Online Contents - 1
PFC2D
Particle Flow Code
in 2 Dimensions
Online Manual Table of Contents
USER’S GUIDE
Frontispiece
Terms and Conditions
Precis
Table of Contents
Section 1 : Introduction
Section 2 : Getting Started
Section 3 : Problem Solving with PFC2D
Section 4 : FISH Beginner’s Guide
Section 5 : Miscellaneous
Section 6 : Bibliography
COMMAND REFERENCE
Frontispiece
Table of Contents
Section 1 : Command Reference
PFC2D Version 3.0
Online Contents - 2
FISH IN PFC2D
Frontispiece
Precis
Table of Contents
Section 1 : FISH Beginner’s Guide
Section 2 : FISH Reference
Section 3 : Augmented FishTank
THEORY AND BACKGROUND
Frontispiece
Precis
Table of Contents
Section 1 : General Formulation
Section 2 : Contact Constitutive Models
Section 3 : Implementation Issues
Section 4 : Clump Logic
Section 5 : General Wall Logic
OPTIONAL FEATURES
Frontispiece
Precis
Table of Contents
Section 1 : Thermal Option
Section 2 : Writing New Contact Models
Section 3 : User-Written C++ Code
Section 4 : Parallel Processing
PFC2D Version 3.0
Online Contents - 3
VERIFICATION PROBLEMS AND EXAMPLE APPLICATIONS
Frontispiece
Precis
Table of Contents
Tip-Loaded Cantilever Beam
Energy Computations
Collisions with a Particle Assembly
Porosity Computations
Biaxial and Brazilian Tests
Core Flow versus Mass Flow Hopper
Granular Flow from a Hopper
Mine Block-Caving Process
Rockfall
Dynamics of a Beam-Column Structure
Wave Propagation in Particle Assemblies
Incorporation of Fluid Coupling in PFC2D
COMMAND AND FISH REFERENCE SUMMARY
Frontispiece
Precis
Table of Contents
Command Summary
FISH Statement Summary
PFC2D Version 3.0
User’s Guide
Contents - 1
TABLE OF CONTENTS
1 INTRODUCTION
1.1 Background and Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 - 1
1.2 General Features
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 - 3
1.3 Optional Features
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 - 6
Summary of Updates from Version 2.0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 - 7
1.4
1.4.1 New Features in Version 3.0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 - 7
1.4.1.1 Windows Version in Visual C++ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 - 7
1.4.1.2 New Contact Models
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 - 7
1.4.1.3 User-Defined Contact Models in Visual C++ . . . . . . . . . . . . . . . . 1 - 7
1.4.1.4 Thermal Logic Option . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 - 7
1 - 8
1.4.1.5 User-Written C++ Code
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1 - 8
1.4.1.6 General Walls
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.4.1.7 Generalized Viscous Damping
1 - 8
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.4.1.8 Ability to Link PFC2D to Other Itasca Codes via TCP/IP Connec-
1.4.1.9 New Output Facilities
1.4.1.10Expanded User’s Manual
tion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 - 8
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 - 8
1 - 8
1.4.2 Backwards Compatibility with Version 2.0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 - 9
Fields of Application . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 - 10
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 - 11
1 - 16
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 - 17
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 - 18
1.5
1.6 Guide to the PFC2D Manual
1.7
Itasca Consulting Group, Inc.
1.8 User Support
1.9 References
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2 GETTING STARTED
2.1
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 - 2
Installation and Start-up Procedures
Installation of PFC2D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 - 2
2.1.1
2.1.2
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 - 2
System Requirements
2.1.3 Components of PFC2D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 - 3
2.1.4 Utility Software and Graphics Devices
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 - 3
2.1.5 Version Identification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 - 4
Start-up
2.1.6
2 - 4
2.1.7
Program Initialization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 - 5
2.1.8 Running PFC2D
2 - 6
2.1.9
Installation Tests
2 - 6
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 - 9
2 - 21
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2 A Simple Tutorial — Use of Common Commands
2.3 Nomenclature
PFC2D Version 3.0
Contents - 2
User’s Guide
2.7 Mechanics of Using PFC2D
2.7.1
2.7.2 Assigning Contact Models
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.6.1 Macro Object
2.6.2 Model Object
2.6.3 General Advice
2.4 Components of a PFC2D Model
2 - 25
2.5 Command Syntax . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 - 26
2.6 Named Objects
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 - 27
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 - 27
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 - 28
2 - 30
2 - 33
Simple Model Generation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 - 35
2.7.1.1 Particle Generation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 - 35
2.7.1.2 Compaction of the Generated Assembly . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 - 40
2 - 42
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 - 42
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 - 44
2 - 46
Stepping to Initial Equilibrium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 - 50
Performing Alterations
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 - 56
Saving/Restoring Problem State . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 - 59
Summary of Commands for Simple Analysis
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 - 63
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 - 64
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 - 66
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 - 67
2 - 69
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 - 75
2.7.3 Applying Boundary and Initial Conditions
2.7.4
2.7.5
2.7.6
2.7.7
Sign Conventions
Systems of Units
2.8
2.9
2.10 Files
2.11 Introducing the PFC2D Graphical User Interface
2.12 References
2.7.2.1 Contact Models and Properties
2.7.2.2 Comparison to Problem-Scale Properties
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3 PROBLEM SOLVING WITH PFC2D
3.1
Stress and Strain
Packing and Porosity
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Limitations of Two-Dimensional Modeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 - 2
3 - 2
3.1.1
3.1.2
3 - 3
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 - 3
3.1.3 Mass Properties
3.2 General Approach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 - 4
Step 1: Define the Objectives for the Model Analysis
3 - 5
Step 2: Create a Conceptual Picture of the Physical System . . . . . . . . . . 3 - 6
3 - 6
Step 3: Construct and Run Simple Idealized Models
3 - 7
Step 4: Assemble Problem-Specific Data
3 - 7
Step 5: Prepare a Series of Detailed Model Runs
Step 6: Perform the Model Calculations
3 - 8
3 - 8
Step 7: Present Results for Interpretation
. . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.2.1
3.2.2
3.2.3
3.2.4
3.2.5
3.2.6
3.2.7
. . . . . . . . . . . . . . .
