PFC手册中文翻译整理1.docx

1、PFC手册中文翻译整理1Getting started1 导言1.1 背景与概述PFC2D 是利用离散单元法（DEM：1979年由Cundall和Strack提出）模拟球形颗粒的运动和相互作用的软件。它最早是被用来模拟颗粒状材料的行为；对包含有几百个颗粒的代表单元做过数值测试。颗粒模型被用来代表单元的行为（条件是统一的），而连续的方法则被用来解决真实的具有复杂变形模式的问题（其中单元行为取决于颗粒模型测试）。两个事实给这种近似带来了变化。首先，对于particle assemblies而言，从测试结果中得到本构关系定律是非常困难的；再则，随着电子计算机运算速度及存储量的飞速发展，使得利用大量颗

2、粒模拟整个问题成为可能；本构关系则自动在模型中体现出来了。PFC2D旨在成为可以解决固体力学和颗粒流的一种行之有效的工具。一个与圆形颗粒的移动和相互作用有关的物理问题也许可以直接用PFC2D进行模拟。利用两个或更多的颗粒来组成一个任意形状的物体也是可能的，因此这样捏合起来的每组颗粒则可以代表各自的物体（可利用clump logic，理论与背景，section 4）. PFC2D也可以用来模拟易碎的“固体”，即把每个颗粒与他周围的颗粒粘结（bond）起来；得到的assembly就可以被看作“固体”，它具有弹性而且当键（bond）在加工过程中被损坏时能够“fractuing”。 PFC2D包括大量

3、的logic供用户使用，它们可被当作是bonded particles的一个大软件包来模拟“固体”（其中很多的logic在augmented FishTank 中被执行过，FishTank是由FISH编写的一套公式，FISH是PFC2D的一种嵌入式语言，见section3 in the fish volume）；“固体”可以使各项同性的，也可能被分割成不同的区域或块。这种系统也可由离散元程序UDEC（Itasca2004）和3DEC（Itasca2003）模拟，但是它们多用来模拟angular block。然而，PFC2D拥有以下三个优势。1.它具有潜在的便捷性，因为判断圆形物体是否接触比判断

4、带角物体的接触容易的多；2.本质上，PFC2D对物体的位移没有限制，即其可以任意大位移移动；3.不像UDEC（Itasca2004）和3DEC（Itasca2003）中那样，在PFC2D中，block可以破裂（因为它们之间是由键粘合而成的）。PFC2D在模拟blocky系统中的缺点是block的边界不平坦（planar）；那么以PFC2D的优点作为交换，用户只能接受“颠簸（bumpy）”的边界啦。PFC2D中对于几何形状、性质和求解条件的说明不可能像FLAC（Itasca2002）或UDEC中那样直接明了。例如，在一个连续的程序中，网格被生成，初始应力被安置，边界条件被固定或不固定。在像PFC

5、2D这样的颗粒代码中，是不可能有一个简洁、一般而言的陈述的，因为想在一个给定的空间中pack一定数量的颗粒就有很多种方法。生成颗粒后必须有一个压紧的过程，直到满足要求的孔隙率。对于初始的应力也不可能有一个详细、独立的说明，因为接触力完全取决于颗粒之间的相互位置。最后，边界条件的设定也比连续的程序中复杂的多，只因为PFC2D中的边界并不是平坦的曲面。这些问题本手册中都会提及，建议亲自动手实现手册中的练习程序去模拟真实的问题。一个深层的困难是必须使模拟取得的数据与实验室中的数据吻合。某种程度上说，这是一个反复的过程，因为想要从微观的性质预测宏观的肉眼可见的物理行为，目前还没有一个完整的理论。然而，

6、本手册给出了指导方针，它会在用户吻合数据的过程中对用户提供帮助（举例来说，某参数的变动会影响某个行为，或者不会）。需要认识到的是，这些模拟将会是非常艰难的，因为它会不断挑战你的知识储备的极限。然而，通过执行PFC2D的测试，我们可以对固体的力学得到一些基本的认识（特别是断裂力学和损伤力学）。DEM属显示的时间推进模式方法，理论与背景中section3中会有详细介绍。这种模式有以下一些优势，1.它对于系统表现出不稳定的情形将会非常的容易；2.模拟的规模只取决于计算机的容量，因为根本无需储存矩阵的信息；3. PFC2D可能被用来模拟静态或力学问题，而要求解完整的力学运动方程几乎只需我们知道静态解；

