FLAC3D数值模拟基础
30页1、FLAC3D数值模拟在采矿工程的应用,主要内容,FLAC3D软件简介 FLAC3D数值模拟在岩土工程的应用,FLAC3D简介,美国Itasca(依泰斯卡)咨询公司开发2D程序(1986) 1990年代初引入中国 有限差分法(FDM) DOS版2.0 2.1 3.0,FLAC3D简介,应用: 岩土力学/岩石力学分析,例矿体滑坡、煤矿开采沉陷预测、水利枢纽岩体稳定性分析、采矿巷道稳定性研究等 岩土工程、采矿工程、水利工程、地质工程 特色: 大应变模拟 完全动态运动方程使得FLAC3D在模拟物理上的不稳定过程不存在数值上的障碍 显示求解具有较快的非线性求解速度,1 承受荷载能力与变形分析:用于边坡稳定和基础设计 2 渐进破坏与坍塌反演:用于硬岩采矿和隧道设计 3 断层构造的影响研究:用于采矿设计 4 施加于地质体锚索支护所提供的支护力研究:岩锚和土钉的设计 5 排水和不排水加载条件下全饱和流体流动和孔隙压力扩散研究:挡土墙结构的地下水流动和土体固结研究 6 粘性材料的蠕变特性:用于碳酸钾盐矿设计 7 陡滑面地质结构的动态加载:用于地震工程和矿山岩爆研究 8 爆炸荷载和振动的动态响应:用于隧道
2、开挖和采矿活动 9 结构的地震感应:用于土坝设计 10 由于温度诱发荷载所导致的变形和结构的不稳定:高辐射废料地下埋藏的性能评价 12 大变形材料分析:用于研究粮仓谷物流动及井巷和矿洞中材料的总体流动,FLAC3D简介,基本原理,网格确定问题的几何尺寸;持续的运动和连续的物质属性决定了模型的扰动(如由于开挖引起的变形)形式;边界条件和初始条件确定了模型的初始状态(没有引起扰动或变形的状态)。,建立FLAC计算模型,必须进行以下三个方面的工作: 1. 有限差分网格 2. 本构特性与材料性质 3. 边界条件与初始条件 完成上述工作后,可以获得模型的初始平衡状态,也就是模拟开挖前的原岩应力状态。然后,进行工程开挖或改变边界条件来进行工程的响应分析。,基本原理,有限差分法 Lagrangian网格 空间混合离散技术 Lagrangian格式动量平衡方程 FLAC3D的求解过程 FLAC3D的本构模型,FLAC3D的求解过程,FLAC3D中的本构模型,开挖模型null 3个弹性模型 各向同性弹性 横观各向同性弹性 正交各向同性弹性 8个塑性模型(Drucker-Prager模型、Morh-Cou
3、lomb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、修正剑桥模型和胡克布朗模型),FLAC3D中的本构模型,FLAC3D的前后处理,术语,区域(Zone)有限差分划分的带在几何上是最小的区域,在在这个区域里的每一个现象的变化,如应力应变都可以估计出,。各种形状的多面体(立方体、楔形、锥体、四面体等)可用来构造模型并可用plot显示出来。每一个多面体可能有一套或两套表层设置,这由5个四面体组成。默认的情况下,两个表层设置用在对计算精度要求高的情况下,区域的另外一种叫法是要素。 栅格点(GridPoint)栅格点是有限差分单元的角点。一个多面体可能有5个、6个、7个或8个网格点,主要取决于多面体的形状。给定每个节点的x,y和z值这样就具体确定了有限差分单元,。其他叫法有:节点,交点。 有限差分栅格(Finite Difference Grid)有限差分网格是研究区域中一个或多个通过物理边界连接的有限差分单元的集合。另一个叫法是网格,有限差分网格也可以标识出模型中每个状态的存储位置,FLAC3D所生成的矢量都保存在节点上(如:受力、速度、位移)。标量和张量保存在
4、单元的中心(如应力、材料属性)。,FLAC3D的前后处理,术语,模型边界(Model Boundary)即有限差分网格的外围,内部边界也同样是模型边界(如网格中的空洞)。 边界条件(Boundary Condition)即模型边界的约束条件或控制条件的给定(如:限制位移、渗透条件、绝热条件)。 初始条件(Initial Conditions)即在对模型加载或开挖等作用前的各种参数状态。 基本模型(Constitutive Model)基本模型(材料模型)即规定了FLAC3D模型中某一区域的变形或强度效应,可用大量基本模型去近视地质材料,可以单独定义FLAC3D模型中的基本模型和材料模型。 空单元(Null Zone)空单元表示此区域为空(就象没有材料一样)。 次级网格(SUB-GRID)有限差分网格可由次级网格组成,它可用来在模型中创建不同形状的区域,次级网格是分别生成,可进行合并和连接。,FLAC3D的前后处理,术语,附属接触面ATTACHED FACES附属栅格面是由被划分的次级栅格组成的网格接触或合并的面栅格面,接触面必须是共面或接触,每个面的节点不一定一样,不同总密度的次级网格
5、可以接触。 接触面INTERFACE-即次级网格在计算过程中可以分开(滑动,开裂)的两部分之间的面,可表示不连续的物理特征,如,断层,节理面或材料性质突变的临界面。 范围INTERFACE-范围是对FLAC3D模型空间值的一个描述,可给定一个命令的作用范围,即使模型发生运动-不影响模型中的区域和节点位置,一个范围或范围确定的单元也不发生改变。范围或范围内的单元所包含的区域,也可以用一个单元的ID号来表示,它与区域,节点,或结构单元密切联系。 集合GROUP-在FLAC3D模型中他们有共同的名称,由于限定具体命令的对象,如model命令对某一集合设置为某种材料,任何命令加于集合名称也就相当于作用于这一集合的所有区域。,FLAC3D的前后处理,术语,ID号码ID NUMBER-FLAC3D模型中的单元以ID号加以区分,下面的单元有ID号;内部面、节点、区域、体积、历史、表格、显示项和结构单元的全部内容。这帮助用户确定模型中的单元,可用porint命令获得ID号,用户可给内部面、结构单元、历史等赋ID号。实体结构单元同样也有CID号,系统给每一个网格,单元都创建了一个CID号,这与梁,柱等不
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