PFC3D基础说明Word格式.docx

1、BALLCLUMPDELETEGENERATEJSETWALLFIXFREEMODELPROPERTY & CHANGE & INITIALIZEBALL 生成一个新颗粒；CLUMP 生成一个新块体，或修改已有块体的属性；DELETE 删除球、壁面、块体或历史（HISTORIES）；GENERATE 在特定空间内生成一组颗粒，其大小按指定方式分布；JSET 以给某个接触分配一个“接点”ID号的方式生成一组“接点”；WALL 生成一个新壁面或修改已有壁面的属性（包括修改物性和外加速度）；FIX 为颗粒设置固定速度标记FREE 清除颗粒的固定速度标记MODEL 在指定“接触”上使用用户自定义接触模

2、型；PROPERTY 修改已有颗粒（ball）、接点（joint）、粘结（bond）和接触（contact）的属性。球的属性包括物性、外加力和速度等；使用区域元素（range element）JSET，用户可以修改特定接点附件的颗粒属性；对于“粘结”，接触粘结和平行粘结都可以被创建并修改其属性；对于“接触”，PROPERTY用于修改用户自定接触模型的修改。同义命令：CHANGE、INITIALIZE。2.1 模型创建命令：WALL keyword WALL命令有两个功能，生成一个新的壁面，或按指定的ID号修改已有壁面的属性参数。WALL不能使用RANGE逻辑，即不能给一个壁面的不同部分赋不同的

3、属性参数。壁面只与球有相互作用，壁面之间没有相互作用，因此壁面可以相互重叠。壁面有两侧，有效侧（active side）与非有效侧（inactive side），只有与有效侧接触的球，才与壁面有相互作用。关于有效侧的定义，见附录1。每个壁面都可以设置平移速度与转动速度。使用Theory and Background中的1.28公式，可更新构成壁面的每个顶点的位置，从而得到壁面的运动情况。 应当注意的是，转动速度的设定还与壁面转动中心有关，默认情况下，转动中心在坐标原点（0.0, 0.0, 0.0）。两类壁面可以定义：（1）无限大壁面：由关键词origin和normal定义的一个无限大平面；（2

4、）有限壁面：圆柱形或由一组凸面多边形组成，使用关键词face定义。A. 无限大壁面（infinite wall）:无限壁面由关键词normal和origin定义，前者定义壁面的单位法向向量，所指向的一侧是壁面的有效侧；后者定义壁面上的任意一点。normal nx, ny, nz 无限壁面单位法向向量的分量；origin x0, y0, z0 无限壁面上任意一点的坐标；B. 圆柱壁面（cylinder）:使用关键词type cylinder可以定义圆柱壁面，也可定义圆锥、圆台壁面等回旋壁面。type cylinder keyword end1 x1, y1, z1 回旋面的第一个端点； end2

5、 x2, y2, z2 回旋面的第二个端点； radius rl, ru rl: 端点end1处的回旋半径； ru: 端点end2处的回旋半径； type cylinder的几点说明：1） end1, end2至多只能缺省一个，缺省时对应的参数都为0；2） rl和end1对应，ru和end2对应；3） radius值决定了回旋壁面的类型：i. rl = ru，对应圆柱壁面；ii. rl = 0.0，对应圆锥壁面；iii. rl ru，对应圆台壁面；例如：Wall type cylinder end1 0 0 0, end2 0 0 1, radius 0.5,0.5, id=1, kn=1e6

6、, ks=1e6, fric=0.2 ;生产半径为0.5的圆柱面；Wall type cylinder end1 0 0 0, end2 0 0 1, radius 0.0,0.5, id=1, kn=1e6, ks=1e6, fric=0.2 ;生产地面半径为0.5的圆锥面；Wall type cylinder end1 0 0 0, end2 0 0 1, radius 0.2,0.5, id=1, kn=1e6, ks=1e6, fric=0.2 ;生产上底面半径0.2，下底面半径为0.5的圆台面；C. 螺旋壁面（spiral）:使用关键词type spiral可以生产螺旋壁面。type

