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自从FLAC3D 随着时间的发展模拟了非线性体系，与常规的有限元程序在计算结束时生成结果相比，它的结果的解释说明更难了。这有一些指示器可以用来评估数值模型的状态——例如，不管体系是稳定的，不稳定的，还是处于稳定的流变状态。各种各样的指示器用法如下所述。
9.1不平衡力
每个网格顶点最多由八个区域包围，这些区域对网格顶点施加力。在平衡状态，这些力的代数和几乎为零（也就是说，网格顶点一边的力几乎与另一边的力平衡）。如果不平衡力接近一个非零恒定值，那么这表示模型失败或进入了流变状态。在计算过程中，最大不平衡力由所有的网格决定，在显示屏上可以不断看到这个理。也可以把它保存为一个记录，并在图表里看到。对于评估模型的状态，不平衡力是很重要的，但是它的量级要与网格内典型的内力量级作比较。也就是说，有必要知道是什么产生了这个“小”力。网格顶点的典型内力可以根据增加与力垂直方向的应力来找到，要取网格重要区域内的典型值。
用最大不平衡力与典型内力的比值表示R，表示为百分数，R的值从不会减小到零。但是，根据要求的精确度，1%或0.1%都可能被认为是达到了平衡（例如，在顺序执行的中间阶段可能R = 1%是足够好的，但是在做报告或论文时最终应力或位移分配可能要用R = 0.1% ）。注意R值小只表示所有网格顶点的力都平衡。但是可能会发生没有加速度的流变。为了区分流变和“真实”平衡，可能要检查另外的指示器，如下面所述。
9.2网格顶点的速度
评定网格的速度有两种方法，一是绘制整个区域的速度图（用PLOT vel 命令），一是选择网格中的一些关键点并记录它们的速度(HIS gp xvel, yvel或zvel)。两种绘图方法都有用。在最后阶段如果速度记录显示为水平线，那么表明达到了稳定状态。如果它们都收敛于趋近零（于它们的初始值相比），那么已经达到了绝对的平衡；如果有记录收敛于趋近零的值，那么与记录相应的网格顶点进入了流动状态。如果一个或多个速度记录图显示上下波动，那么系统可能出现了瞬时现象。注意速度由许多位移单元除以时步表示。速度向量图却很难说明，因为速度的大小和图样都很重要。只要网格顶点受力，速度就决不会减小到零。速度的大小应该与通过执行很多时步（如1000步）生成的位移有关。举例，如果体系的当前位移是1 cm ，且速度图中的最大速度是10−8 m/时步 ，那么1000时步会产生一个10−5 m, 或 10−3 cm 的位移增量，即当前位移的0.1%。这种情况下，即使速度在一个方向看起来是“平滑的”，那么也可以说体系是平衡的。更多的情况是，速度向量的方向很随意，（或几乎随意），大小可能很随意，（或几乎随意）。当网格顶点力的改变小于计算机的精度——小数点后六位时，会发生上面那种情况。一个低振幅的速度场是没有流变的平衡状态的可靠的指示器。
如果速度场的向量是一致的（也就是说，有一个系统的样式），且大小很大（使用前面所述的准则），那么体系家发生了流动或还在发生弹性变化（例如，发生了弹性阻尼振动）。为了确认流变是否在继续，应该检查一个塑性指示器图，如下所述。不管怎样，如果有弹性振动，那么就应观察速度大小，以显示这些运动是不是重要。可能会看到表面上看起来有意义的模式，但如果振幅比较低，那么运动没有物理意义。
9.3塑性指示器
对于FLAC3D 中的塑性模型，可用PLOT block state 命令显示塑性区，在塑性区内应力超过了屈服强度。这个指示器表示发生了流变，但是也可能一个单元只是“坐在”区域表面，而没有发生大的流变。为了看是否产生了机构，观察塑性指示器的整个模式很重要。
从塑性状态图可看出两种类型的破坏机制：剪切破坏和拉伸破坏——在图上用不同的颜色给于表示。塑性状态图可以显示的状态有：（1）某一区域内的应力进入屈服状态（如某区域正处于破坏阶段时用-n表示）；（2）某一区域内的应力在模型运行过程中进入过屈服状态，但现在已经退出了屈服状态，用-p表示。（3）某一区域在开始阶段出现塑性流动，后来由于应力重分布这一区域卸载而退出塑性状态，用shear-p 或 tension-p表示。
如果有很接近动态的塑性域（由剪力-n或拉力-n表示）的一条线连接两个面，那么表示失败机制起作用了。如果速度图上出现了与该机制相应的运动，那么可以肯定判断是正确的。
如果在塑性区和边界间没有接近线或小的区域，那么应该在执行，比如说，500时步前后比较两种模式。动态的屈服区域是增加了还是减少了？如果是减少了，那么体系可能正向平衡发展；如果是增加了，那么可能要发生最后的破坏。