7、这是为了遵从现实生活中的材料表现出的flow和失灵现象；4.无需调用一些非物理的算法。一次PFC2D模拟一般需要上千次时间步长的迭代，每一步长中应用两次牛顿定律来更新颗粒的速度和新位置，并更新作用在颗粒上的作用力。以这些新的颗粒位置为基础，作用力取决于每对颗粒的相对位移。该版本的PFC2D可在windows98和更高的系统下运行。在100mb内存时，可同时模拟100000个颗粒。用户还可以使用并行选项，几台计算机联网分流运算。详细内容见optional features中section4. PFC2D中的其他选项还有：热力学分析及耦合；C+程序模块；流体项耦合；用户自定义接触模型。PFC2D的

8、执行默认为命令驱动模式；还有为文件管理，绘图和打印改道等准备的绘图及菜单驱动模式。在任一选项中，都可以迅速生成high-resolution，colorrenderd绘图。图形显示功能允许用户在创建或程序运行过程中的任一步骤都可以观测到模型的状态。显示的图形有可能是颗粒、墙、接触、力、位移、速度或其他数值。所有的绘图输出可以直接以黑白或者彩色的形式考入windows剪贴板或者一个单独文件。1.2 主要特征PFC2D可模拟任何尺寸的圆形颗粒的assembles。一个颗粒生成器可以自动生成指定分布的颗粒群。颗粒半径可以是统一的，也可以服从高斯分布。特别地，初始的孔隙率很高，但是通过控制颗粒半径的扩

9、张也可以得到密集。用户可以在任一步骤改变原有的半径，因此用户无需反复试验就可以得到指定的孔隙率了。性质与单个颗粒或接触息息相关，而不是“type number”。因此，用户要指定连续顺序的性质或半径。“joint generator”用来修改沿着指定线的接触的性质，当然假定他们在particle assembly上是有层次的。这样，模型可能会被weak plane的设置traversed。颗粒的颜色也被看作是一种性质，所以用户可以自行指定各种记号。在PFC2D模型中，为确保在数值漂流中长时间自由，坐标和半径都以二进制储存。相关的接触位移直接按坐标轴计算得到，而不是通过位移的增量算得。关于接触：

10、 线性弹簧，或者简化hertzmindlin 定律； 库仑sliding； 键的选择。（键连接可以承载一定的张力，而键对张力和剪切力的承受能力是有一定限度的。键一共分两种，即接触键和平行键，它们可以安装到颗粒与颗粒的接触当中。这两种键分别对应两种物理性质：1.接触键是用来表示在一个非常小的区域上的支持作用；2.而平行键则用来表示在小球与小球接触后的附加材料（material）的堆积（deposited）作用。这种附加材料的有效硬度与接触点硬度平行，因而得名平行键。）Clump logic使此代码的一般性得到延展，它支持被slaved的颗粒及clump的群的创建。Clump中的小球可以重叠，且每

11、个clump的行为犹如带有可变形边界的刚体，因此，它可以看作是驾驭颗粒之上的一种一般的几何形状。Assembly通过墙的速度，颗粒速度和应用外力的混合物来加载。Augmented fish tank 为在assembly中安装一指定的应力区域提供了一些方程，或者对assembly使用应力边界条件。时间步长的运算是自动进行的，而且包括由hertz接触模型引起的硬度变化的作用。时间步长也可以根据每个颗粒周围的接触的数量和瞬时的硬度值而改变。有一种模式叫单元映射模式（cellmapping scheme），他是以颗粒计数为基础，利用最优的cell数；它可以自动调整单元空间的外部尺寸来提供逃逸颗粒和/

12、或新进入的颗粒，就像被指定过一样。这种单元映射模式支持判断接触算法，以确保求解时间根据颗粒数线性增长而不是二次或高次。PFC2D中任意的线段都可以被指定为墙，拥有各自的接触性质。在墙的拐角处需要设置特殊的接触条件，它是与墙的有效面有关的曲线，以保证当颗粒沿峰滚动时接触力的单值性。除平面墙外，圆形片段，点墙和线状的墙都是可用的。可以给墙指定一个速度（平动转动都可），而墙上的力和力矩都可以被追踪（monitored）。在模拟的任一个阶段，颗粒和墙都可以被创建或删除（当然他们的性质也可以改变）。PFC2D模型可以在一个矩形的周期空间被创建或执行，其实就是无限空间的问题我们可以使用周期边界。Adapt

