1、主講：王金安主講：王金安 教授教授提提 綱綱一FLAC3D軟件簡介二FLAC3D應用實例三FLAC3D軟件應用四FLAC3D模擬技巧1FLAC3D軟件簡介1. FLAC3DFast Lagrangian Analysis of Continua in 3Dimensions2. FLAC3D建立在拉格朗日算法基礎上，采用有限差分顯式算法來獲得模型全部運動方程(包括內變量)的時間步長解，從而可以追蹤材料的漸進破壞和垮落，這對研究巖土工程設計是非常重要的。3. FLAC3D適用模擬計算巖土材料力學行為，特別適合模擬大變形和扭曲，包括材料的高度非線性(應變硬化/軟化)、不可逆剪切破壞和壓密、粘彈(蠕

2、變)、孔隙介質的應力滲流耦合、熱力耦合以及動力學問題等。1. 采用“混合離散法”用以精確模擬塑性坍塌和塑性流動。這種方法比有限元法中采用的漸進迭代更為有效。2. 采用全動力運動方程，即時對于靜力問題也是如此。這使得FLAC3D能夠沒有任何障礙地模擬物理不穩定性問題。3. 采用顯示求解方式（與常用的隱式方法比較）。顯示方法在求解非線性問題的（應力應變關系）時間幾乎等同于線性關系問題，而隱式算法可能花費很長時間，因為它并不需要儲存任何矩陣，因此，不需要修改剛度矩陣，這就意味著：（a）具有中等內存的計算機能夠采用較多的計算單元模擬；（b）模擬大應變問題比小應變問題幾乎不多花計算時間。1FLAC3D軟

3、件簡介02220032xfhxfhff02220012xfhxfhffhffxf231020310222hfffxfhffyf242020420222hfffyfxyh0123456789101112h1.1、有限差分法1.2、FLAC3D的求解過程平衡方程(動量方程)應力應變關系(本構模型)Gauss定律單元積分應變率速度節點力新的應力對所有的網格節點對所有單元teGeGKijkkijijij2)32(:.ijijigxdtud1.3、FLAC3D本構模型1. 開挖模型null 2. 3個彈性模型a.各向同性彈性b.橫觀各向同性彈性c.正交各向同性彈性 3. 8個塑性模型a.Drucker-

4、Prager模型b.雙線性應變硬化/軟化遍布節理模型c.Morh-Coulomb模型d.應變硬化/軟化模型e.遍布節理模型f.修正劍橋模型和胡克布朗模型模模 型型代表性材料代表性材料可能應用范疇可能應用范疇開挖模型開挖模型空區空區孔、開挖體、嗣后充填體孔、開挖體、嗣后充填體彈性模型彈性模型均質、各向同性、連續介質均質、各向同性、連續介質線性應力應變關系線性應力應變關系制造材料（如鋼）；加載低于極限強度；制造材料（如鋼）；加載低于極限強度；安全系數計算安全系數計算正交各向同性彈性模型正交各向同性彈性模型具有具有3個相互正交軸方向上個相互正交軸方向上彈性介質彈性介質加載低于強度極限下的加載低于強度

5、極限下的柱狀玄武巖柱狀玄武巖橫觀各向同性彈性模型橫觀各向同性彈性模型顯現為各向異性彈性顯現為各向異性彈性薄層疊合結構材料薄層疊合結構材料加載低于極限強度的加載低于極限強度的層狀結構體層狀結構體德魯克普拉格模型德魯克普拉格模型限制應用的材料：限制應用的材料：具有低摩擦角的軟土介質具有低摩擦角的軟土介質同隱式有限元程序通用的模型同隱式有限元程序通用的模型摩爾庫侖塑性模型摩爾庫侖塑性模型松散和粘結的顆粒材料；松散和粘結的顆粒材料；土質、巖石和混凝土土質、巖石和混凝土一般巖土力學一般巖土力學（如邊坡穩定性和地下開挖）（如邊坡穩定性和地下開挖）應變硬化應變硬化/軟化摩爾庫侖模型軟化摩爾庫侖模型應變硬化或

