FLAC-FLAC3D基础与工程实例陈育民.pdf

发布时间：2022-06-08 发布人：admin 分类：说明书资料大小：14.14M 资料格式：pdf 举报版权申诉

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序

第1章 FLAC、FLAC3D的功能与特性

1.1 FLAC/FLAC 3D 简介

1.2 FLAC/FLAC 3D 的主要特点

1.3 FLAC/FLAC 3D 的应用范围

1.4 FLAC/FLAC 3D 的不足

第2章 FLAC3D快速入门

2.1 初识FLAC

2.2 简单示例

2.3 收敛标准

2.4 求解过程中有关变量的解释

2.5本章小结

第3章 FLAC快速入门

3.1 概述

3.2 一个简单的实例

3.3 文件系统

3.4 功能模块介绍

3.5 应用实例——路堤堆载的模拟

3.6 本章小结

第4章计算原理与本构模型

4.1 计算基本原理

4.2 本构模型

4.3 本章小结

第5章 FLAC3D的网格建模方法

5.1 网格生成器及应用

5.2 其它软件的网格导入

5.3 本章小结

第6章 FLAC3D的后处理

6.1 概述

6.2 基本后处理功能

6.3 其他软件的后处理——Tecplot

6.4 本章小结

第7章初始地应力场的生成及应用

7.1 初始地应力场生成方法

7.2 几个简单的例子

7.3 应用实例——路基施工过程模拟

7.4 本章小结

第8章 FISH语言

8.1 两个问题

8.2 从最简单的程序开始

8.3 基本知识

8.4 主要语句

8.5 内置变量与函数

8.6 应用实例

8.7 编程与查错技巧

8.8 本章小结

第9章接触面

9.1 概述

9.2 基本理论

9.3 FLAC 3D 接触面几何模型的建立

9.4 FLAC接触面几何模型的建立

9.5 接触面参数的选取

9.6 单桩静载荷试验模拟

9.7 与接触面有关的常用命令

9.8 本章小结

第10章结构单元及应用

10.1 概述

10.2 结构单元的基本原理

10.3 后处理

10.4 应用实例

10.5 本章小结

第11章非线性动力反应分析

11.1 概述

11.2 动力时间步

11.3 动态多步

11.4 动力荷载和边界条件

11.5 力学阻尼

11.6 网格尺寸的要求

11.7 输入荷载的校正

11.8 动孔压模型与土体的液化

11.9 完全非线性动力耦合分析步骤

11.10 应用实例——振动台液化试验模拟

11.11 本章小结

第12章流-固相互作用分析

12.1 概述

12.2 流固相互作用的两种计算模式

12.3 流体分析的参数和单位

12.4 流体边界条件

12.5 流体问题的求解

12.6 应用实例

12.7 本章小结

第13章自定义本构模型

13.1 自定义本构模型的实现

13.2 模型运行方法

13.3 以Mohr-Coulomb模型为例

13.4 开发实例——Duncan-Chang模型的开发

13.5 本章小结

第14章边坡安全系数求解

14.1 强度折减法

14.2 应用实例

14.3 强度折减法评述及使用建议

14.4 本章小结

第15章冰碛土边坡稳定性研究

15.1 概述

15.2 边坡工程地质模型

15.3 冰碛土抗剪强度参数研究

15.4 边坡稳定性分析方法研究

15.5 本章小结

第16章阪神地震液化大变形分析

16.1 前言

16.2 液化后流动本构模型及其在FLAC3D中的开发

16.3 前处理

16.4 静力计算结果

16.5 动力计算结果

第17章抗液化排水桩的数值模拟

17.1 前言

17.2 前处理

17.3 震前初始应力状态的计算

17.4 动力计算

17.5 计算结果与分析

第18章深基坑工程分析

18.1 前言

18.2 计算模型及参数

18.3 分析过程

18.4 计算结果分析

18.5 本章小结

第19章装配式防波堤的变形分析

19.1 概述

19.2 分析思路

19.3 施工过程的模拟

19.4 波浪荷载作用下结构的变形分析

19.5 计算结论与本章小结

第20章盾构开挖对软粘土地层的扰动模拟

20.1 概述

20.2 问题的描述

20.3 FLAC 3D 模拟隧道开挖中若干问题的解决

20.4 计算文件

20.5 计算结果分析

20.6 本章小结

第21章常见问题及学习建议

21.1 常见问题及其解答

21.2 常见错误提示及其解决办法

21.3 学习经验和建议

附录A. FLAC 3D 命令一览