7、 spiral keyword 螺旋面的第一个端点； 螺旋面的第二个端点； radin rin rin: 螺旋面的内径； radout rout rout: 螺旋面的外径； pitch pt pt: 螺距。螺纹的个数由end1,end2之间的距离除以pitch得到的整数决定。如ed1-end2=10,pitch=3，则螺纹数等于3个。Wall type spiral end1 0 0 0, end2 10 0 0, radius 0.5,1.0, pitch=1, id=1, kn=1e6, ks=1e6, fric=0.2 ;生产10个螺纹的螺旋面；D. 凸面多边形壁面（convex pol

8、ygons）：使用关键词face可以构造由若干有限平面（face）组成的有限壁面（wall），每个平面（face）必须是由一组按顺序连接的顶点（vertices）组成的多边形（polygon）；有限壁面的有效侧按右手法则确定，详见附录1。face x1, y1, z1 x2, y2, z2 xn, yn, znx1, y1, z1 x2, y2, z2 xn, yn, zn为平面多边形的顶点坐标，它们的位置顺序代表着顶点的连接顺序，决定了有效侧的位置。使用具有相同ID号的WALL命令，可以在已有壁面上增加若干多边形平面，如下列命令定义了一系列有限壁面：wall id=1 face （1,1,1

9、） （1,0,1） （6,0,1） （6,1,1）wall id=2 face （6,0,1） （6,0,6） （6,1,6） （6,1,1）wall id=3 face （1,0,6） （1,1,6） （6,1,6） （6,0,6）wall id=4 face （1,1,1） （1,1,6） （1,0,6） （1,0,1）wall id=5 face （2,1,2） （5,1,2） （5,0,2） （2,0,2）wall id=5 face （5,0,2） （5,1,2） （5,1,5） （5,0,5）wall id=5 face （2,0,5） （5,0,5） （5,1,5） （2,1,5

10、）wall id=5 face （2,1,2） （2,0,2） （2,0,5） （2,1,5）wall id=9 normal 0, 1,0 origin 3.5,0.0,3.5wall id=10 normal 0,-1,0 origin 3.5,1.0,3.5通过使用多个具有相同ID号（id=5）的WALL命令，定义了一个由4个平面构成的凸面多边形壁面，如下图所示。图1 face定义有限平面警告：PFC3D软件现阶段只能生成有效的凸壁面，即有效侧夹角大于180的两个连接面（如图1中的id=5壁面）；对于凹形几何结构，不能定义成一个壁面，必须通过连接不同的壁面得到。E. WALL命令的其他关

11、键词：以下关键词用于设置壁面的属性，如刚度系数、摩擦系数、平移速度、旋转速度等。关键词的可以在命令中的任意位置出现。id id指定壁面的ID号，必须是正整数。如果不指定，则将选择比当前最大壁面id号大1的整数。如果指定的id号已经存在，则对应壁面的属性将被修改，如增加1个平面，或修改刚度系数、摩擦系数等。 kn kn 设定或修改壁面法向刚度系数（线性接触模型）； ks ks 设定或修改壁面切向刚度系数（线性接触模型）； friction f 设定或修改壁面摩擦系数； x x 设定转动中心（x坐标）； y y 设定转动中心（y坐标）； z z 设定转动中心（z坐标）； xspin xs 设定绕转

12、动中心的转动速度（x分量）单位：弧度/秒； yspin ys 设定绕转动中心的转动速度（y分量）单位： zspin zs 设定绕转动中心的转动速度（z分量）单位： xvelocity xv 设定平移速度（x分量）； yvelocity yv 设定平移速度（y分量）； zvelocity zv 设定平移速度（z分量）；BALL rad r 生成半径为r的单个颗粒，可选择的关键词有：hertz 启用Hertz接触模型，若不是用该可选关键词，则模型默认使用线性接触模型设置颗粒的ID号。每个颗粒的ID号应为独一的正整数，如果模型内有相同的ID号，则软件会报错。如果用户不设置颗粒ID号，软件将自动指定比

13、当前模型内最大ID号大1的号码。x x 球心的x坐标y y 球心的y坐标z z 球心的z坐标GENERATE x xl xu y yl yu z zl zu radius rl ru id il iu 以下关键词可用于修改该命令的功能：no_shadow 禁止在非阴影区内生成颗粒（见附录二）；默认情况下，颗粒会在壁面的有效侧与非有效侧生成。 tries tmaxPFC3D默认尝试20,000次，以将指定数量的待生成颗粒置于指定空间。该命令将尝试的次数设为tmax次，需注意的是，这个值只对当前Generate命令有效，并不是将模型内所有Generate命令的尝试次数都设为tmax。 filter