6、軟化的非線性應變硬化或軟化的非線性顆粒介質顆粒介質研究峰后破壞特性研究峰后破壞特性（如漸進蹋落、礦柱屈服、冒落）（如漸進蹋落、礦柱屈服、冒落）遍布節理模型遍布節理模型顯現為強度各向異性的顯現為強度各向異性的薄層疊合結構材料薄層疊合結構材料在密集層理地層中的開挖在密集層理地層中的開挖雙線性應變雙線性應變硬化硬化/軟化遍布節理模型軟化遍布節理模型表現為非線性硬化或軟化的表現為非線性硬化或軟化的層狀材料層狀材料研究層狀材料的峰后破壞特性研究層狀材料的峰后破壞特性修正的修正的Cam粘土模型粘土模型變形和剪切強度是體積變量函數變形和剪切強度是體積變量函數的材料的材料土體介質中的巖土結構土體介質中的巖土結

7、構1.3、FLAC3D本構模型1. 梁(beam)單元2. 錨索(cable)單元3. 樁(pile)單元4. 殼(shell)單元5. 格柵(geogrid)單元土工織物；土工格柵6. 襯砌(liner)單元beamcableshellgeogridlinerpile結構單元類型1.4、FLAC3D結構單元1. 三角形單元(無厚度!)2. 三種工作模式a.粘結界面b.粘接滑移c.庫倫滑動接觸單元原理1.5FLAC3D接觸單元命令欄1.6、FLAC3D界面介紹1.6、FLAC3D界面介紹圖形顯示窗口提提 綱綱一FLAC3D軟件簡介二FLAC3D應用實例三FLAC3D軟件應用四FLAC3D模擬技

8、巧 2.1、老虎臺礦開采誘發礦震的力學機理分析F25F26F1F7-1F7-1F18地質條件 E5200剖面圖老虎臺礦開采歷史老虎臺礦自老虎臺礦自19071907年年開始開采，至今已有近百年的開采歷史。開始開采，至今已有近百年的開采歷史。 1988年1月至2000年5月，隨著老虎臺礦開采深度增大和向斷裂構造逼近，礦震頻率和震級都呈上升趨勢，平均每月發生礦震52.2次，遠遠超出了撫順地區天然地震的數量，最大震級達到3.6ML。礦礦震震震震級級 (ML) 1 1.5 1.6 2.0 2.1 2.5 2.6 3.0 3.1 3.6 合合計計 礦礦震震數數目目 (次次) 5721 1675 298 6

9、3 19 7776 礦震事件統計礦震事件統計礦震震級、頻度與時間特征計算模型F7-1F18F1F16F1-AF25F263800m3000m1100mxyz1999-2000E5200E600019922000破壞場發展趨勢破壞場發展趨勢E5200E60001999-20001999-2000近斷層巖體的動力學響應(1992-2000)00.10.20.30.40.50.60.70.80.97.88.08.28.48.68.89.09.29.49.6StepShear Disp., mm78001-1F25斷層露頭斷層露頭(1992-2000)00.511.522.537.88.08.28.4

10、8.68.89.09.29.49.6StepShear Disp., mm78001-1F25斷層斷層-200m（井田西部）（井田西部） (1992-2000)051015207.88.08.28.48.68.89.09.29.49.6StepShear Disp., mm78001-1(1992-2000)0510152025307.88.08.28.48.68.89.09.29.49.6 StepShear Disp., mm78001-1F25斷層斷層-400mF25斷層斷層煤層煤層（-595m）（井田西部）（井田西部） 近斷層巖體的動力學響應2.2 程潮鐵礦主溜井特大塌方治理 N 24

11、 m 措施井 1# 主 溜 井 2# 主 溜 井 西風井 1#、2#主溜井的布置圖主溜井的布置圖 “托斗法”法方案主視圖“托斗法”方案局部剖視圖 加固前后主溜井圍巖位移矢量場加固前加固前加固后加固后卸礦水平剖面加固前加固前加固后加固后加固前后主溜井圍巖位移矢量場卸礦井筒剖面2.3 鶴壁四礦村莊下厚煤層特殊開采剖面圖楊呂寨750m2000m280m700m420mF7430m706m300m4F2044F2064F1055163.55154中央條帶兩翼長壁開采方案80m150m150m三維計算模型圖中央條帶兩翼長壁工作面開采后地表下沉0200400600800100012001400 x(m)0