1.1 A.1 程序控制命令

1.2 A.2 图形用户界面的命令

1.3 A.3 指定计算模型

1.4 A.4 设置附加变量

1.5 A.5 网格建模命令

1.6 A.6 创建名称对象

1.7 A.7 指定本构模型及参数

1.8 A.8 设置初始条件

1.9 A.9 设置边界条件

1.10 A.10 指定结构单元

1.11 A.11 设置接触面

1.12 A.12 设置用户自定义变量和函数

1.13 A.13 程序运行中的模型监控

1.14 A.14 求解

1.15 A.15 后处理

FLAC 3D 的FISH保留字

FLAC的FISH保留字

参考文献

序 FLAC 是国际通用的岩土工程专业分析软件，具有强大的计算功能和广泛的模拟能力，尤其在大变形问题的分析方面具有独特的优势。软件提供的针对于岩土体和支护体系的各种本构模型和结构单元更突出了 FLAC 的“专业”特性，因此在国际岩土工程界非常流行。在国内，FLAC 的应用也日渐广泛，拥有越来越多的用户群，而相关学习材料还不够丰富，该书为广大的 FLAC 使用者提供了新的参考素材。全书共分为基础篇、专题篇和应用篇三个篇章，分别针对 FLAC 和 FLAC3D 的基础知识、专题模块和工程应用做了系统介绍。站在初学者的立场，来讲解复杂的软件应用方法是本书最大的特色，书中不乏大量简单却具有说明性的小算例，用以描述繁琐的软件命令和计算功能，通过循序渐进的学习，使读者尽快掌握软件的使用方法和基本命令。同时，该书还提供了岩土工程中常见工程的应用范例，为读者进一步开展软件的应用实践提供参考。全书涉及静力分析、动力分析、接触分析、流固耦合分析、二次开发等众多领域，既考虑到初学者的入门需求，又对已具有一定基础的读者提供引导和建议，是 FLAC 和 FLAC3D 软件爱好者和使用者值得参考的图书。作者之一陈育民是我以前指导的博士生，在河海大学学习期间，他勤奋好学，品学兼优，通过博士期间的学习，他在 FLAC 和 FLAC3D 软件应用方面积累了一定的实践经验，尤其擅长于利用 FLAC 进行非线性动力分析、本构模型的二次开发和流固耦合问题的求解。该书是陈育民和徐鼎平等宝贵经验的总结，相信不管是初学者还是具有一定使用经验的用户，都将从该书中获益。刘汉龙长江学者奖励计划特聘教授国家杰出青年科学基金获得者 2008 年 8 月于江南文枢苑 1

第 1 章 FLAC、FLAC3D 的功能与特性自 R.W. Clough 1965 年首次将有限元引入土石坝的稳定性分析以来，数值模拟技术在岩土工程领域获得了巨大的进步，并成功解决了许多重大工程问题。特别是个人电脑的出现及其计算性能的不断提高，使得分析人员在室内进行岩土工程数值模拟成为可能，也使得数值模拟技术逐渐成为岩土工程研究和设计的主流方法之一。数值模拟技术的优势在于有效延伸和扩展了分析人员的认知范围，为分析人员洞悉岩、土体内部的破坏机理提供了强有力的可视化手段。因此，优秀的岩土工程数值模拟软件须在专业性、可视化及信息输出等方面做到相对完备，方能使分析人员专注于工程实际问题的研究、分析和解决。FLAC 系列软件的出现，为岩土工程研究工作者提供了一款功能强大的数值模拟工具。本章重点：  FLAC/FLAC3D 的主要特点  FLAC/FLAC3D 的不足之处 1.1 FLAC/FLAC3D 简介 FLAC（Fast Lagrangian Analysis of Continua）是由 Itasca 公司研发推出的连续介质力学分析软件，是该公司旗下最知名的软件系统之一。FLAC 目前已在全球七十多个国家得到广泛应用，在国际土木工程（尤其是岩土工程）学术界和工业界享有盛誉。 FLAC 有二维和三维计算软件两个版本，即 FLAC2D（1984）和 FLAC3D（1994）。这里进行一下说明，本书在阐述软件系列时，以 FLAC 统一称谓 FLAC2D 和 FLAC3D；分述 FLAC2D 和 FLAC3D 时，FLAC 仅指代 FLAC2D。FLAC V3.0 以前的版本为 DOS 版本，V2.5 版本仅仅能够使用计算机的基本内存（64K），因而求解的最大结点数仅限于 2000 个以内。1995 年， FLAC 升级为 V3.3 的版本，由于能够扩展内存，因此大大增加了计算规模。FLAC 目前已发展到 V5.0 版本。FLAC3D 作为 FLAC 的扩展程序，不仅包括了 FLAC 的所有功能，并且在其基础上进行了进一步开发，使之能够模拟计算三维岩、土体及其它介质中工程结构的受力与变形形态。FLAC3D 目前已发展到 V3.1 版本。 1.2 FLAC/FLAC3D 的主要特点 FLAC/FLAC3D 界面简洁明了，特点鲜明，其使用特征和计算特征在众多数值模拟软件中别具一格。 2