14、 fname使用用户自定义的颗粒生成过滤器（user-defined generation filter）。在生成每个球的每一次尝试中，名为fname的FISH函数被调用，详见说明9和附录4。gauss 颗粒半径服从高斯概率分布，而不是默认的均匀概率分布。此时，平均半径为（rl + ru） / 2，标准偏差为（ru - rl） / 2；其中rl , ru为关键词radius定义的参数。hertz 新生颗粒使用Hertz接触模型。若无该关键词，则使用默认的线性接触模型。local 该关键词只在并行计算过程起作用，用于强制性地只在本地处理器上生成颗粒，而不在处理器之间共享信息。 min rmin该

15、关键词只在使用了gauss关键词的情况下起作用，用于将高斯概率分布中的最小球半径设为rmin。默认情况下，高斯概率分布中的最小球半径为rl / 10。1. BALL和GENERATE是用于生成新球的两个命令，他们之间有很大区别：a） BALL是在用户指定的一个特定位置，生成一个新球；新球的生成不受已有球的影响，允许与其他球有任意大的重叠；由于球之间允许重叠，当循环计算开始时，球之间会突然产生大小相应于重叠量的作用力；b） GENERATE是在用户指定的一个空间区域内，生成指定数量的新球；新球的生成受已有球的影响，因为球与球之间不允许有重叠；因此用GENERATE命令能否在指定空间生成指定数量的

16、球，还取决于空间是否足够大，或生成球过程中的尝试次数（tries）是否足够多等；c） BALL命令一般用于生成规则排列球组（Regular particle assembly），GENERATE用于生成非规则排列球组（Irregular particle assemble）；2. Generate命令必须指定球的生成空间范围、半径大小分布形式和ID号范围（确定球的数量）。球的位置与半径随机选择，因此最终生成的颗粒组的状态（位置和大小）受随机数发生器（Random number generator）的影响。SET random命令用于设置随机数发生器的状态，详见脚注1；3. 关键词x xl xu

17、 y yl yu z zl zu用于定义指定空间，新生球的质心x，y，z坐标值分别处于区间xl, xu， yl, yu和zl,zu之内。若使用可选关键词annulus，则颗粒的生成空间为一球环形空间，其球心为（xc, yc, zc），内外球径分别为r1, r2；此时定义方形空间的x, y, z关键词可以省略，否则，指定的空间为annulus定义的球环形空间与x, y, z定义的方形空间的交集；X,y,z与annulus等关键词只能定义简单的方形与球环形空间，而实际问题大多数涉及较复杂的空间。此时最有效的方法是使用用户自定义FISH函数进一步限制球的生成空间，见关键词filter的说明；4. 球

18、径大小由关键词radius定义，默认情况下，球径大小在区间rl, ru之内，且服从均匀概率分布（uniform distribution），也可使用关键词gauss指定球径大小服从高斯概率分布；5. 关键词id il iu指定了需要生成多少数量的球。生成球的总数量为iu-il+1，其中iu, il为球ID号的最大值与最小值；6. Generate生成球时，新球与已有球之间不允许相互重叠，因此，当没有足够的空间（或尝试的次数不足，见关键词tries）生成所有指定数量的球时，将生成少于所需数量的球。软件默认这种情况为发生错误，不过也可以使用SET gen_error命令将这种情况当作警告处理（软件

19、提示警告信息，但是指令处理过程继续进行）；颗粒生成以后，紧随其后应使用PROPERTY命令设置球的属性参数，包括法向刚度、切向刚度、局部阻尼、密度、摩擦系数，Hertz模型下的弹性模量、泊松比等。7. tries tmax的说明：Generate命令生成的球与球之间不允许重叠，用Generate命令生成新球的过程是不断尝试的过程；每次尝试先按指定的分布形式确定球径大小，并随机（伪随机）确定一个球心位置，再检测该位置周围是否有足够空间生成该球；若空间足够，新球生成，否则进行下一次尝试。软件默认尝试20,000次，当所需新生球数量较多时，必须使用tries tmax命令，设置更大的尝试次数，否则即

