FLAC讲义含地下水的边坡例子.docx
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FLAC讲义含地下水的边坡例子
FLAC讲义
一、什么是FLAC
1.1FLAC之字义
F（Fast）L（Lagrangian）A（Analysisof）C（Continua）.Lagrangian相对于Eulerian为每一时阶（timestep）之位移在Lagrangian之公式中，需对网格之座标予以更新，而Eulerian之公式则不予更新。
1.2FLAC之运算流程
1.3FLAC基本单元
1.4分析模式大小与RAM之关系
1.5单位
1.6正负号方向
（1）应力－正号代表张力，负号代表压力
（2）剪应力－详见下图，图中所示剪应力为正号
（3）应变－正的应变表示伸长，负的应变代表压缩
（4）剪应变－剪应变的正负号与剪应力相同
（5）孔隙压力－孔隙压力永远为正
（6）重力－正号的重力物质往下拉，负号的重力将物质往上提。
二、FLAC内建之组合律
FLAC内建之组合律有：
1．空洞模式（nullmodel）
使用于土壤被移除或开挖
2．弹性模式
3．塑性模式，
包括
a.Drucker－Pragermodel
b.Mohr－Coulombmodel
c.ubiquitous－jointmodel
d.strain－hardening/softeningmodel
e.bilinearstrain－hardening/softeningmodel
f.double－yieldmodel
gmodifiedcam－claymodel
此外，另有选购（option）模式，包括：
1.动力模式（DynamicOption）
2.热力模式（ThermalOption）
3.潜变模式（CreepOption）
使用者另可使用FISH语言去建构独特的组合律以符合所需。
三、FLAC－以命令为输入语法
请查阅相关手册
四、FLAC程式之使用步骤
4.1FLAC程式使用前准备步骤
步骤1：
依比例画出所欲分析之资料
于纸上画出地点之位置、地层资料、并简标示距离及深度资料。
步骤2：
换算输入资料成同一单位
将现有地层资料，如Density,Bulkmodulus,Young`smodulus,tension,cohesion,frictionAngle等资料，换算成同一单位。
附注：
需谨慎检查输入资料之单位，如因单位不同而造成过大或过小的值，将会造成FLAC无法计算，而产生ERROR讯息。
步骤3：
应用公式简略计算
应用公式或依据经验，简略算出FLAC输出资料的范围，以做为Debug及输出资料分析时验证。
步骤4：
建立x,y座标与nodei,j之关系
于图上距离及深度之关系，建立x,y座标系统，再由x,y座标系统，转换与网格间系，为了便于以后输出资料的分析，故应确实掌握网格之位置及其相对应的x,y座标。
建议在敏感区域使用较密之网格，其它地区则使用较疏之网格，刚开始跑程式时，不宜使用网格太大的网格数目，因尽量使网格总数少于1000，以节省时间。
4.2FLAC输入程式编写步骤
FLAC程式编写顺序需依实际工程进行之逻辑步骤建立。
如欲分析开挖题目，则需先求出未挖前之应力分布，再以此应力分布求开挖后之土壤变形及是否会崩毁，如因开挖后造成崩毁，则FLAC程式将无法继续，萤幕将出现ERROR讯息，如
BadGeometryZone，---------'-----------．
FLAC程式前几行之顺序为
oConfig ________
oGrid ________
oModel ________
以后各行编写之顺序，则建议以下之步骤：
1.求起始之应力平衡
（1）建立x,y座标与网格之关系，建议使用Gen指示：
Genx1,y1x2,y2,x3,y3x4,y4i=i0,i1j=j0,j1详细指令参见使用手册，FLAC程式可自动产生x,y座标与网格之关系，但由于产生之网格座标不易控制，将对其它之工作产生负面影响，故依使用前步骤4所建立之关系，将网格依其疏密程度需要之不同，实际控制网格之座标。
（2）设定材料性质：
prop
（3）设定外力：
SetGrav,ApplyPressure,inisxx,Syy
（4）设定边界条件：
fix,free
（5）求起始之应力平衡：
solve
（6）储存：
Save
２求工程之影响
求出区域内之应力分布情况后，再依工程之流程及步骤阶段执行各工程进行过程之影响，建议使用以下之步骤：
（1）叫出起初之应力平衡：