1.2.1 FLAC/FLAC3D 的使用特征 FLAC/FLAC3D 的使用特征主要表现为：  命令驱动模式 FLAC/FLAC3D 有两种输入模式：① 人机交互模式，即从键盘输入各种命令控制软件的运行；② 命令驱动模式，即写成命令流文件，由文件来控制软件的运行。其中，命令驱动模式为 FLAC/FLAC3D 的主要输入模式，尽管这种驱动方式对于简单问题的分析过于繁杂，对软件初学者而言相对较困难，但对于那些从事大型复杂工程问题分析而言，因涉及多次参数修改、命令调试，这种方式无疑是最有效、最经济的（当然，由于二维建模相对简单，照顾不少用户的使用习惯，在 FLAC 中也可以采用界面操作模式即 GIIC 模式进行分析计算）。  专一性 FLAC/FLAC3D 专为岩土工程力学分析开发，内置丰富的弹、塑性材料本构模型（其中 FLAC 内置 11 个，FLAC3D 内置 12 个），有静力、动力、蠕变、渗流、温度 5 种计算模式，各种模式间可以相互耦合，以模拟各种复杂的工程力学行为。 FLAC/FLAC3D 可以模拟多种结构形式，如岩体、土体或其它材料实体：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、板桩等。通过设置界面单元，可以模拟节理、断层或虚拟的物理边界等。借助其强大的绘图功能，用户能绘制各种图形和表格。用户可以通过绘制计算时步函数关系曲线来分析、判断体系何时达到平衡与破坏状态，并在瞬态计算或动态计算中进行量化监控，从而通过图形直观地进行各种分析。  开放性 FLAC/FLAC3D 几乎是一个全开放的系统，为用户提供了广阔的研究平台。通过其独特的命令驱动模式，用户几乎参与了从网格模型的建立、边界条件的设置、参数的调试到计算结果输出等的全部求解过程，自然能更深刻理解分析的实现过程。利用其内置程序语言 FISH，用户可以定义新的变量或函数，以适应特殊分析的需要。例如，利用 FISH，用户可以设计自己的材料本构模型；用户可以在数值试验中进行伺服控制；可以指定特殊的边界条件；自动进行参数分析；可以获得计算过程中节点、单元的参数，如坐标、位移、速度、材料参数、应力、应变和不平衡力等。此外，用户还可以利用 C+ +程序语言自定义新的本构模型，编译成 DLL（动态链接库），在需要时载入 FLAC/FLAC3D，且运行速度与内置模型相差不大；用户也可以利用有限元软件或其它专业建模工具建立复杂三维模型，导入 FLAC3D，以弥补在建立三维复杂模型等方面的不足。 1.2.2 FLAC/FLAC3D 的计算特征作为有限差分软件，相对于其它有限元软件，在算法上，FLAC/FLAC3D 有以下几个优点：  采用“混合离散法”（Marti and Cundall 1982）来模拟材料的塑性破坏和塑性流动。这种方法比有限元法中通常采用的“离散集成法”更为准确、合理。  即使模拟静态系统，也采用动态运动方程进行求解，这使得 FLAC/FLAC3D 模拟物理上的不稳定过程不存在数值上的障碍。 3