12、20040060080010001200140016001800y(m)-7000-6500-6000-5500-5000-4500-4000-3500-3000-2500-2000-1500-1000-5000W(max) = -6507.68(mm)mm中央條帶兩翼長壁工作面開采后地表水平變形200400600800100012001400 x(m)2004006008001000120014001600y(m)-12-10-8-6-4-20246810Ex = (-11.8236,11.3979)(mm/m)mm/m(a) X-方向方向200400600800100012001400 x

13、(m)2004006008001000120014001600y(m)-14.0-12.0-10.0-8.0-6.0-4.0-2.00.02.04.06.08.010.012.0Ey =(-12.8346,12.839) (mm/m)mm/m(b) Y-方向方向2.4 綜放采場圍巖應力分布與穩定性研究三 維 模 型走向剖面傾向剖面模型剖面圖綜放工作面煤層內垂直應力分布三維視圖 沿煤層走向綜放工作面中部圍巖主應力場采空區采空區老頂巖層老頂巖層140.8m沿煤層傾斜剖面工作面前方150m圍巖主應力場 沿煤層傾斜剖面工作面前方15m圍巖主應力場沿煤層傾斜剖面工作面處圍巖主應力場 沿煤層傾斜剖面工作面

14、后方200m圍巖主應力場沈陽地鐵一號線線路圖 2.5沈陽地鐵沈陽站施工力學行為分析沈陽站地表建筑圖 沈陽站剖切模型圖 地下結構模型圖 Z向位移X向位移Y向位移開挖后地表土體位移分析 基坑開挖后圍護結構分析 主應力矢量圖圍護結構水平位移圖提提 綱綱一FLAC3D軟件簡介二FLAC3D應用實例三FLAC3D軟件應用四FLAC3D模擬技巧3.1、建模與模擬過程1.根據研究目的對實際模型進行構思與概化，計算模型所涉及的復雜程度取決于研究目的。2.根據工程影響區域確定計算模型的尺寸, 單元類型的確定、網格劃分，形成計算網格。3.安排工程對象（開挖、支護等）。4.輸入力學參數 。5.確定邊界條件 。6.進

15、行模擬計算。7.結果分析 ?；静襟E單元單元節節 點點結構單元結構單元水平應力水平應力邊界邊界內部邊界內部邊界水平應水平應力邊界力邊界模型邊界模型邊界位移邊界位移邊界3.2 、FLAC3D基本稱謂FLAC3D 3.00Itasca Consulting Group, Inc.Minneapolis, MN USASettings: Model Perspective08:46:55 Sat Jul 29 2006Center: X: 2.000e+000 Y: 2.000e+000 Z: 2.000e+000Rotation: X: 25.000 Y: 0.000 Z: 40.000Dist:

16、 1.486e+001Mag.: 0.64Ang.: 22.500Block Group64136360429629595645203256158366155552194125221355757185415113751345317175350503333494949NoneAxes LinestyleXYZFLAC3D 3.00Itasca Consulting Group, Inc.Minneapolis, MN USASettings: Model Perspective08:47:50 Sat Jul 29 2006Center: X: 2.000e+000 Y: 2.000e+000

17、Z: 2.000e+000Rotation: X: 25.000 Y: 0.000 Z: 40.000Dist: 1.486e+001Mag.: 0.64Ang.: 22.500Block Group11912412512031414333118123124119114119120115131519173343716611712212311821313323113118119114108114115110667196911557591991115132333666111612112211711211711811357828459919612111610611311410832123610710

18、8110109115557156166918627119821071098462361525580825711111611711286911161117535511104112113106136410510610810714725261867780105107825378805510211111210446525145153777861111021031041061057810310580515277765176785310110210410376771021017610110378NoneAxes LinestyleXYZ3.3 、FLAC3D節點與單元編號節點單元3.3、基本單元生成基本單

