FL股AC3D數(shù)值備模擬在巖票土工托程的棄應(yīng)用2.逐3邊界紛條件踢的確帶立模型磁的上圈覆巖陷層視科為連幅續(xù)介唯質(zhì)，撈在分短析過(guò)春程中插不考?jí)魬]構(gòu)飾造應(yīng)恥力對(duì)逆原巖駁應(yīng)力鵝的影拉響，哪僅考溉慮巖貝體自蓄重引際起的作應(yīng)力狂，即攪模型給處于墓靜應(yīng)貸力狀折態(tài)鐘。其從邊界龍條件翻如下趣：①模學(xué)型的欲兩側(cè)斧和前替后限宗制水抵平方宵向的睜位移仆，即晚：u段=0只；②模援型的長(zhǎng)底部預(yù)限制述水平界和豎珍直方情向的裹位移里，即教：u聚=0濱，v墾=0橫；③模沾型頂管部設(shè)敗為自落由邊利界。262.4貪確唯定監(jiān)很測(cè)點(diǎn)云位置在模肝型的瀉走向肚主斷撓面上捷設(shè)置柄監(jiān)測(cè)文點(diǎn)，取點(diǎn)間稅距離哭根據(jù)銷下表倦進(jìn)行倦選擇倒：FL惠AC3D數(shù)值疤模擬在巖伍土工濱程的壘應(yīng)用在本布文中臉模擬折的地汁質(zhì)條涼件的疊采深膨?yàn)?刪00亦m，蠶選取車的點(diǎn)逐間距提為2捷0m顛，所捷以在石地表勞移動(dòng)包盆地藥主斷宏面上末每2稅0m足設(shè)旗置一啟個(gè)測(cè)戲點(diǎn)，你記錄們其移桑動(dòng)值皺，并姓對(duì)其氏由左芝到右新依次盾編號(hào)慢。27FL餓AC3D數(shù)值寧模擬在巖止土工賤程的僻應(yīng)用2.5流模辭擬結(jié)撥果及廣分析我們帖把模毯型中脖監(jiān)測(cè)綱到的澆走向暈方向仔上各林點(diǎn)的鵲下沉道、斜參、曲劫率、狗水平漸移動(dòng)嶼、水優(yōu)平變槽形值遞以圖肢表的六形式喊給出問(wèn)，如子圖3永~圖毅7：28FL茫AC3D數(shù)值