FLAC3D基本原理和应用特点第三讲FLAC3D动力分析、自定义本构以及结构单元

FLAC3D基本原理FLAC3D，全称为Fast Lagrangian Analysis of Continua in 3D，是一种强大的三维领域连续介质数值计算软件。

它在计算地下开挖、岩土工程、地震灾害、地下水等领域具有广泛的应用。

FLAC3D的基本原理是使用有限差分法对岩土体进行离散化建模，然后通过求解平衡方程来分析介质的力学和流体特性。

首先，FLAC3D将岩土体或其他连续介质划分为许多网格单元，每个网格单元称为控制体。

然后通过定义每个控制体的初始状态，例如形状、几何特征、材料属性等，来描述问题的初始条件。

在FLAC3D中，力学分析通过求解平衡方程来描述。

平衡方程包括动量平衡方程和能量平衡方程。

动量平衡方程描述了物体的运动规律和受力情况，能量平衡方程描述了物体内部的能量转换和耗散过程。

求解平衡方程需要将控制体离散化为一个个单元，然后对每个单元应用数值方法进行求解。

FLAC3D使用有限差分法进行离散化。

具体来说，FLAC3D使用控制体网格中心点的控制方程和边界条件，通过差分近似的方式将偏导数转化为有限差分方程。

然后，通过迭代求解这些方程来计算出每个网格点的力学和流体特性。

在求解过程中，FLAC3D考虑了岩土体的非线性、弹性、塑性、渗流和破裂等特性。

通过选择适当的材料模型和边界条件，可以模拟不同类型的问题，并获取相关的力学和流体特征。

另外，FLAC3D还提供了丰富的后处理功能，可以对模拟结果进行可视化和分析。

用户可以根据自己的需求选择合适的分析工具，例如生成应力、位移、变形等等的图表或动画，以便更好地理解和评估解决方案。

总的来说，FLAC3D通过离散化建模和求解平衡方程，能够有效地分析岩土体和其他连续介质的力学和流体特性。

其基本原理为了进一步提高模拟效果和准确性，还需要适当地选择模型和参数，以及对结果进行合理的解释和验证。

《FLACFLAC3D基础与工程实例》阅读札记目录一、FLACFLAC3D软件概述 (2)1. 软件背景与简介 (3)1.1 FLACFLAC3D的发展历程 (4)1.2 软件的应用领域及特点 (5)2. 软件安装与运行环境 (6)2.1 系统要求 (7)2.2 安装步骤 (8)2.3 运行环境配置 (10)二、FLACFLAC3D基础知识 (11)1. 基本概念与术语 (13)1.1 有限元分析原理 (14)1.2 离散元法简介 (14)1.3 FLACFLAC3D中的相关术语解释 (15)2. 软件操作界面及功能模块 (17)2.1 操作界面介绍 (18)2.2 主要功能模块说明 (20)2.3 菜单功能详解 (20)三、工程实例分析 (22)1. 地质工程实例 (23)1.1 工程背景及问题定义 (25)1.2 模型建立与参数设置 (26)1.3 结果分析与讨论 (27)2. 土木工程实例 (29)2.1 工程概况与建模目的 (30)2.2 建模过程及计算步骤 (31)2.3 结果展示与工程应用 (32)四、FLACFLAC3D应用技巧与注意事项 (33)1. 建模技巧与优化方法 (34)1.1 建模策略及优化思路 (35)1.2 网格划分与模型简化技巧 (36)1.3 参数设置与模型验证方法 (38)2. 数据分析与处理方法 (40)2.1 数据采集与整理方法 (41)2.2 结果分析与图表展示技巧 (42)一、FLACFLAC3D软件概述3D是一种广泛使用的岩土力学与有限元分析软件。