19、元基本單元Gen zone brick p0 p1 p2 p3 p4 p5 p6 p7 size n1 n2 n3 & ratio r1 r2 r3 group name命令 p0 p1 p2 p3 p4 p5 p6 p7為各節點空間坐標n1 n2 n3為沿x,y,z方向單元數r1 r2 r3為沿x,y,z方向單元大小的比值group 后為自定義組名注釋 3.3、基本單元生成p0p2p3p1r3n3gen zone brick p0 0 0 0 p1 20 0 0 p2 0 10 0 p3 0 0 10 & size 10 5 5 ratio 0.8 0.8 0.8 group name例 3

20、.3、基本單元生成3.3、基本單元生成weduwedgen zone wed p0 0 0 0 p1 10 0 0 p2 0 10 0 p3 0 0 10 size 8 6 8 & ratio 1.2 1 0.83 group namegen zone uwed p0 0 0 0 p1 10 0 0 p2 0 10 0 p3 0 0 10 size 8 6 8 & ratio 1.2 1 0.83 group nameweduwed例 Gen zone wed p0 p1 p2 p3 p4 p5 size n1 n2 n3 ratio r1 r2 r3 group nameGen zone u

21、wed p0 p1 p2 p3 p4 p5 size n1 n2 n3 ratio r1 r2 r3 group name命令 3.3、基本單元生成3.4、特殊單元生成例 gen zone cylinder p0 p1 p2 p3 p4 p5 size n1 n2 n3 ratio r1 r2 r3 group namegen zone cshell p0 p1 p2 p3 p4 p5 dim d1 d2 d3 d4 size n1 n2 n3 n4 & ratio r1 r2 r3 r4 group name1 fill group name2命令 gen zone cylinder p0

22、0 0 0 p1 10 0 0 p2 0 10 0 p3 0 0 10 size 6 7 8 group 1gen zone cshell p0 0 0 0 p1 10 0 0 p2 0 10 0 p3 0 0 10 dim 5 5 5 5 size 6 7 8 group 1gen zone cshell p0 0 0 0 p1 10 0 0 p2 0 10 0 p3 0 0 10 dim 5 5 5 5 size 6 7 8 3 group 1 fill group 23.4、特殊單元生成3.4、特殊單元生成例 gen zone radcylinder p0 p1 p2 p3 p4 p5

23、p6 p7 dim d1 d2 d3 d4 size n1 n2 n3 n4 ratio r1 r2 r3 r4 group name1 fill group name2gen zone radtunnel p0 p1 p2 p3 p4 p5 dim d1 d2 d3 d4 size n1 n2 n3 n4 & ratio r1 r2 r3 r4 group name1 fill group name2命令 gen zone radcylinder p0 0 0 0 p1 10 0 0 p2 0 10 0 p3 0 0 10 dim 5 5 5 5 & size 6 7 6 5 group 1

24、 gen zone radtunnel p0 0 0 0 p1 10 0 0 p2 0 10 0 p3 0 0 10 dim 5 5 5 5 & size 6 7 6 5 group 1gen zone radcylinder p0 0 0 0 p1 10 0 0 p2 0 10 0 p3 0 0 10 dim 5 5 5 5 & size 6 7 6 5 group 1 fill group 23.4、特殊單元生成3.4、特殊單元生成gen zone cylint p0 p1 p2 p3 p4 p5 dim d1 d2 d3 d4 d5 d6 d7 size n1 n2 n3 & n4 n5

25、 ratio r1 r2 r3 r4 r5 group name1 fill group name2gen zone tunint p0 p1 p2 p3 p4 p5 dim d1 d2 d3 d4 d5 d6 d7 size n1 n2 n3 & n4 n5 ratio r1 r2 r3 r4 r5 group name1 fill group name2命令 例 gen zone cylint p0 0 0 0 p1 10 0 0 p2 0 10 0 p3 0 0 10 dim 3 3 3 3 3 3 3 & size 6 7 6 5 2 group 1 gen zone tunint p

26、0 0 0 0 p1 10 0 0 p2 0 10 0 p3 0 0 10 dim 3 3 3 3 3 3 3 & size 6 7 6 5 5 group 1gen zone cylint p0 0 0 0 p1 10 0 0 p2 0 10 0 p3 0 0 10 dim 3 3 3 3 3 3 3 & size 6 7 6 5 2 group 1 fill group 23.4、特殊單元生成gen zone reflect normal xv yv zv origin x y z range命令命令 例 gen zone cshell p0 0 0 0 p1 10 0 0 p2 0 20

