1FLAC 3D基本介绍.doc

基本介绍 概述 FLAC 3D是一个三维显式有限差分程序，主要应用于工程力学计算。程序基于二维FLAC程序中已经建好的数值方程式。FLAC 3D将FLAC的分析能力拓展到三维，用于模拟三维土体、岩体或其他材料的力学特性，尤其是达到屈服极限的塑性流变特性。用户通过调整多面体单元的三维网格结构，来拟合要被建模的物体的实际形状。每个单元体根据既定的线形/非线性的应力/应变规律对相应施加的力和边界约束条件作出响应。并且当材料发生屈服流动后，网格也能够适应变形和移动（大变形模式）。 FLAC 3D采用的显式拉格朗日算法和混合——离散分区技术能够确保材料塑性坍塌破坏和流动过程的精确模拟。由于无须形成刚度矩阵，因此采用较小的计算资源，就能够求解大范围的三维（岩土工程）计算问题。通过自动惯性缩放及自动阻尼，显式方程式的缺点（小时间步限制和阻尼问题）已经被克服，且不会影响到物体的原有破坏行为。FLAC 3D为三维岩土工程问题的解决提供了一个理想的分析工具。 FLAC 3D被设计，专门为了在装有Windows98及更高的版本的操作系统的IBM兼容的微型计算机上操作。在岩土工程方面，实际的三维模型计算可以在合理的时间内被完成。例如，创建一个包含大约140000个单元体的模型需要128M的内存。对于一个有10000个单元体的摩尔——库伦模型，在2.4GHz的奔腾IV微型计算机上，完成5000个计算步需要大概18分钟。对于显式计算求解，到达平衡状态的所需求解计算步数不定，但无论什么类型的模型，这个值都大概会在3000-5000步之内。随着浮点数计算速度的提高，以及以低代价安装附加内存的能力，用FLAC 3D解决更大的三维问题成了可能。 FLAC 3D既可以通过命令行驱动，也可以通过图案菜单驱动。默认的命令驱动模式和Itasca其他的软件产品是一样的。你会发现其中大部分命令都是一样的。在FLAC 3D中，菜单驱动的图形用户界面可用于绘图，显示工作。 随着绘图能力植入FLAC 3D中，高分辨率、彩色的图像能够很快的被创建。我们已经升级了绘图能力，允许用户在模型创建的过程中，即时的观察模型。模型也可以被平移、旋转、缩放。显示向量和等值线的彩色图像能被立体的显示，为了方便观察向量和等值线，二维平面也可以被任意放置。所有的输出都可以被导入到硬盘设备上、剪贴板或文件中。 FLAC 3D提供了一个和FLAC类似的解决问题的能力。与其他数值方法的对比、FLAC 3D3.0版本的特征及更新、应用方面的讨论将在接下来的部分提到，如果你想立即尝试FLAC 3D，在第二章中提供了程序的安装说明和一个简单的教程。 与其他方法的比较 FLAC 3D如何与那些常见的有限单元法相区分呢？对于每个节点上有力及位移效应的单元体来说，这些方法都会将一系列的差分方程变为矩阵方程。FLAC 3D的方程来源于有限差分方法，对于一个弹性体，由此产生的单元矩阵和其他的有限元方法产生的矩阵是完全一样的。然而在以下几方面，FLAC 3D还是不一样的： FLAC 3D采用了混合离散方法来模拟材料的塑性屈服和塑性流动特性，这种方法比有限元方法中通常采用的降阶积分更为合理 FLAC 3D采用动态的运动方程求解，即使问题本质上是静力问题。这使得FLAC 3D能模拟动态问题，如振动、失稳和大变形等。 与通常更多的隐式方法相比，FLAC 3D采用显示求解方法。显式方法按照非线性应力应变规律所需的求解时间是和按线性规律所需的时间是一样的，但是对于非线性问题，隐式求解将花费更多时间，因为显式求解没必要储存任何刚度矩阵。这就意味着：采用中等容量的内存，大量单元体的问题就可以被模拟；其次，一个大变形问题几乎并不比小变形问题消耗更多的计算时间，因为没有任何刚度矩阵要被修改。 许多有限元代码对于不同的本构模型需要不同的解决技术，然后FLAC 3D可以处理任何的本构模型而不用调整解决的算法程序，在这一点上FLAC 3D是非常好的。 但是FLAC 3D也有两个缺陷： 对于线性问题，FLAC 3D要比相应的有限元花费更多的计算时间，因而，FLAC 3D在模拟非线性问题、大变形问题或动态问题时更有效。 FLAC 3D的求解时间取决于系统的最大固有周期与最小固有周期的比值，这使得它对某些问题的模拟效率非常低，单元尺寸或材料弹性模量相差很大的情况；用固体单元呈现而不是用结构单元呈现的梁结构的情况。 功能上常规的部分 基础部分 FLAC 3D有能力去解决一系列复杂的力学问题，尤其是岩土力学方面，类似于FLAC，针对岩土材料的力学响应，FLAC 3D也包含了专门的数值表达形式。在程序中，有12种基本的内嵌的材料模型：空类型，三种弹性模型（各向同性弹性模型、正交各向异性弹性模型、横向同性弹性模型），八种塑性模型（德鲁克—普拉格模型、摩尔—库仑模