re_____.sav
（2）设定新的材料性质：
model,prop
（3）设定新的支撑性质：
struct
（4）设定新的外力
（5）设定边界条件
（6）求工程时之应力平衡
（7）储存
五、分析结果之印出及绘制
FLACV.3.4在分析成果之绘制上，较先前之各版本有一明显及方便的设计，因为V.3.4（CONSOLE）版本。
5.1分析成果绘图
a.直接绘图（不存图档）
flac：
setplotwindows
flac：
plotpenGRYD（欲画出格网及y向变位）
说明:
输入上述两行指令后，连结之印表机会直接印出图形，约占半页A4之纸张，如欲印出全页，则须设定印表机横向列印。
b.绘图（存图档）
flac：
setoutYD.EMF（设以下要画之内容档名为.emf）
flac：
setplotemfcolor（设彩色印制）
flac：
plotpenGRYD（画出之内容为格网及Y向变位）
说明：
YD.EMF可用Word软体叫出并绘图
5.2印出分析内容或成果数据
flac：
setlogYD.TXT（YD.TXT为所要列印内容之档名）
flac：
printydi=1,10j=1,5（设要印出y向位移量）
flac：
setlogoff
说明：
输入上述三个指令后，可用Word，Nodepad等软体叫出YD.TXT并列印。
六、分析范例－边坡稳定分析
本范例共分析三种情况即
（1）粒性土壤C=0；s13.sav
（2）C∮土壤C≠0∮＝0；s14.sav
（3）考虑水位线；s15.sav
其分析网格之建立如下二图所示
01title
02SLOPEUNDERGRAVITATIONALLOAD
03grid20,10
04;Mohr-Coulombmodel
05mm
06;soilproperties-notelargecohesiontoforceinitialelastic
07;behaviorfordetermininginitialstresssate.Thiswillprevent
08;slopefailurewheninitializingthegravitystresses
09props=.3e8b=1e8d=1500fri=20coh=1e10ten=1e10
10;warpgridtoformaslope:
11gen0,00,320,320,0j14
12gensame9,1020,10samei621j411
13marki=1,6j=4
14marki=6,j=4,11
15modelnullregion1,10
16;displacementboundaryconditions
17fixxi=1
18fixxi=21
19fixxyj=1
20;applygravity
21setgrav=9.81
22;displacementhistoryofslope
23hisydisi=10j=10
24;solveforinitialgravitystresses
25slove
26;saveinitialstae
27savesll.sav
28;resetdisplacementcomponentstozero
29inixdis=0ydis=0
30;setcohesionto0
31propcoh=0
32;uselargestrainlogic
33setlarge
34step200
35plotholdbodisxvelmin-2.25e-4max0int2.5e-5zero
36saves12.sav
37step800
38plotholdbodisxvelmin━1e-3max0int2e-4zero
39saves13.sav
40restsll.sav
41inixdis=0ydis=0
42propcoh=le4tens0.0
43setlarge
44solve
45savesl4.sav
46inixdis=0.0ydis=0.0
47;installphreaticsurfaceinslope
48watertable1den1000
49table1（0,5）（6.11,5）（20,9）
50defwetden
51 loopi（1,izones）
52 loopj（1,jzones）
53 ifmode（i,j）>1 then
54 xa=（x（i,j）+x（i+1,j）+（i+1,j+1）+x（i,j+1）
55 xc=0.25*xa
56 ya=（y（i,j）+y（i+1,j）+y（i+1,j+1）+y（i,j+1）