13、ive 连续/非连续(AC/DC) logic 被用来handle bounded material 的大模型。Pbrick则源自周期空间中创建的compacted assembly。Pbricks可以被储存，也可以被复制来构建一个大模型。被选中的pbrick可以表示为矩阵的形式，因此节省了计算时间和内存。Pbricks也可以被任意分布在一组处理器当中，利用MPI（见section1.4.1.5）.AC/DC只用来模拟变形比较小的情形，例如易碎的岩石。AC/DC的描述见section4 in FISH volume。PFC2D还提供了局部非粘性阻尼（用于消耗动能），此种阻尼具有以下优点： 当运

14、动是稳定的时候体力趋近于零（即只有减速时才有阻尼）。 阻尼常量是无量纲的； 带有不同自然周期的assembly区域平等的阻尼，即利用相同的阻尼常数，因为阻尼是frequencyindependent的。粘性接触阻尼也可以使用，其中利用接触弹簧元素进行平行的缓冲。这种阻尼在模型impact和free flight的情况下是合适的，而此时利用默认的阻尼是不现实的。密度缩放可以用来增加时间步长和优化求解效率。重力不受密度尺度缩放的影响。追踪能量。以下能量可以被追踪： 体的工作量（assembly中的所有颗粒体） 粘结能量（总的assembly的张力能量储存在平行键之中）； 边界的工作量（assemb

15、ly中的所有墙） 摩擦（所有接触的摩擦能量消耗）； 动力学能量（所有粒子的动力学能量） 张力能量（整个assembly的所有接触的张力能量）assembly中测量任意圆形区域数是很便利的： 平均应力张量的所有成分； 平均张力张量的所有成分； 孔隙率； The coordination number（每个颗粒的平均解除数）； 接触分数。任何数据都可以追踪而且储存为history。储存的history也可以绘成图，显示在屏幕上，或者储存在一个文件里面可以被其他程序调用。PFC2D可在半静态模式或全动力模式下执行。PFC2D中所有数据都可以被储存，并汇成history。PFC2D拥有强大的built

16、in程序FISH，用户可以定义新的变量和方程。FISH提供给用户一个唯一的能力去根据用户自己的需要裁剪程序。例如，FISH方程可以做以下的事情： 详细说明用户指定的性质变化； 绘制和打印用户自定义的变量； Servocontrol数值测试； 自动参数学习； 根据用户的需要创建或删除颗粒； 按照某种方式创建颗粒group； 读写ASC2或2进制文件； 利用TCP/IP信息从/向其他Itasca程序发送和接收数据。1.3 可选择特性可选择的特性（热量分析，流体分析，并行处理和C+编程，用户可以通过C程序创建自己需要的基础模型）此可以作为PFC2D的额外价值。热力分析选项：可以模拟材料中短暂的热流和

17、随后位移和力的发展趋势。热力模型可以独立运行也可以耦合在力学模型之中。热力张力通过改变颗粒的半径得到，平行键上承载的力来说明颗粒和结合键的热量。热力学分析选项的描述见section 1 in optional features。流体分析选项：允许用户模拟流固耦合问题。该模式在欧拉坐标系下数值求解连续和动量方程，然后得到考虑单元内小球存在时的压力和速度。由流体产生的驱动力在施加于小球之上。关于流体选项的描述见section2 in optional features。用户自行编写的C选项：允许用户自己编写程序，从而创建私人版本的PFC2D。该选项可以用来取代FISH方程。The Microsof

18、t Visual C+ Version 7.1 编译器可以被使用做这项工作。用户自行编写的C选项的描述见section3 in Optinal Features。并行处理版本：的PFC2D也是一个可供选择的选项。并行版本允许用户把一个PFC2D模型分解成几部分，而分别在各自的处理器上运算。这实质提高了存储能力和计算速度比单个处理器快的多。在并行处理选项中，MPI（message passing interface）也可以被执行，它允许与AC/DC logic或者用户自己编写的C程序进行通讯。并行版本与并行计算程序的描述见section4 in optional features用户定义接触构建

19、模型可以用C+编写，并像DLL文件一样编译，任何需要的时候用户都可以调用它。The microsoft visual C+ version 7.1 用来编译DLL文件。编写新接触模型和创建DLL的描述见section5 in optional featrues.1.4 Summary of updateds from version 3.0以下特征被加入到3.1版本。下一节是对新特征的概括。（注意PFC2D 3.1可以储存3.0版本保存的文件，但是2.0或更旧的版本就不能储存了）。1.4.1 3.1版本的新特征1.4.1.1 新的广义墙点墙（2D）和线墙（3D）作为新的广义墙被加入，详细的描述