27、 0 p3 0 0 10 dim 5 5 5 5 & size 6 7 8 group 1gen zone reflect nor -1 0 0 ori 0 0 0 gen zone reflect nor 0 0 -1 ori 0 0 0 注釋注釋 1. xv yv zv分別為鏡像面法向量沿各坐標軸分量2. x y z為鏡像面上任意一點空間坐標3.4、特殊單元生成其他特殊單元3.4、特殊單元生成3.4、特殊單元生成3.4、特殊單元生成3.4、特殊單元生成3.4、特殊單元生成3.4、特殊單元生成3.4、特殊單元生成3.4、特殊單元生成3.4、特殊單元生成3.4、特殊單元生成3.5賦單元材料性質

28、 在FLAC3D 中，除了橫觀各向同性彈性和正交各向同性彈性模型外，采用了體積模量K和剪切模量G作為計算參數,而不是楊氏模量E和泊松比。K K轉換關系 當V0.5時，上式計算的K值變為無窮大，導致解的收斂速度非常慢，所以使用時注意。)21 ( 3EK)1 (2EGmod e (彈性)prop bu 12.5 sh 5.77 range ini density 2400e-6 rangemod m （彈塑性Mohr-Coulumb準則）prop bu 12.5 sh 5.77 c 0 fri 20 ten 0.015 rangeini density 1800e-6 rangemod ss （應

29、變軟化模型）Prop bulk 710 shear 310 coh 2.44 fric 25 dil=10 ten 1.06 ct 4 ft 2 dt 3 ct 1 ft 2 dt 3 tt 4 rangetab 1 0.0,2.44 1e-8,0.48 tab 2 0.0,25 1e-8,12 tab 3 0.0,10 1e-8,2.0 tab 4 0.0,1.06 1e-8,0.32ini density 1400e-6 rangerange 后為賦值范圍,缺省值時為整個模型3.5賦單元材料性質density 重度 bulk 體積模量shear 剪切模量cohesion 粘聚力fricti

30、on 摩擦角ctable 涉及凝聚力c 與塑性剪切應變的表號dilation 剪脹角dtable 涉及剪脹交與塑性剪切應變的表號ftable 涉及摩擦角與塑性剪切應變的表號tension 抗拉強度ttable 涉及極限張拉強度與塑性剪切應變的表號3.5賦單元材料性質S I長度mmmcm密度Kg/m310 3Kg/m310 6Kg/m310 6Kg/m3力NKNMN達因(Mdynes)應力PaKPaMPa巴(bar)重力m/sec2m/sec2m/sec2m/sec2S I水體積模量Pa巴(bar)水密度Kg/m310 6g/m3滲透率m3sec/Kg106cm sec/g樣本滲透率m2cm2水

31、力傳導率m/seccm/sec注：1bar=106dynes/cm2=105N/m2=105Pa注意：在FLAC 3D中滲透率 樣本滲透率（cm2）9.9102 水力傳導率（cm/sec）1.02106 系統單位力學參數系統單位力學參數系統單位滲透參數系統單位滲透參數注意單位一致性巖土工程常用單位3.5賦單元材料性質固定邊界命令 fix x range x a-0.1 a+0.1fix x range x b-0.1 b+0.1fix y range y c-0.1 c+0.1 fix y range y d-0.1 d+0.1fix z range z e-0.1 e+0.1（a,c. e）

32、（b,c, e）XYZ注釋： 1.上語句中，上語句中，0.1可根據單元可根據單元大小自動設置大小自動設置2.a,b,c,d,e為模型各邊界節點為模型各邊界節點坐標值坐標值（b,d, e）3.6邊界條件apply yf -10 range或 apply syy -10 rangeapply xf -5 range或 apply sxx -5 rangeini sxx -10 rangeini syy -5 range1. apply yf用于集中力用于集中力2. apply SYY用于面力，如均布荷載用于面力，如均布荷載3. ini Sxx用于體力，如地應力的施加用于體力，如地應力的施加4. r