20、使有足够的空间，也不能生成所需数量的球。8. filter fname：该关键词的作用是引用用户自定义颗粒生成过滤器（generation filter），fname是用户自定义FISH函数名，生成每个试产球（trial ball）时都将被调用。在函数fname里，试产球的半径通过fc_arg（0）传递，位置坐标的x, y, z分量分别通过fc_arg（1）, fc_arg（2）, fc_arg（3）传递。要使试产球被接受（即其符合过滤条件），函数中fname的值设为0，否则fname的值设为1。关于filter fname的更详细说，见附录4。DELETE keyword删除球（balls）

21、、块（clumps）、历史（histories）或壁面（walls）等，命令的形式取决于要删除的对象。相关关键词及其参数如下：balls 删除球。如果指定id号，仅删除对应的1个球；如果指定一个范围（range），则处于该范围内的球（即质心处于该范围之内的球）都将被删除；如果既不指定id号，也不指定范围，则模型中的所有球都将被删除。利用FISH函数，我们能更灵活地按照所希望的方式删除一些对象，比如删除一些超出指定范围的球。Users Guide中的例3.21介绍了每经100个循环，删除位置低于某一高度的球。关于FISH语言，将在另一部分给予介绍。Example 3.21 FISH functi

22、on to delete escaping particles;fname: zapballs.DATdef remove_ballswhile_steppingy_del_count = y_del_count + 1if y_del_count 100y_del_count = 0bp = ball_headloop while bp # nullnext = b_next（bp）if b_y（bp） y_delii = b_delete（bp）end_ifbp = nextend_loopendclump id删除ID为id的块，不可指定范围（range）参数。删除块只是解散组成块体的球

23、，并不删除这些球。histories 删除所有历史记录（history traces）。另外，也可以用HISTORY reset命令擦除所有历史记录的内容。walls id 删除ID号为id的壁面，不可指定范围（range）参数。CLUMP keywords 创建ID号为id的新块，若指定的id已经存在，则其功能为修改ID为id的块体的属性。JSET 2.2 模型修改命令：FIX keyword 固定某一范围（range）内球的指定速度自由度，若不指定范围（range），该命令将应用于模型中的所有球。应当注意的是，固定的是“速度”而不是位移。当速度的某一分量被固定时，其速度将保持当前值不变，即

24、每个循环中运动方程不会更新速度分量。速度值可使用PROPERTY命令设置。以下关键词可使用：x 固定x方向线速度；y 固定y方向线速度；z 固定z方向线速度；xspin 固定x方向角速度；yspin 固定y方向角速度；zspin 固定z方向角速度；例如，下列命令行将把ID为5的球的x方向线速度固定为1.5m/s。 fix x range id = 5; property xvel = 1.5 range id=5;FREE keyword FREE是与FIX相反的命令，其功能是移除对某一范围（range）内的球在速度自由度上的固化, 若不指定范围，该命令将应用于模型中的所有球。当某速度分量自由

25、化（be free）后，其大小变化将由每个循环过程的运动方程决定。默认情况下，所有球的所有分量都是自由变化的。以下关键可用于该命令：x 释放x方向线速度（frees x-velocity）；y 释放y方向线速度；z 释放z方向线速度；xspin 释放x方向角速度；yspin 释放y方向角速度；zspin 释放z方向角速度；PROPERTY keyword v range 设置某范围（optional range）内已有球（balls）、接点（joints）、粘结（bonds）以及接触（contacts）的属性，包括球的物性、外加力和速度；修改连接到某个接点的球的属性；修改接触粘结和平行粘结的属

26、性。对于接触，PROPERTY只能修改用户自定义接触模型的接触属性。若没有指定范围，则模型中所有有效对象的属性都将被修改。命令CHANGE和INITIALIZE是PROPERTY的同义命令，具有相同的功能。以下关键词可用于修改PROPERTY命令的功能：add v修改处于指定范围内的所有对象的参数值，使其在当前值的基础上加上设定值v得到新的值。例如，给所有球的半径加0.1的命令是：PROPERTY radius add 0.1。 gradient gx, gy, gz 该关键词的作用是有梯度地设定参数值，即将对象的的参数值设为：。这里关键词gradient应紧随v值之后设定，（x, y, z）为对象的位置坐标。如果还使用了关键词multiply，则由gradient设定梯度（gx, gy, gz）也将用于乘