 采用显式差分法求解微分方程。对显式法来说，非线性本构关系与线性本构关系并无算法上的差别，根据已知应变增量，可很方便地求得应力增量、不平衡力并跟踪系统的演化过程。此外，由于显式法不形成刚度矩阵，每一时步计算所需内存很小，因而使用较少的内存就可以模拟大量的单元，特别适于在微机上操作。在大变形问题的求解过程中，由于每一时步变形很小，因此可采用小变形本构关系，将各时步的变形叠加，得到大变形。这就避免了推导并应用大变形本构关系时所遇到的麻烦，也使得它的求解过程与小变形问题一样。 1.2.3 FLAC/FLAC3D 的求解流程采用 FLAC/FLAC3D 进行数值模拟时，有三个基本部分必须指定，即：有限差分网格；本构关系和材料特性；边界和初始条件。网格用来定义分析模型的几何形状；本构关系和与之对应的材料特性用来表征模型在外力作用下的力学响应特性；边界和初始条件则用来定义模型的初始状态（即边界条件发生变化或者受到扰动之前，模型所处的状态）。在定义完这些条件之后，即可进行求解获得模型的初始状态；接着，执行开挖或变更其它模拟条件，进而求解获得模型对模拟条件变更后作出的响应。图 1-1 给出的是 FLAC/FLAC3D 的一般求解流程。对于多单元模型复杂问题，如动力分析、多场耦合分析等的模拟，可以按这一求解流程，先采用简单模型（单元数较少的模型）观察类似模拟条件下的响应，接着再进行复杂问题的模拟以使之更有效率。 1.3 FLAC/FLAC3D 的应用范围尽管最初开发 FLAC 是用于岩土工程和采矿工程的力学分析，但由于该软件具有很强的解决复杂力学问题的能力，因此，FLAC 及其扩展软件 FLAC3D 的应用范围现已拓展到土木建筑、交通、水利、地质、核废料处理、石油及环境工程等领域，成为这些专业领域进行分析和设计不可或缺的工具。其研究范围主要集中在以下几个方面：  岩、土体的渐近破坏和崩塌现象的研究；  岩体中断层结构的影响和加固系统（如喷锚支护、喷射混凝土等）的模拟研究；  岩、土体材料固结过程的模拟研究；  岩、土体材料流变现象的研究；  高放射性废料的地下存储效果的研究分析；  岩、土体材料的变形局部化剪切带的演化模拟研究；  岩、土体的动力稳定性分析、土与结构的相互作用分析以及液化现象的研究等。 4

开始建立分析模型： (1) 生产网格，形成所需要的形状； (2) 定义本构关系和材料性质； (3) 定义边界条件和初始条件进入平衡状态结果不满意检查模型的响应特性模型作出合理的响应执行变更：例如： (1) 开挖 (2) 改变边界条件进行求解检查模型的响应特性结果可接受需要进行参数研究？否结束需进行更多的试验是图 1-1 FLAC/FLAC3D 的一般求解流程 1.4 FLAC/FLAC3D 的不足毋庸置疑，FLAC/FLAC3D 是十分优秀的岩土工程数值模拟软件，其实用性和专业性得 5

到了广泛证实。但不可否认，FLAC/FLAC3D 尤其是 FLAC3D 也存在着诸多不足，主要集中在以下几个方面：  求解时间受网格尺寸的影响很大。对于一般的弹塑性问题，FLAC 的求解时间大致与 N3/2（N 为单元数目）成正比，FLAC3D 求解时间大致与 N4/3 成正比。由此可以看出，FLAC/FLAC3D 对网格尺寸十分敏感，同一模型采用不同尺寸的网格单元可能导致求解时间相差数倍之巨。  某些模式下的计算求解时间很长。由于很多物理过程（如固结过程、长期动力影响、材料流变等）与时间相关，模拟时必须考虑时间效应。对于这些物理过程的时间效应，FLAC/FLAC3D 均采用真实时间予以考虑，因而造成求解时间很长，在有些情况下计算时间甚至是无法令人接受的。  前处理功能较弱。 FLAC3D 对于复杂三维模型的建立仍然十分困难。尽管 FLAC3D 软件为用户提供了 12 种初始单元模型，通过连接、组合匹配这些初始单元模型可方便快捷地建立规则的三维工程地质体模型；同时，也可通过内置语言 FISH，编写命令来调整、构建特殊的计算模型，使之更符合工程实际。但是，由于 FLAC3D 在建立计算模型时采用的是键入数据/命令行文件的方式，加上 FISH 语言独特的源代码表达方式，直接扼杀了一般工程技术人员运用 FLAC3D 进行工程分析的想法。即使对于有相当数值模拟经验和能力的分析人员来说，建立较复杂的地质体模型，如地形起伏大的峡谷区地质模型，也是一件费时费力的苦差。这也是造成 FLAC3D 三维模拟计算周期长、难度大，制约其进一步推广应用的主要原因之一（胡斌，张倬元，等 2002；廖秋林，曾钱帮，等 2005）。尽管如此，FLAC/FLAC3D 的不足之处还是可以采取一定办法予以克服的。其计算时步受网格尺寸影响较大和某些模式下计算时间过长的问题，由于涉及到软件内核即算法和计算效率的问题，需从算法和计算机性能上予以改进（戴荣，李仲奎等 2006），普通用户是难以解决的。但随着算法的不断改进和完善，以及高性能计算机的普及，这些不足之处有望得到改善。至于 FLAC3D 前处理较弱的问题，普通用户即使在现有条件下也完全可以通过借助其它软件予以弥补和完善，对于这部分内容本书将单独成章予以详述。 6