它是一套专门用来分析连续介质中的物理力学现象的强大工具，主要应用于土木、矿山、隧道等领域，能针对各种复杂的工程问题进行数值建模和模拟分析。

3D以其高效、灵活的数值分析能力，为工程师提供了强大的技术支持。

其主要特点包括：多功能：3D能够模拟多种物理过程，包括应力分析、稳定性分析、流体流动分析等，适用于多种工程场景。

FLAC3D软件原理及特点FLAC3D[1]是三维岩土力学有限差分计算机程序，是国际通用的岩土工程专业分析软件。

FLAC 代表连续介质快速拉格朗日分析，是由国际著名学者、英国皇家工程院院士、离散元法的发明人彼得库德尔Peter Cundall 博士在70年代中期开始研究开发的面向土木建筑、采矿、交通、水利、地质、核废料处理、石油及环境工程的通用软件系统，是美国艾塔斯Itasca国际咨询集团公司的软件核心产品最知名的软件系统之一。

自20世纪90年代中页，中国开始引进FLAC及FLAC3D等Itasca系列软件，许多工业部门都在应用FLAC系统进行工程设计、计算及科学研究；今天，FLAC已经成为我国岩土力学与工程界发展最快、最具有影响的数值分析软件系统。

FLAC程序将单元之间的不平衡力重新分配各节点之上，再进行下一步的迭代运算，直到不平衡力足够小或者各节点的唯一区域平衡为止，如下图1所示：图2 迭代求解过程图3 FLAC3D的特点3.1应用范围广泛FLAC3D是帮助土木、交通、采矿、水利工程师进行分析、测试及设计的连续介质程序。

由于其分析能力并不局限于某一类特殊问题或分析类型，FLAC3D得到了广泛的应用。

FLAC3D的设计思想是针对任何需要连续介质力学分析的岩土工程项目。

在分析岩土工程问题时，边界条件是最重要的考虑因素，而FLAC3D有多种边界条件，并且边界方位可以任意变化，边界条件可以是速度边界、应力边界，单元内部可以给定初始应力，节点可以给定初始位移、速度等，还可以给定地下水位以计算有效应力、所有给定量都可以具有空间梯度分布。

功能强大：FLAC3D是一个利用显示有限差分法为岩土工程提供精确有效分析的工具，可以解决诸多有限元程序难以模拟的复杂的工程问题。

另外，FLAC3D具有强大的内嵌语言FISH，使得用户可以定义新的变量或函数，以适应用户的特殊需要。

FISH可以做如下事情：（1）用户可以自定义材料的分布变化情况；（2）用户可以定义变量，追踪其变化规律并绘图表示；（3）用户可以自己设计FLAC3D内部所没有的单元形态；（4）在数值试验中可以检测控制；（5）用户可以指定特殊的边界条件；（6）自动进行参数分析；（7）利用FLAC3D内部定义的FISH变量或者函数，用户可以获得计算过程中的节点、单元参数，如坐标、位移、速度、材料参数、应力、应变和不平衡力等。

