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13个FLAC3D使用的注意事项

当使用FLAC3D求解问题时,为了达到最有效的分析而对模型进行优化是非常重要的。这个部分提供了一些改进模型运行的建议。同时列出了在准备FLAC3D计算时应当避免的一些陷阱。

1. 检查模型的运行时间 FLAC3D运行的求解时间与N 4/3成比例,其中N是单元的数目。这个关系式仅适用于求解弹性问题达到平衡, 对于塑性问题,运行时间会有些变化,但变化不大。但如果发生持续的塑性流动则时间要比这多得多。.对某一特定问题,检查你的计算机的计算速度非常重要,运行手册中的测量计算速度的例子(主要使用了FISH中的CLOCK),得出你的计算机的运行速度,然后对单元数目进行插值,就可以估计出该模型的计算速度。

2.运行时间的影响 如果出现下面的情况,FLAC3D将需要较长的时间才能达到收敛: (a) 单元材料的刚度差异较大,或者单元、结构元和界面的刚度差异很大;或者 (b) 单元尺寸的差异较大。当这些刚度差异较大时,FLAC3D变的不是非常有效。应当在进行详细的分析之前调查刚度的对比影响。例如,非常刚性的载荷面可以用一系列的具有恒定速度的网格点来代替。(记住:FIX命令固定的是速度而不是位移) 包含地下水将增加力学体积模量。

3. 考虑单元密度 FLAC3D 使用常应变单元。如果应力/应变的梯度很高,你将需要更多的单元来表示这种变化的分布。可以对同一问题使用不同的单元密度来检查这种影响。FLAC3D之所采用常应变单元是因为模拟塑性流动时,用较多的低阶单元比用较少的高阶能够达到更好的精度。尽量保持单元尺寸均匀,特别是那些感兴趣的区域。避免纵横比大于5:1的长而窄的单元,避免单元尺寸的跳跃(也就是说,使用平滑过渡的网格),在GENERATE命令中用ratio关键字平滑地从细网格区域到粗网格区域过渡。

4. 平衡状态的自动监测 缺省情况下,使用SOLVE命令会自动监测力学的力的平衡。当模型中所有网格点的最大不平衡力值与模型中所有节点的平均施加力的比值低于1 ×10-5时,就认为达到了平衡状态。注意网格点施加的力由内力(例如由于重力载荷)和外力(例如由于施加应力边界条件)共同作用。在大多数情况下,这种不平衡力与施加力之比的定义对静态平衡提供了精确的的界限,并且由于这个比值是无量纲的,该极限值适合于不同单位系统下建立的模型。 通过SET ratio命令可以用户定义不同的ratio值,如果默认的比例极限不能为静态平衡提供足够准确的界限,那么应当检查更改的比例极限。默认的比例极限也可用于监测热计算和流体流动计算的稳态解。对热计算来说,使用不平衡的热流量值和施加的热流量值来评价;对流体流动计算来说,使用的是不平衡的流体流动量和施加的流体流动量来评价。

5. 考虑选择阻尼 静态分析中默认的力学阻尼是局部阻尼(local damping),当大多数节点的速度分量周期性地过穿零值时,用局部阻尼来移去动能是最有效的办法。这是因为质量调整过程取决于速度符号改变。为了不引入错误的阻尼力而达到静态平衡解,局部阻尼是一种非常有效的算法。

如果问题中有重要部分的网格在解答的最后状态具有非零的速度分量, 那么默认的damping不适合去达到平衡状态.一种不同的damping形式,即 combined damping, 在网格中有重要的刚体运动发生时, 能比local damping提供更好的收敛以达到稳定状态 . This may occur, 例如, 在蠕变模型中或在计算轴向受荷的桩的极限承载力时. 用命令 SET mechanical damp combined 去触发combined damping. Combined damping 在removing kinetic energy不那么有效, 因此要注意minimize dynamic excitation of the system (see Example 3.14). 用命令SET mechanical damp local可以转回默认的damping .

6. Check Model Response 分析前做简单的tests确认模型如所想建立的那样. For example, if a loading condition and geometry are symmetrical, make sure that the response is symmetrical. 在模型上做出变动后, 执行几步 (say, 5 or 10)去验证初始反应和位置是否正确. 分析应力或位移值的发展情况, 并与FLAC3D的输出结果比较. 如果对模型施加什么样的条件, 就会得到什么样的response. 例如, 如果模型各方面显示结果比较理想, 但某角的网格具有较大的 velocities, 一定要先找出原因再继续进行运算. 此种情况有可能是对某边界节点没有固定.