第 2 章 FLAC3D 快速入门 FLAC3D 的命令驱动模式，使得初学者需花费较长的时间入门。本章将对 FLAC3D 进行粗略的浏览；以一个简单示例，介绍 FLAC3D 分析的基本求解过程，并对收敛标准以及求解过程中的一些基本变量予以说明，以便初学者在采用 FLAC3D 进行分析时有个大致的了解，更方便快速地入门。本章重点：  FLAC3D 分析的基本组成部分  FLAC3D 的常用命令  FLAC3D 的结果输出  简单示例  常用收敛标准  求解过程中有关变量的解释 2.1 初识 FLAC3D FLAC3D 界面简洁，功能选项少，很多初学者难以适应。这里将从 FLAC3D 的图形界面、分析基本组成部分、常用命令、文件类型以及结果输出等方面对其进行简单介绍。 2.1.1 图形界面执行【开始】/【所有程序】/【Itasca】/【FLAC3D】/【FLAC3D 3.0】，可以开启 FLAC3D 程序，进入如图 2-1 图 2-1 所示的图形界面。FLAC3D 的图形界面主要包括以下几个部分：  标题栏。显示当前版本信息。  菜单栏。菜单栏分为两种情况，即初始菜单模式和当前菜单模式。初始菜单模式包括：File 菜单、Display 菜单、Option 菜单、Plot 菜单、Window 菜单和 Help 菜单。File 菜单提供文件的保存、读入、图形输出等功能；Display 菜单提供计算模型的单元、节点、本构模型等信息的输出功能；Option 菜单提供 log 文件、变形网格、图片输出等的设置选项；Plot 菜单用于当前计算模型显示的切换；Help 帮助菜单，则提供较详细的版本信息。当前菜单模式包括：File 菜单、Edit 菜单、Setting 菜单、Plotitems 菜单和 Window 菜单。 File 菜单提供当前计算结果图形的格式设置和输出等功能；Edit 菜单提供当前模型的切片、放大等功能；Setting 菜单提供图形前景、背景等的设置选项；Plotitems 菜单提供当前计算模型显示的设置选项；Window 菜单，则用于初始命令窗口和当前命令窗口的切换。 7

 命令窗口。用户在命令输入栏中输入的所有命令都会在命令窗口中记录并显示出来。当用户发现命令输入错误时，可以通过输入正确语句覆盖先前语句予以修改。少数界面操作也会在命令窗口中记录 FLAC3D 自身的命令语句格式。  图形区域（绘图区）。显示当前状态下的网格、边界、后处理等信息，窗口左侧包含绘图内容的图例、说明。在命令输入栏中输入相关命令，可实现图形的缩放、平移、旋转；以及单元和节点编号的显示等操作。图 2-1 FLAC3D 的图形界面 2.1.2 分析的基本组成部分第 1 章图 1-1 已给出了 FLAC3D 的一般求解流程，若从模拟命令执行的角度来说，可以归纳为三大基本组成部分如图 2-2 所示，即建立分析模型、模拟求解部分和输出计算结果部分。建立分析模型部分包括生成网格单元、设置初始条件和边界条件以及初始应力平衡等部分；模拟求解部分包括加载及场方程的有限差分求解；输出计算结果部分主要为图表的绘制、相关数据的输出等。在 FLAC3D 的建立分析模型部分，材料性质的定义、初始条件和边界条件的设置并无明显的先后顺序。初始应力平衡是分析中十分重要的一个环节，后续章节将会具体阐述，但并非为必须项，需根据实际分析对象所处的工况而定。至于用虚框框定的加载及顺序建模变更 8 标题栏菜单栏图形窗口命令窗口命令输入栏

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