顆粒流方法及PFC程序介紹轉載請注明來自趣滿網顆粒流屬于不連續介質力學的一種方法，這里的“顆粒”并不直接與介質中是否存在顆粒狀物質有關，只是用來描述介質特性的一種方式。比如，PFC既可以用來描述具有顆粒物質的粗粒花崗巖一類的介質，也可以用來研究非晶質材料的特性。顆粒流模型主要反映了顆粒集合體的力學行為，在顆粒流模型內，離散的顆粒認為是剛性的，顆粒之間的接觸方式和力學特征可以不同，但符合基本的牛頓運動定律，即當顆粒間的靜力平衡被破壞時，顆粒產生運動。顆粒間的接觸方式和接觸強度是最關鍵的一個環節，決定了顆粒集合體即介質的基本力學特性，以及具體的承受張、剪、壓力和保持靜力平衡的基本能力。顆粒集合體的各種復雜力學特性，比如其非線性特征和破壞特征，都是通過顆粒間的基本狀態體現出來的。顆粒間的接觸出現破壞，標志著顆粒集合體由線性到非線性力學特征的開始。因此，在利用顆粒流方法求解有關問題時，不需要定義介質的本構關系，介質在復雜應力狀態下的應力-應變關系，將由其內部顆粒間接觸變化（如裂紋擴展）的情況所決定。顆粒間的接觸關系可以處理成非黏結和黏結兩種方式，當黏結強度達到一定程度時，黏結介質對顆粒集合體基本特性的影響所起的作用就開始起到重要作用，這也是顆粒流所研究的對象不局限于顆粒狀介質的一個基本原因。ITASCA公司開發的PFC系列軟件，作為離散元理論的軟件方法，同樣具有以下2個最基本的特征：⑴允許顆粒發生有限位移和轉動，顆粒間可以完全脫離；⑵在計算過程中能夠自動辯識新的接觸。PFC系列軟件的基本思想是采用介質最基本單元一一顆粒和最基本的力學關系一一顆粒間的牛頓第二定律來描述介質的復雜力學行為，因此是一種本質性和根本性的描述。該系列軟件在應用環節的思路和方法，因為其基本思想的不同，很大程度上不同于其他連續和非連續力學理論方法程序。這些差別主要體現在如下幾個方面：（1）模型介質的宏觀基本物理力學特征不可能通過直接賦值的形式實現，只有顆粒的幾何特性和顆粒間接觸的細（微）觀力學參數可以賦值。顆粒的幾何參數包括介質顆粒大小和分布（土體的顆粒級配和巖石的結構），接觸特性包括接觸方式和接觸力學特征（剛度和強度）。介質的總體力學特征取決于顆粒的這些基本特性，改變這些基本特性，就意味著顯著改變了介質的宏觀力學特性。介質的初始條件如地應力場條件會影響介質的結構特征(顆粒集合體的密度)，從而影響其物理力學特性。因此，地應力場條件必須作為模型特性的一個與介質基本物理力學特性相關聯且不是獨立的因素考慮，這與以往的數值計算方法完全不同，也非常自然地描述了應力環境對介質(特別是巖體)基本物理力學特性的影響。由于介質的力學特性取決于介質內部顆粒的結構和接觸特征，因此計算中不需要給介質賦以某種本構關系，模型介質的本構特征將由介質內部顆粒之間狀態特征的變化體現出來，顆粒間接觸的破壞和發展標志著介質整體力學特性由線形向非線性轉化。構建PFC模型和進行相應的運算準備工作，必須使用PFC的二次開發功能，可通過自編程操縱PFC實現上述目的。從這方面講，PFC程序不是一個簡單的巖土工程應用軟件，在某種意義上它可視為一個用戶開發平臺，這樣更能體現PFC程序的特征。也就是說，PFC提供了基本的計算工具，要實現某個特定目的的計算，用戶一般需要利用其接口計算機語言FISH開發完成一些功能程序段并驅動程序。目前，PFC的應用領域涉及巖土、礦山、農業、金屬和核工業等，但其普及程度不高，應用水平還遠沒有達到其功能所能實現的水平，其原因主要包括以下幾個方面：其一是PFC的思路和使用方法在很大程度上不同于一般傳統的數值計算程序，使用難度大；其二是與目前的計算機發展水平相比，PFC在求解復雜工程問題，特別是涉及大范圍的運(流)動破壞的工程問題時，對計算機運算速度的要求很高。構建和運行PFC模型的主要步驟如下：根據工程基本特性確定各主要區域的顆粒參數值，如顆粒的尺寸和顆粒大小的統計分布等，并根據介質的密度大小生成合適數目的顆粒。給顆粒間的接觸賦予摩擦強度參數，在給定邊界條件下運行程序使生成的顆粒在具備摩擦強度的條件下達到平衡，此時顆粒的幾何分布將發生顯著變化。利用同樣的顆粒幾何參數構建簡單的實驗室試樣模型，對這些試樣分別賦予不同的微力學參數進行一系列的數值試驗，從而獲得試樣的宏觀力學參數。對比這些宏觀力學參數與實際工程的相應參數值，選擇對應的顆粒微力學參數作為模型用計算參數，這個過程與地質力學材料模型試驗的前期工作中選擇和配制模型材料的配比非常類似。給構建的模型賦數值試驗獲得的微觀力學參數后，在模型邊界上施加某種給定方式的荷載，此時模型介質的物理性質可能因為應力狀態的變化而變化。通過不斷調整邊界的幾何坐標(位置)及邊界荷載并運行程序，使得模型介質的應力條件符合實際中的初始應