FLAC3D基本原理FLAC3D是一种常用的三维数值模拟软件，用于模拟岩土结构与地下工程行为。

该软件基于行为离散化原理，采用有限差分(Finite Difference)法进行数值计算，能够模拟地质和土木工程中的各种复杂现象。

1.离散化方法：FLAC3D使用有限差分法将模拟空间离散化，将三维空间划分为规则的网格单元。

每个单元内的物理特性和力学行为都通过节点上的数值来表示，如应力、应变、速度和位移等。

这种离散化方法能够准确地描述物理实体及其行为，方便进行数值计算。

2.材料模型：FLAC3D提供了一系列常用的材料模型，用于描述不同类型的岩土材料的力学性质。

这些材料模型可以基于材料的实验数据进行参数校准，用于模拟材料的弹性、塑性、损伤和破坏行为。

通过选择合适的材料模型，可以准确地模拟不同材料在不同工况下的力学响应。

3.节点连接：FLAC3D使用连接单元将不同类型的节点连接起来，表示它们之间的物理关系。

连接单元可以用于定位节点的相对位置、约束节点的运动、传递节点间的力和应力等。

通过定义不同的连接单元，可以准确地设置节点间的物理行为，从而模拟复杂的地质和结构体系。

4.边界条件：FLAC3D允许用户设定各种边界条件，以模拟实际工况下的问题。

边界条件可以是预设的平移、旋转或固定约束，也可以是施加在表面或内部的荷载、速度或位移等条件。

通过设置合适的边界条件，可以模拟出各种复杂的力学行为，如坡体稳定性、岩石应力分布、地下水渗流等。

5.可视化显示：FLAC3D具有强大的可视化功能，可以将模拟结果以直观的方式展示出来。

用户可以通过设置不同的颜色、亮度和透明度等参数，来显示节点和单元的不同属性，如应力、位移和应变等。

这些可视化结果可以帮助用户直观地理解模拟的物理过程和行为规律。

总而言之，FLAC3D的基本原理是基于离散化方法和有限差分法，使用材料模型、连接单元和边界条件来模拟复杂的地质和土木工程行为。

通过可视化显示结果，用户可以直观地理解模拟的物理过程和行为规律，并进行相应的工程分析和设计。

第11章非线性动力反应分析FLAC / FLAC3D可以进行非线性动力反应分析，而且具有强大的动力分析功能。

本章以FLAC3D为例，详细介绍了动力分析过程中的边界条件、阻尼形式、荷载要求等，并通过一些实例对个别问题做了详细解答。

本章要点：✓FLAC动力分析与等效线性方法的差别✓动力分析时间步的确定方式及影响因素✓动态多步的概念✓动力荷载的形式及施加方法✓动力边界条件的类型及适用条件✓地震荷载输入的要点✓三种阻尼形式的概念、参数确定及适用条件✓网格尺寸的要求✓输入荷载的校正✓地震液化的模拟✓完全非线性动力分析的步骤Equation Section 1111.1 概述FLAC / FLAC3D可以进行二维或三维的完全动力分析，FLAC/FLAC3D中的动力分析功能是可选模块，需要在程序中添加动力分析模块才可以进行。

FLAC3D中在动力分析前需要采用以下的命令：CONFIG dynamic对于FLAC，在程序开始时的Model Options对话框中选择Dynamic复选框。

FLAC / FLAC3D中的动力分析并不是只能孤立进行的，还可以与其他FLAC/FLAC3D元素进行耦合。

（1）与结构单元相耦合，可以用来进行土与结构的动力相互作用。

（2）与流体计算相耦合，可以模拟动力作用下土体孔隙水压力的上升直至土体液化。

（3）与热力学计算相耦合，可以计算热力荷载和动力荷载的共同作用。

（3）采用大变形计算模式，可以分析岩土体在动力荷载作用下发生的大变形。

FLAC和FLAC3D可以模拟岩土体在外部（如地震）或内部（如风、爆炸、地铁振动）荷载作用下的完全非线性响应，因此可以适用于土动力学、岩石动力学等学科的计算。

本章将以FLAC3D为例讨论动力计算的相关内容，FLAC的动力分析可以参照执行。

注意：FLAC和FLAC3D的动力计算十分复杂，读者在阅读本章内容之前要对FLAC3D的静力计算、流体计算十分熟悉，具体可以参阅本书的第7章和第12章的内容。

2.5 三维显示有限差分基本方程当FLAC3D 达到平衡或是稳定的塑性流动时，它通过显示有限差分来模拟三维连续介质的力学行为。

监控的力学响应主要是通过特殊的数学模型和数值计算过程得到。

接下来介绍这两方面。

2.5.1 数学模型描述介质的力学行为主要来源于一般原理（应变定义、运动规律），和理想材料的本构关系。

这个数学结果表达式通常是一些偏微分方程，涉及到力学（应力）和运动学（应变率、速度）变量。

这些偏微分方程联合个别的几何关系、材料参数，以及给定的边界条件和初始条件就可以求解。

虽然FLAC3D 在平衡状态附近，主要关注介质的应力状态和变形，但是必须要注意到该数学模型中的运动方程。

（1） 符号约定在FLAC 3D 中采用拉格朗日算法，介质中的一个点，通过矢量i i i x u v ，，和13i dv dt i =，，来定义一个点的坐标，位移，速度和加速的。