对于普遍存在的铰模型，在塑性图上，用u:剪力表示铰平面的破坏，用u:拉力表示铰平面的拉伸破坏。
如果可以判断还将继续发生流变，那么还有一个问题——动态的流变带包括邻近的人造边界吗？术语“人工边界”是指这样一个边界，不对应实体，而只是用来限制网格的尺寸（见3.4节）。如果沿着这样的边界发生流变那么求解是不现实的，因为不存在的实体会影响失败机制。这个结论只适用于最终稳定状态的求解；中间阶段沿着边界可能发生流变。
9.4记录
在任何问题中，都有一些很重要的变量——例如在一个问题中位移很重要，而在另一个问题中应力却是重点。通过使用HIST命令在重要区域内自由使用这些重要变量。在执行了一些时步后，绘制出这些记录可以发现体系都发生了什么变化。
岩土工程软件FLAC3D的基本知识介绍
岩土工程结构的数值解是建立在满足基本方程（平衡方程、几何方程、本构方程）和边界条件下推导的。由于基本方程和边界条件多以微分方程的形式出现，因此，将基本方程近假发改用差分方程（代数方程）表示，把求解微分方程的问题改换成求解代数方程的问题，这就是所谓的差分法。差分法由来已久，但差分法需要求解高阶代数方程组，只有在计算机的出现，才使该法得以实施和发展。
一、FLAC3D简介
FLAC3D（Fast Lagrangian Analysis of Continua）由美国Itasca公司开发的。目前，FLAC有二维和三维计算程序两个版本，二维计算程序V3.0以前的为DOS版本，V2.5版本仅仅能够使用计算机的基本内存（64K），所以，程序求解的最大结点数仅限于2000个以内。1995年，FLAC2D已升级为V3.3的版本，其程序能够使用护展内存。因此，大大发护展了计算规模。FLAC3D是一个三维有限差分程序，目前已发展到V2.1版本。
FLAC3D的输入和一般的数值分析程序不同，它可以用交互的方式，从键盘输入各种命令，也可以写成命令（集）文件，类似于批处理，由文件来驱动。因此，采用FLAC程序进行计算，必须了解各种命令关键词的功能，然后，按照计算顺序，将命令按先后，依次排列，形成可以完成一定计算任务的命令文件。
FLAC3D是二维的有限差分程序FLAC2D的护展，能够进行土 质、岩石和其它材料的三维结构受力特性模拟和塑性流动分析。调整三维网格中的多面体单元来拟合实际的结构。单元材料可采用线性或非线性本构模型，在外力作用下，当材料发生屈服流动后，网格能够相应发变形和移动（大变形模式）。FLAC3D采用的显式拉格朗日算法和混合-离散分区技术能够非常准确发模拟材料的塑性破坏和流动。由于无须形成刚度矩阵，因此，基于较小内存空间就能够求解大范围的三维问题。FLAC3D采用ANSI C++语言编写的。
二、优缺点
FLAC3D有以下几个优点：
1 对模拟塑性破坏和塑性流动采用的是“混合离散法“。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。
2 即使模拟的系统是静态的，仍采用了动态运动方程，这使得FLAC3D在模拟物理上的不稳定过程不存在数值上的障碍。
3 采用了一个“显式解“方案。因此，显式解方案对非线性的应力-应变关系的求解所花费的时间，几互与线性本构关系相同，而隐式求解方案将会花费较长的时间求解非线性问题。面且，它没有必要存储刚度矩阵，这就意味着采用中等容量的内存可以求解多单元结构；模拟大变形问题几互并不比小变形问题多消耗更多的计算时间，因为没有任何刚度矩阵要被修改。
FLAC3D的不足之处
1 对于线性问题的求解，FLAC3D比有限元程序运行得要慢；因此，当进行大变形非线性问题或模拟实际可能出现不稳定问题时，FLAC3D是最有效的工具。
2 用FLAC3D求解时间取决于最长的自然周期和最短的自然周期之比。但某些问题对模型是无效的。
三、本构模型
FLAC3D中包括10种材料模型：
1. 开挖模型null
2. 3个弹性模型（各向同性，横观各向同性和正交各向同性弹性模型）
3. 6个塑性模型（Drucker-Prager模型、Morh-Coulomb模型、应变硬化/软化模型、遍布节理模型、双线性应变硬化/软化遍布节理模型和修正的剑桥模型）。
四、单元与网格生成
Flac3D网格中的每个区域可以给以不同的材料模型，并且还允许指定材料参数的统计分布和变化梯度。而且，还包含了节理单元，也称为界面单元，能够模拟两种或多种材料界面不同材料性质的间断特性。节理允许发生滑动或分离，因此可以用来模拟岩体中的断层、节理或摩擦边界。
FLAC3D中的网格生成器gen，通过匹配、连接由网格生成器生成局部网格，能够方便地生成所需要的三维结构网格。还可以自动产生交叉结构网格（比如说相交的巷道），三维网格由整体坐标系x,y,z系统所确定，不同于FLAC程序是由行列方式确定。这就提供了比较灵活的产生和定义三维空间参数。