57 yc=0.25*ya
58 ifyc59 density（i,j）=1800
60 endif
61 endif
62 endloop
63 endloop
64end
65wetden
66applypress2e4var0━2e4from1,4to6,6
67plotdenblowaterapply
68step6000
69sclin11901910
70plotholdbouvelpp
71saves15.sav
72return
程式说明
Line1－Line2
本分析之抬头
Line3
建立20Ｘ10之格网
Line4
以；为开始之指令为说明内容，FLAC不读；以后之指令
Line5
分析模式为模耳－库伦，即ModelMohr
Line6－Line8
说明：
底下之土壤系数中之C值及张力强度值故意放大，以免土壤在初始状况时即产生破坏
Line9
土壤性质properties
ｓShearModulusG=0.3Ｘ10^8N/m^2
ｂBulkModulusB=1Ｘ10^8N/m^2
ｄdensityｄ=1500kg/m^3
frifrictionangle∮=20^。
CohCohesionC=1Ｘ10^8N/m^2
TenTensionStrengthT=1Ｘ10^8N/m^2
G=E/2（1+v） k=E/（3（1-2v）
Line10－Line12
格网座标化
Line13－Line14
以mark指令将格网区域化为两部份
Line15
挖除由mark区分后包含Region（1,10）的那部份将边坡＂制造＂出来
Line16－Line19
边界条件之设定i=1及21之边界只容许上下位移，最底部之边界则固定
Line20－Line21
加入重力于整个网格系统
Line22－Line23
选择格点（10,10）检核其y向之位移历线
Line24－Line25
开始计算求取答案
Line26－Line27
储存初始平衡之条件。
唯一之力为重力。
此时之土体内应力为边坡既有之情况
Line28－Line29
将x向及y向之位移归零。
因边坡在未被碰触之前其位移应为零，但是其应力为力入重力后之自然现象，不应归零
Line30－Line31
探讨CASE1，纯粹性土壤之情况。
将土壤之property中之Cohesion设为零，其余参数不变
Line32－Line33
使用＂大应变＂之模式，则每一个step其格网座标自动更新
Line34
求解。
除了使用slove之外，可令step=n，
Line35
绘出位移的等高线
Line37
设求解之step=800，以便观察800个step后之情况。
因本CASE中土壤之C=0∮=20，很明显此边坡会破坏，step=800已够发现此现象。
Line40
再叫出sll.sav即初始平衡况以便进行CASE2之分析
Line41
再设X及Y向位移为零
Line42
变更Cohesion为1Ｘ10^4N/m^2
Line47－Line49
设定水位线为table1，水的密度是1000kg/cm^3
Line50－Line64
使用FLAC去定义functionwet___den，此自设之function乃在定义水位线下之单位重为1800/cm^3。
注意：
有几个loop就要有几个endloop，有几个if就要有几个endif，结尾必定要以end结束。
Line65
前面之definewet___den是在定义FLACfunction之内容。
而此行才是要命令FLAC在此时执行此function.必需先定义出function之内容才能令FLAC执行。
Line66
加外力于边界上，如在边界内部则使用interio指令。
此行即沿著i=1,4在j=6之边界加上2e4Newton渐消减为0之外应力。
Line69
定出画图之扫瞄线scanline，此行定出一条扫瞄线连接（19,0）（19,10）两点，只要图中之等高线与此扫瞄线相交，即会标出，方便看图时之参考。
Line72
跳出FLAC执行档
新关于flac的几点说明
自从FLAC3D随着时间的发展模拟了非线性体系，与常规的有限元程序在计算结束时生成结果相比，它的结果的解释说明更难了。
这有一些指示器可以用来评估数值模型的状态——例如，不管体系是稳定的，不稳定的，还是处于稳定的流变状态。
各种各样的指示器用法如下所述。
9.1不平衡力
每个网格顶点最多由八个区域包围，这些区域对网格顶点施加力。
在平衡状态，这些力的代数和几乎为零（也就是说，网格顶点一边的力几乎与另一边的力平衡）。