33、ange 后為賦值范圍后為賦值范圍,缺省值時為整個缺省值時為整個模型模型施加邊界力 (結點)賦單元應力 (結點)注釋3.6邊界條件Gen merge valueAttach face an valueAttach face tol valueGeom_testSet grav 9.81Set largeStep nSave name.sav3.7計算粘結相鄰節點粘合相鄰角度小于value的面粘合相鄰距離小于value的面單元測試設置重力加速度啟用大變形模式設置運行步數存盤3.8結果顯示命令Plot show ;進入圖形窗口plot create szz_contourplot set cent

34、 4 4 5plot set rot 20 0 30plot set mag 1.0Plot add cont szzsyysxxsxysminsmaxPlot add block szzsyysxxsxysminsmaxPlot add block statePlot add axesctrl+c 設置窗口消息ctrl+g 在灰色與彩色之間轉換ctrl+r 恢復到窗口默認狀態ctrl+z 用矩形窗口欄選shift+m模型縮小 m模型增大 方向鍵使模型向其方向移動命令快捷鍵3.8結果顯示菜單gen zon bri size 3 3 3 ;建立網格model elas ;材料參數prop bul

35、k 3e8 shear 1e8ini dens 2000 ;初始條件fix z ran z -.1 .1 ;邊界條件fix x ran x -.1 .1fix x ran x 2.9 3.1fix y ran y -.1 .1fix y ran y 2.9 3.1set grav 0 0 -10 solve ;求解app nstr -10e4 ran z 3 x 1 2 y 1 2solveplot cont szz簡單應用 13.9簡單應用簡單應用 23.9簡單應用gen zone radcylinder size 25 1 25 25gen zone reflect normal -1 0

36、 0gen zone reflect normal 0 0 -1gen merge 1e-5model mohrprop dens=1000 bu=1e8 sh=7e7 fric 25 coh 3.5e4 tens 1e10fix yfix x range x -24.9 -25.1fix x range x 24.9 25.1fix z range z -24.9 -25.1set grav 10ini szz -1e6 grad 0 0 1e6ini sxx -0.5e6 grad 0 0.5e6 0ini syy -0.5e6 grad 0 0.5e6 0plot add contour

37、 zdispsolve ratio 2e-3建立1/4模型沿x軸鏡像沿z軸鏡像粘合節點賦予本構模型賦材料參數固定邊界固定邊界固定邊界固定邊界設置重力加速度賦初始應力賦初始應力賦初始應力顯示設置運算3.9簡單應用3.9簡單應用3.9簡單應用功功 能能 COMMAND產生網格產生網格 GEN材料模型和參數材料模型和參數 MODEL PROPERTY邊界條件邊界條件/初始條件初始條件 APPLY FIX INITIAL SET gravity初始平衡初始平衡 STEP SOLVE開挖或變化分析開挖或變化分析 MODEL PROPERTY APPLY FIX FREE SET cable保存保存/恢復

38、求解后的狀態恢復求解后的狀態 SAVE RESTORE3.10小結提提 綱綱一FLAC3D軟件簡介二FLAC3D應用實例三FLAC3D軟件應用四FLAC3D模擬技巧1. 模型尺寸2. 模型單元數與計算機配置，運行時間的關系。 FLAC3D運行時間正比于 ，N為單元數3. 建模時命令gen zone reflect /copy的應用4. gen merge value命令中value值大小，小粘結功能失效，大則網格嵌入5. 合理選擇本構模型與材料參數6. 模型開挖時mode null與dele選擇4.1模型建立與開挖34N1. 關鍵：要形成同一位置形成兩個節點(面)2. 步驟： 建兩個分開的模型

39、 建立接觸單元 通過INI * add使模型接觸 注意dist的含義接觸面dist斷層建立步驟4.2模擬斷層gen zone brick size 3 3 3 & p0 (0,0,0) p1 (3,0,0) p2 (0,3,0) p3 (0,0,1.5) & p4 (3,3,0) p5 (0,3,1.5) p6 (3,0,4.5) p7 (3,3,4.5)group Basegen zone brick size 3 3 3 & p0 (0,0,1.5) p1 (3,0,4.5) p2 (0,3,1.5) p3 (0,0,6) & p4 (3,3,4.5) p5 (0,3,6) p6 (3,0,6) p7 (3,3,6