20、见section 5 in 理论与背景。1.4.1.2 流体分析选项现在，流体分析在PFC2D中是可用的选项。流体选项允许用户模拟流体耦合问题如小球与流体作用的问题。流体选项的描述见section 2 in 选项特征。1.4.1.3 AC/DC logicAC/DC是一种处理大的粘结材料模型的方法。Pbrick来自在周期空间中创建的compacted assembly。Pbricks可以被储存，也可以被复制来构建一个大模型。被选中的pbrick可以表示为矩阵的形式，因此节省了计算时间和内存。Pbricks也可以被任意分布在一组处理器当中，利用MPI（见section1.4.1.5）.AC/DC

21、只用来模拟变形比较小的情形，例如易碎的岩石。AC/DC的描述见section4 in FISH volume。1.4.1.4 周期边界周期边界在处理空间无限大问题是非常好用。作为简单的例子，见section 3.8.1.4 in FISH volume。 1.4.1.5 新的并行处理选项（MPI）MPI（message passing interface）也可以被执行，它允许与AC/DC logic或者用户自己编写的C程序进行通讯。并行版本与并行计算程序的描述见section4 in optional features1.4.1.6 影片选项PFC2D 3.1 可以生成两种工业标准格式的影片文

22、件：AVI和PCX。影片可以看作是AVI和PCX图像的集合，并能重复播放出来。MOVIE和SET plot命令可用来调用影片特征。1.4.1.7 网络keyPFC2D 3.1 的网络版本是可用的，它允许在服务器上安装一个独立的硬件用来使用网络。PFC2D也许可以在互联网中的任一台计算机中运行。网络key需要一些特殊的许可证安排和安装。1.5 应用领域PFC2D可能应用到的领域如下。这些应用拓宽了程序本身的应用范围，可以模拟多离散体，大张力载荷或处理特征过程的能力的作用 在斜道，管道，箱体和地窖中材料的块体流 块体处理过程：混合和传输 矿质开采：易碎，易塌，易裂和岩石块的流动 Compction

23、 of powder in molds 粘结颗粒组成的物体的碰撞：力学破损 地震反应和由颗粒排列的梁结构的坍塌 颗粒原料的基础性研究：生产，流动及体积变化等。 由结合的颗粒集组成的固体的基本研究：损坏堆积，易碎和声响发射。更多的PFC2D的应用见section 3.2 in FISH volume1.6 PFC2D手册向导PFC2D 3.1版本手册包括七个文档。本文档，即用户向导，是用户使用PFC2D的主要向导，它包含了对特性和针对具体问题的最佳程序的推荐的描述。其他帮助信息则在剩下的六章中给出。以下是这七个文档的结构和各章节目录的主要概括。用户指南Section 1 绪论 这一节给出了PFC

24、2D的基本性能，特征和应用的介绍。还有PFC2D最新的一些功能。Section 2 开始 初学者应参看此节内容，一对PFC2D的操作有一个了解。其中对安装和操作都有十分简要的介绍，对初学者的研究有益。Section 3 利用PFC2D解决问题 本节给出了利用PFC2D解决问题的一些一般的指导。讨论部分是具想到行作用的，但只是很泛泛的讨论。典型的PFC2D的每一步都会详细说明，在介绍创建，解决和解释PFC2D模拟的过程中还会给出一些很好的建议。看过此节，用户就会对PFC2D的操作有所熟悉。Section 4 FISH 初学者指南 本节介绍FISH语言。它包括如何使用FISH语言。注意手册假设用户

25、没有任何编程经验。它会对FISH以及其应用做非常详细完整的叙述。Section 5 杂 对PFC2D感兴趣的用户可以参看此节，其中包括PFC2D在不同计算机上的运行时间的基准，报错程序和要求的技术辅助。Section 6 参考书目 本节给出了一些参考书目及类似的离散元程序。参考命令Section 1 参考命令 本章包括对PFC2D所有命令的详细说明（不包括FISH）。PFC2D中的FISHSection 1 FISH的初学者指南 本节提供用户FISH指南。也会帮助用户熟悉FISH.Section 2 FISH参考目录 本节包括比较全面的FISH语言的目录。对FISH语言的规则和语法作出了解释，

26、叙述了FISH和PFC2D的联系，给出了FISH的所有预先变量和方程。Section 3 not clearSection 4 AC/DC(ADAPTIVE CONTINUUM/DISCONTINUUM) 本节叙述AC/DC logic的内容。这些logic使用户通过一些变化来解决很大规模的问题，需要注意的是，这个选项只适用于较小变形的情形。理论与背景Section 1 一般表达 介绍离散单元法本身及主要的控制方程。Section 2 接触构造模型 Builtin基础构造模型的表达和执行在本节介绍。其中接触模型被分为三种：硬模型，滑动模型和结合（键）模型。两种键可用：即接触键和平行键。2.4中