7. 变量初始化 在运算期间常需对节点位移初始化以便实现多次不同开挖阶段的模拟. 因为运算过程中不需要位移值因此可以这样做 .velocities的初始化则有点困难. 如果节点velocities固定为一恒定值, 那么将一直持续为该值除非给它设置其它值. 因此, 不要将网格的velocities初始化为零 — 这将会影响模拟结果. 但是, 有时设velocities为零很重要(for example, to remove all kinetic energy).

8. Minimizing Transient Effects on Static Analysis 对一系列的静态分析, 在不同阶段逐步得到解答很重要—i.e., make the solution more “static” by minimizing the effects of transient waves when problem conditions are changed suddenly. 有两种方法使FLAC3D 解答更静态化. 1. 当有突变产生时 (e.g., by nulling zones to simulate excavation), 将强度参数设置为较大值并step至平衡. 再将参数设为真实值,再次 step以确保不平衡力很小. 这样, 在过渡时不会激发破坏产生. 2. 当移除材料时, 用FISH 函数或 table history 逐步减少荷载 (e.g., see examples in Section 3.3.1.2).

9. Changing Material Models FLAC3D 对采用的模型材料的数量没有限定. 这种原则允许用户对对最大尺寸网格的每一网格采用不同的材料 (如果需要的话).

10. Running Problems with In-situ Field Stresses and Gravity 许多问题中都需要对模型施加原位应力和重力. 深矿井的开挖与回填就是其中一例, 其中岩体受原位应力场作用 (i.e., gravity stresses for the limited mesh size can be ignored), 但其中the emplaced backfill pillars会发展gravitational stresses而导致在荷载作用下发生破坏. 在这些模型(as in any simulation in which gravity is applied)中需要注意的重要一点是网格至少有三点在空间上必须固定—要不然, 整个网格会在重力作用下 translate. 如果你发现在重力加速度方向整个网格发生translating的话, 可能就是忘了在空间上 fix the grid(e.g.,see Example 3.16).

11. 确定破坏荷载 为确定破坏荷载, 最好采用“应变控制”边界条件而不是“应力控制” — i.e., apply a constant velocity and measure the reaction forces rather than apply forces and measure displacements. 当所施加荷载接近破坏荷载时, 系统很难控制, 不管对真实系统还是模型系统都是如此.

12. 安全系数的确定 FLAC3D中对任何参数都可以通过给定条件下的参数值与破坏时的参数值的比值来确定.例如, Fw =water level to cause collapse/actual water level FL =applied load to cause failure/design load Fφ =tan (actual friction angle)/tan (friction angle at failure) 注意往往是大值除以小值(假定系统在实际条件下不会破坏). 破坏的定义由用户建立. Dawson and Roth (1999) 及Dawson et al.(1999)对在强度折减基础上得到的安全系数的有限元解答作了比较.见section 1 in the Examples volume.

13. 使用体积模量和剪切模量 FLAC3D的弹性参数应该使用体积模量K和剪切模量G,这比使用杨氏模量E和泊松比v好。(K,G)适用于所有不违反热-动力学定律的弹性材料,而(E,v)不适用于某些材料。一个极端是体积变化但不发生剪切的材料;另一个极端是发生剪切但体积不变的材料。前者对应于限定的K和零G,后者对应于零K和限定的G。如果使用(E,v)就不能表示这两种材料。如果我们排除这两种特殊情形(也就是v=0.5和v=-1),那么这两对数据集有如下的关系:

3K(1-2v)=E 2G(1+v)=E

只要不达到上述的两种极限情况,此关系式就有效。我们不必把他们与那些可行或不可行的物理试验相联起来,这些等式仅仅是两种定义比例系数的结果。假定我们有一种材料,变形的阻力逐渐减少,而体积变化的阻力保持恒定,在这种情况下v达到了0.5,还必须满足关系式3K(1-2v)=E。有两种可能性(争论在几何层面上而不是物理层面上):或者E保持限定(非零),K趋于任意的大值,或者K保持限定,E趋于零。第一种可能性是因为对所有已知的材料有一个限制的压缩性,比如水2GPa,其泊松比是0.5,第二种可能性E发生彻底的变化,尽管我们假定材料弹性阻力的主要模式不改变。因此我们得出结论:用(E,v)表示材料的行为是不合适的。

原文作者:刘波博士

2009-10-3 作者 readwiki 发布于分类: 数值计算 | 关键字 : FLAC3D 仿真 输入 要点 | 浏览 | 评论 0
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