PFC2D Version 3.0
User’s Guide
Contents - 3
3.3
3.5
3.4 Boundary Conditions
3.4.1 Walls as Boundaries
3.4.2
3.6 Contact Models
3.7 Material Properties
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Particles as Boundaries
3.4.2.1 Fixed-Velocity Boundary Particles
3.4.2.2 Applied Forces to Boundary Particles
3.4.3 Mixed Boundary Conditions
Initial Conditions
3.5.1 Obtaining a Given Isotropic Stress
3.5.2 Obtaining a Given Anisotropic Stress
Particle Generation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 - 9
3.3.1 Regular Assemblies
3 - 9
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.3.2
Irregular Assemblies
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 - 11
3.3.2.1 Generation by Radius Expansion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3 - 12
3.3.2.2 Generation by Explosive Repulsion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 - 16
3.3.2.3 Nonuniform Size Distributions
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 - 18
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 - 21
3.3.2.4 Filling of Complex Shapes
3.3.2.5 Creating Complicated Particle Clusters
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 - 22
3.3.2.6 Optimization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 - 22
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 - 23
3 - 23
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 - 23
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 - 24
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 - 25
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 - 26
3 - 29
3 - 29
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 - 33
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 - 34
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 - 34
3 - 35
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3 - 35
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 - 38
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 - 39
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 - 39
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 - 39
3 - 41
. . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 - 42
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 - 43
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 - 52
. . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 - 61
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 - 62
3 - 65
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 - 65
Loading Methods
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 - 65
3.8.1.1 Control of Walls
. . . . . . . . . . . 3 - 66
3.8.1.2 Control of Particle Forces — a “Stress Boundary”
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 - 67
3.8.1.3 Control of Particle Velocities
Solution Procedure
3 - 67
3.8.2.1 Static Solution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 - 68
3.8.2.2 Dynamic Solution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 - 70
. . . . . . . . . . . . . . 3 - 74
3.8.2.3 Dynamic Solution during Free Fall and Impact
3.7.2 Direct Modeling Based on Known Micro-Properties
Inverse Modeling with Unknown Micro-Properties
3.7.3
3.7.3.1 Performing Simulated Biaxial Tests
3.7.3.2 Results from the Biaxial Tests
3.7.3.3 Guidelines for Choosing Micro-Properties
Joint Planes
3.6.1 Contact-Stiffness Models
3.6.2
Slip and Separation Model
3.6.3 Bonding Models
3.6.4
Locked-in Forces
3.7.1
Specification of Particle and Contact Properties
3.7.1.1 Spatial Variation of Properties
3.8.2
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . .
3.8
3.7.4
Loading, Solution and Sequential Modeling
3.8.1
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
PFC2D Version 3.0
Contents - 4
User’s Guide
3.9
Sequence of Modeling Operations
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.8.3
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 - 74
Interpretation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 - 76
3.9.1 Diagnostic Forces
3 - 76
3.9.2 Ball and Wall Parameter Histories
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 - 76
Energy Tracing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 - 77
3.9.3
3.9.4 Measurement Circles
3 - 77
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 - 77
Spatial Field Variables
3.9.5
3.10 Modeling Methodology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 - 79
3 - 79
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 - 79
3 - 81
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 - 82
3.10.1 Modeling of Data-Limited Systems
3.10.2 Modeling of Chaotic Systems
3.10.3 Localization, Physical Instability and Path-Dependence
3.11 References
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . .
4 FISH BEGINNER’S GUIDE
4.1
4.2 Beginner’s Guide and Tutorial
Introduction and Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 - 1
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 - 2
5 MISCELLANEOUS
5.1
5.2
5.3
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
PFC2D Runtime Benchmark
5 - 1
Error Reporting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 - 3
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 - 3
5.2.1 Reporting via Internet
5.2.2 Reporting via Fax
5 - 3
5 - 3
Technical Support Service
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6 BIBLIOGRAPHY
PFC2D Version 3.0
User’s Guide
TABLES
Contents - 5
Table 2.1 Maximum number of PFC2D particles in available RAM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 - 5
2 - 47
Table 2.2
Summary of boundary and initial condition commands . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Basic commands for simple analyses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Table 2.3
2 - 63
Systems of units — mechanical parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 - 66
Table 2.4
Table 3.1
Recommended steps for numerical analysis in geomechanics . . . . . . . . . . . . . . . 3 - 5
Commands that directly refer to FISH names . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 - 4
Table 4.1
PFC2D runtime calculation rates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 - 2
Table 5.1
PFC2D Version 3.0