五、边界条件和初始条件：
定义方式与FLAC相同。在边界区域可以指定速度（位移）边界条件或应力（力）边界条件。也可以给出初始应力条件，包括重力荷载以及地下水位线。所有的条件都充许指定变化梯度。
FLAC3D还包含了模拟区域地下水流动、孔隙水压力的扩散以及可形的多孔隙固体和在孔隙内粘性流动流体的相互耦合。流体被认为是服从各向同性的达西定律。流体和孔隙固体中的颗粒是可变形的，将稳态流处理为紊态流可以模拟非稳态流。同时能够考虑固定的孔隙压力和常流的边界条件，也能模拟源和井。流体模型可以与结构的力学分析独立进行。
六、计算步骤
与大多数程序采用数据输入方式不同，FLAC采用的是命令驱动方式。命令字控制着程序的运行。在必要时，尤其是绘图，还可以启动FLAc用户交互式图形界面。为了建立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，类似于FLAC的显式有限差分程序的问题求解。与传统的隐式求解程序不同，FLAC采用一种显式的时间步来求解代数方程。进行一系列计算步后达到问题的解。
在FLAC中，达到问题所需的计算步能够通过程序或用户加以控制，但是，用户必须确定计算步是否已经达到问题的最终的解。
END：Summary of New Features in FLAC3D Version 2.1：
1. New fluid-flow logic with phreatic surface calculation
2. Addition of double-yield constitutive model for volumetric yielding
3. User-defined constitutive models in C++, loaded at run-time
4. Conversion to Visual C++ compiler
5. Linking FLAC3D to other Itasca codes via TCP/IP connection
6. New printing/output facilities (BMP, JPEG, DXF, PCX)
7. New SOLVE FOS command automatically performs factor-of-safety calculations for slopes and similar problems
8. Modification to Finn model for dynamic pore pressure generation
9. Implementation of Von Neumann and Landshoff artificial viscosity terms
10. Addition of liner and geogrid structural elements
11. Improvement of calculation for stress resultants in Structural Elements upgrade to facilitate use of structural elements, including additional example applications in manual
12. Extension to pile elements to simulate effect of rockbolt reinforcement
13. Additional FISH functions to assist access to FLAC3D variables
14. Revised and expanded user's manual with several new examples and verification problems
15. New creep models:Burger viscoelastic and viscoplastic models and power-law viscoplastic model
[ 本帖最后由 benjackxu 于 2007-9-8 12:53 编辑 ] |
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发表于 2005-11-9 14:43:02
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