顆粒流方法及PFC程序介紹

顆粒流方法及PFC程序介紹轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明來(lái)自趣滿網(wǎng)顆粒流屬于不連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的一種方法，這里的“顆粒”并不直接與介質(zhì)中是否存在顆粒狀物質(zhì)有關(guān)，只是用來(lái)描述介質(zhì)特性的一種方式。比如，PFC既可以用來(lái)描述具有顆粒物質(zhì)的粗?；◢弾r一類的介質(zhì)，也可以用來(lái)研究非晶質(zhì)材料的特性。顆粒流模型主要反映了顆粒集合體的力學(xué)行為，在顆粒流模型內(nèi)，離散的顆粒認(rèn)為是剛性的，顆粒之間的接觸方式和力學(xué)特征可以不同，但符合基本的牛頓運(yùn)動(dòng)定律，即當(dāng)顆粒間的靜力平衡被破壞時(shí)，顆粒產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)。顆粒間的接觸方式和接觸強(qiáng)度是最關(guān)鍵的一個(gè)環(huán)節(jié)，決定了顆粒集合體即介質(zhì)的基本力學(xué)特性，以及具體的承受張、剪、壓力和保持靜力平衡的基本能力。顆粒集合體的各種復(fù)雜力學(xué)特性，比如其非線性特征和破壞特征，都是通過(guò)顆粒間的基本狀態(tài)體現(xiàn)出來(lái)的。顆粒間的接觸出現(xiàn)破壞，標(biāo)志著顆粒集合體由線性到非線性力學(xué)特征的開(kāi)始。因此，在利用顆粒流方法求解有關(guān)問(wèn)題時(shí)，不需要定義介質(zhì)的本構(gòu)關(guān)系，介質(zhì)在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，將由其內(nèi)部顆粒間接觸變化（如裂紋擴(kuò)展）的情況所決定。顆粒間的接觸關(guān)系可以處理成非黏結(jié)和黏結(jié)兩種方式，當(dāng)黏結(jié)強(qiáng)度達(dá)到一定程度時(shí)，黏結(jié)介質(zhì)對(duì)顆粒集合體基本特性的影響所起的作用就開(kāi)始起到重要作用，這也是顆粒流所研究的對(duì)象不局限于顆粒狀介質(zhì)的一個(gè)基本原因。ITASCA公司開(kāi)發(fā)的PFC系列軟件，作為離散元理論的軟件方法，同樣具有以下2個(gè)最基本的特征：⑴允許顆粒發(fā)生有限位移和轉(zhuǎn)動(dòng)，顆粒間可以完全脫離；⑵在計(jì)算過(guò)程中能夠自動(dòng)辯識(shí)新的接觸。PFC系列軟件的基本思想是采用介質(zhì)最基本單元一一顆粒和最基本的力學(xué)關(guān)系一一顆粒間的牛頓第二定律來(lái)描述介質(zhì)的復(fù)雜力學(xué)行為，因此是一種本質(zhì)性和根本性的描述。該系列軟件在應(yīng)用環(huán)節(jié)的思路和方法，因?yàn)槠浠舅枷氲牟煌艽蟪潭壬喜煌谄渌B續(xù)和非連續(xù)力學(xué)理論方法程序。這些差別主要體現(xiàn)在如下幾個(gè)方面：（1）模型介質(zhì)的宏觀基本物理力學(xué)特征不可能通過(guò)直接賦值的形式實(shí)現(xiàn)，只有顆粒的幾何特性和顆粒間接觸的細(xì)（微）觀力學(xué)參數(shù)可以賦值。顆粒的幾何參數(shù)包括介質(zhì)顆粒大小和分布（土體的顆粒級(jí)配和巖石的結(jié)構(gòu)），接觸特性包括接觸方式和接觸力學(xué)特征（剛度和強(qiáng)度）。介質(zhì)的總體力學(xué)特征取決于顆粒的這些基本特性，改變這些基本特性，就意味著顯著改變了介質(zhì)的宏觀力學(xué)特性。介質(zhì)的初始條件如地應(yīng)力場(chǎng)條件會(huì)影響介質(zhì)的結(jié)構(gòu)特征(顆粒集合體的密度)，從而影響其物理力學(xué)特性。