27、还介绍了更为复杂的模型。注意，用户自定义接触模型在section 5 中也有介绍。Section 3 执行问题 与执行有关的细节问题。讨论的话题主要包括：墙LOGIC；追踪的意义及基础的发展；能量可以被追踪；以及测量logic。Section 4 广义墙logic 广义墙是对原始墙的沿拓，如2D的圆形墙及3D的球型墙。这些广义墙比如果用原始墙的简单堆积方便的多。选项特征Section 1 热力选项 介绍了热力选项，并且给出了一些实际问题的解决方案。Section 2 固定粗网格流体模式 颗粒与流体之间的作用力。Section 3 CSection 4 并行处理Section 5 编写新的接触模

28、型例证问题和例子应用 本章包括了一系列用PFC2D解决的例证问题和例子应用。例证问题中，对PFC2D的解与解析解做了比较。这些例子说明利用PFC2D可以解决很多问题。命令及FISH参考书目Section 1 命令概要 本节提供PFC2D中使用的所有命令的概要。Section 2 命令陈述概要 本节提供了FISH语言的概要。本概要包括FISH语言的陈述和所有预变量和方程。2 入门本节为第一次使用的用户介绍了PFC2D。入门包含程序的安装及命令和怎样在计算机上运行。本节还概述了PFC2D程序在地质工程问题中的应用，包括简单的例子，及这个程序每一步的演示。如果只是熟悉该计划，偶尔使用它，会发现这一节

29、（中尤其是，第2.7节）帮助你耳目一新的记忆运行PFC2D。更全面的信息问题解决在第3节。PFC2D可以在命令驱动或图形模式下运行，本手册中有菜单驱动模式的大部分例子,输入和结果被认为使用命令驱动的模式。我们认为，这是最明显的方法,可以让你了解PFC2D程序的操作。命令驱动结构使PFC2D是一个非常灵活的用于工程分析的工具。然而，这种结构会给新手或偶尔使用的用户带来困难。为了使代码运行,通过交互键盘或远程数据文件将命令输入PFC2D命令行中。入门包含以下信息(1) 第2.1节给出了每步程序的安装和PFC2D启动过程。这包括PFC2D对系统的要求，说明的组成部分， PFC2D程序和相关文件，内存

30、分配，实用软件和图形芯片，启动和运行程序，程序初始化，确定版本编号和安装测试。(2) 第2.2节是一个简单的教程，以帮助您熟悉常见的输入命令。(3) 在创建和运行PFC2D模型之前，需要了解PFC2D术语。第2.3节对术语的使用进行了描述。第2.4节给出了PFC2D模型的定义组成部分。第2.5节介绍了PFC2D 输入语言的语法。(4) 第2.6节介绍了PFC2D的特色：在模型中创建、命名和使用对象的功能。可以方便的解决问题。(5) 第2.7节介绍了单独运行PFC2D模型的步骤，每一个步骤是分别用简单的例子来讨论。(6) 符号规约和系统的单位使用的程序分别在第2.8 和2.9节介绍。(7) 2.

31、10描述了不同类型的文档在PFC2D中使用和创造。(8) 2.11介绍了图形用户界面。2.1 安装和启动程序2.1.2 系统要求2.1.2 安装程序PFC2D从CD - ROM安装。可在Windows 98 ，XP2000运行。早期版本的Windows或其他作业系统将不会执行安装。 默认安装的PFC2D将从CD - ROM安装程序，它包括样板文件，完整的PFC2D手册。 Adobe Acrobat Reader软件是必要的。2.1.3 PFC2D的组成（略）2.1.4 版本鉴定2.1.5 程序启动在用户的“开始” 菜单的默认安装中将创建一个“艾塔斯卡代码”组下的“程序”。该“艾塔斯卡代码”组包

32、含一个PFC2D捷径可用于启动代码。打开PFC2D创建窗口，主窗口还设立了一个命令窗口，可根据提示直接输入PFC2D命令。打开后，PFC2D动态分配内存（即内存使用量因为该模型建造增加）。作为一个经验法则，建议4至6 MB内存可生成一个完整的PFC2D模型，否则Windows将开始交换到虚拟内存，这种交换可能会造成巨大的性能损失。此外，如果同时运行其他应用程序，会减少PFC2D的内存。（ 分配制度可控制的集记忆命令。）打开PFC2D后，键入print memory（打印内存），此命令将显示PFC2D正在利用的内存总额。PFC2D可以从命令行运行，根据可执行名称支持命令行参数。如果这些情况都出现，每个都