记号i a 表示矢量[]a 的第i 个分量，在笛卡尔坐标系中；ij A 表示张量[]A 的第（i ，j ）个分量。

i a ，表示变量对i x 的偏导数。

（变量a 可以使标量，矢量和张量）默认结构受拉为正，变形伸长为正。

爱因斯坦求和记号只针对下标，i ，j ，k （i ，j ，k =1，2，3）。

（2） 应力介质中一已知点的应力状态是通过对称应力张量ij σ来表示。

任意斜面上的应力矢量[]t 可以通过柯西公式得到（拉为正），如下：i ij j t n σ= （2.37）[]n 表示任意斜面上的单位法向矢量（3） 应变率和转动率假设介质的离子以张量[]v 运动。

在一个无限短时间dt 内，介质产生一个无限小的应变为i v dt ，相关的应变率张量可以写成如下：(),,12ij i j j i v v ξ=+ （2.38） 第一应变率张量不变量描述了体积单元的的膨胀程度。

张量ij ξ中没有包含变形率，由于速度矢量的平移和角速度的转动，一个体积单元会产生一个瞬间的刚体位移，如下：12i ijk jk e ωΩ=- （2.39）ijk e 表示置换符号，矢量[]ω表示转动率张量，定义如下：(),,12ij i j j i v v ω=- （2.40） （4） 运动平衡方程采用连续介质的动量原理和柯西公式，平衡方程如下：,i ij j i dvb dtσρρ+= （2.41）ρ为介质的密度，[]b 表示单位体力，[]d v dt 表示速度矢量对时间的导数。

flac3d入门指南•软件介绍与安装•界面操作与基本功能•初级实例分析：简单模型模拟•中级实例分析：复杂模型模拟目•高级功能应用与技巧•工程案例分析与实战演练录01软件介绍与安装FLAC3D概述FLAC3D（Fast Lagrangian Analysis ofContinua in3Dimensions）是一款用于模拟三维连续介质力学行为的有限差分软件。

它基于显式拉格朗日算法和混合离散化技术，适用于分析复杂地质和岩土工程问题。

FLAC3D广泛应用于边坡稳定、地下工程、隧道开挖、地震工程等领域。

A BC D软件特点与优势显式算法采用显式有限差分法，无需迭代求解，计算效率高。

强大的后处理提供丰富的后处理功能，如等值线、矢量图、动画等，方便用户分析和展示模拟结果。

真实模拟能够模拟复杂的材料本构关系、节理、断层等地质结构，实现真实世界的准确模拟。

开放性支持用户自定义本构模型、边界条件等，方便用户进行二次开发和扩展。

1 2 3安装步骤1. 下载FLAC3D安装包，并解压到指定目录。

2. 运行安装程序，按照提示完成安装过程。

3. 配置环境变量，将FLAC3D的安装路径添加到系统环境变量中。

4. 启动FLAC3D软件，进行初步设置和配置。

01注意事项02确保计算机满足FLAC3D的系统要求，如操作系统、内存、硬盘空间等。

03在安装过程中，选择合适的安装选项和配置，以满足个人或团队的需求。

04在使用FLAC3D前，建议仔细阅读用户手册和相关教程，以充分了解软件的功能和操作方法。

02界面操作与基本功能启动界面及工具栏介绍启动界面展示软件LOGO、版本信息以及最近打开的文件列表。

工具栏包含文件操作、模型操作、视图操作、分析设置等常用工具按钮。

菜单栏提供详细的软件功能选项，包括模型、网格、材料、边界条件、分析等。

通过绘制点、线、面等基本元素构建三维模型。

模型建立网格划分几何体素导入对模型进行离散化，生成有限元网格，可设置网格密度和类型。