因此，地應(yīng)力場(chǎng)條件必須作為模型特性的一個(gè)與介質(zhì)基本物理力學(xué)特性相關(guān)聯(lián)且不是獨(dú)立的因素考慮，這與以往的數(shù)值計(jì)算方法完全不同，也非常自然地描述了應(yīng)力環(huán)境對(duì)介質(zhì)(特別是巖體)基本物理力學(xué)特性的影響。由于介質(zhì)的力學(xué)特性取決于介質(zhì)內(nèi)部顆粒的結(jié)構(gòu)和接觸特征，因此計(jì)算中不需要給介質(zhì)賦以某種本構(gòu)關(guān)系，模型介質(zhì)的本構(gòu)特征將由介質(zhì)內(nèi)部顆粒之間狀態(tài)特征的變化體現(xiàn)出來(lái)，顆粒間接觸的破壞和發(fā)展標(biāo)志著介質(zhì)整體力學(xué)特性由線形向非線性轉(zhuǎn)化。構(gòu)建PFC模型和進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)算準(zhǔn)備工作，必須使用PFC的二次開(kāi)發(fā)功能，可通過(guò)自編程操縱PFC實(shí)現(xiàn)上述目的。從這方面講，PFC程序不是一個(gè)簡(jiǎn)單的巖土工程應(yīng)用軟件，在某種意義上它可視為一個(gè)用戶開(kāi)發(fā)平臺(tái)，這樣更能體現(xiàn)PFC程序的特征。也就是說(shuō)，PFC提供了基本的計(jì)算工具，要實(shí)現(xiàn)某個(gè)特定目的的計(jì)算，用戶一般需要利用其接口計(jì)算機(jī)語(yǔ)言FISH開(kāi)發(fā)完成一些功能程序段并驅(qū)動(dòng)程序。目前，PFC的應(yīng)用領(lǐng)域涉及巖土、礦山、農(nóng)業(yè)、金屬和核工業(yè)等，但其普及程度不高，應(yīng)用水平還遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到其功能所能實(shí)現(xiàn)的水平，其原因主要包括以下幾個(gè)方面：其一是PFC的思路和使用方法在很大程度上不同于一般傳統(tǒng)的數(shù)值計(jì)算程序，使用難度大；其二是與目前的計(jì)算機(jī)發(fā)展水平相比，PFC在求解復(fù)雜工程問(wèn)題，特別是涉及大范圍的運(yùn)(流)動(dòng)破壞的工程問(wèn)題時(shí)，對(duì)計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度的要求很高。構(gòu)建和運(yùn)行PFC模型的主要步驟如下：根據(jù)工程基本特性確定各主要區(qū)域的顆粒參數(shù)值，如顆粒的尺寸和顆粒大小的統(tǒng)計(jì)分布等，并根據(jù)介質(zhì)的密度大小生成合適數(shù)目的顆粒。給顆粒間的接觸賦予摩擦強(qiáng)度參數(shù)，在給定邊界條件下運(yùn)行程序使生成的顆粒在具備摩擦強(qiáng)度的條件下達(dá)到平衡，此時(shí)顆粒的幾何分布將發(fā)生顯著變化。利用同樣的顆粒幾何參數(shù)構(gòu)建簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)室試樣模型，對(duì)這些試樣分別賦予不同的微力學(xué)參數(shù)進(jìn)行一系列的數(shù)值試驗(yàn)，從而獲得試樣的宏觀力學(xué)參數(shù)。對(duì)比這些宏觀力學(xué)參數(shù)與實(shí)際工程的相應(yīng)參數(shù)值，選擇對(duì)應(yīng)的顆粒微力學(xué)參數(shù)作為模型用計(jì)算參數(shù)，這個(gè)過(guò)程與地質(zhì)力學(xué)材料模型試驗(yàn)的前期工作中選擇和配制模型材料的配比非常類似。給構(gòu)建的模型賦數(shù)值試驗(yàn)獲得的微觀力學(xué)參數(shù)后，在模型邊界上施加某種給定方式的荷載，此時(shí)模型介質(zhì)的物理性質(zhì)可能因?yàn)閼?yīng)力狀態(tài)的變化而變化。通過(guò)不斷調(diào)整邊界的幾何坐標(biāo)(位置)及邊界荷載并運(yùn)行程序，使得模型介質(zhì)的應(yīng)力條件符合實(shí)際中的初始應(yīng)