如果不平衡力接近一个非零恒定值，那么这表示模型失败或进入了流变状态。
在计算过程中，最大不平衡力由所有的网格决定，在显示屏上可以不断看到这个理。
也可以把它保存为一个记录，并在图表里看到。
对于评估模型的状态，不平衡力是很重要的，但是它的量级要与网格内典型的内力量级作比较。
也就是说，有必要知道是什么产生了这个“小”力。
网格顶点的典型内力可以根据增加与力垂直方向的应力来找到，要取网格重要区域内的典型值。
用最大不平衡力与典型内力的比值表示R，表示为百分数，R的值从不会减小到零。
但是，根据要求的精确度，1%或0.1%都可能被认为是达到了平衡（例如，在顺序执行的中间阶段可能R=1%是足够好的，但是在做报告或论文时最终应力或位移分配可能要用R=0.1%）。
注意R值小只表示所有网格顶点的力都平衡。
但是可能会发生没有加速度的流变。
为了区分流变和“真实”平衡，可能要检查另外的指示器，如下面所述。
9.2网格顶点的速度
评定网格的速度有两种方法，一是绘制整个区域的速度图（用PLOTvel命令），一是选择网格中的一些关键点并记录它们的速度（HISgpxvel,yvel或zvel）。
两种绘图方法都有用。
在最后阶段如果速度记录显示为水平线，那么表明达到了稳定状态。
如果它们都收敛于趋近零（于它们的初始值相比），那么已经达到了绝对的平衡；如果有记录收敛于趋近零的值，那么与记录相应的网格顶点进入了流动状态。
如果一个或多个速度记录图显示上下波动，那么系统可能出现了瞬时现象。
注意速度由许多位移单元除以时步表示。
速度向量图却很难说明，因为速度的大小和图样都很重要。
只要网格顶点受力，速度就决不会减小到零。
速度的大小应该与通过执行很多时步（如1000步）生成的位移有关。
举例，如果体系的当前位移是1cm，且速度图中的最大速度是10-8m/时步，那么1000时步会产生一个10-5m,或10-3cm的位移增量，即当前位移的0.1%。
这种情况下，即使速度在一个方向看起来是“平滑的”，那么也可以说体系是平衡的。
更多的情况是，速度向量的方向很随意，（或几乎随意），大小可能很随意，（或几乎随意）。
当网格顶点力的改变小于计算机的精度——小数点后六位时，会发生上面那种情况。
一个低振幅的速度场是没有流变的平衡状态的可靠的指示器。
如果速度场的向量是一致的（也就是说，有一个系统的样式），且大小很大（使用前面所述的准则），那么体系家发生了流动或还在发生弹性变化（例如，发生了弹性阻尼振动）。
为了确认流变是否在继续，应该检查一个塑性指示器图，如下所述。
不管怎样，如果有弹性振动，那么就应观察速度大小，以显示这些运动是不是重要。
可能会看到表面上看起来有意义的模式，但如果振幅比较低，那么运动没有物理意义。
9.3塑性指示器
对于FLAC3D中的塑性模型，可用PLOTblockstate命令显示塑性区，在塑性区内应力超过了屈服强度。
这个指示器表示发生了流变，但是也可能一个单元只是“坐在”区域表面，而没有发生大的流变。
为了看是否产生了机构，观察塑性指示器的整个模式很重要。
从塑性状态图可看出两种类型的破坏机制：
剪切破坏和拉伸破坏——在图上用不同的颜色给于表示。
塑性状态图可以显示的状态有：
（1）某一区域内的应力进入屈服状态（如某区域正处于破坏阶段时用-n表示）；
（2）某一区域内的应力在模型运行过程中进入过屈服状态，但现在已经退出了屈服状态，用-p表示。
（3）某一区域在开始阶段出现塑性流动，后来由于应力重分布这一区域卸载而退出塑性状态，用shear-p或tension-p表示。
如果有很接近动态的塑性域（由剪力-n或拉力-n表示）的一条线连接两个面，那么表示失败机制起作用了。
如果速度图上出现了与该机制相应的运动，那么可以肯定判断是正确的。
如果在塑性区和边界间没有接近线或小的区域，那么应该在执行，比如说，500时步前后比较两种模式。
动态的屈服区域是增加了还是减少了？
如果是减少了，那么体系可能正向平衡发展；如果是增加了，那么可能要发生最后的破坏。
对于普遍存在的铰模型，在塑性图上，用u:
剪力表示铰平面的破坏，用u:
拉力表示铰平面的拉伸破坏。
如果可以判断还将继续发生流变，那么还有一个问题——动态的流变带包括邻近的人造边界吗？
术语“人工边界”是指这样一个边界，不对应实体，而只是用来限制网格的尺寸（见3.4节）。
如果沿着这样的边界发生流变那么求解是不现实的，因为不存在的实体会影响失败机制。
这个结论只适用于最终稳定状态的求解；中间阶段沿着边界可能发生流变。
9.4记录
在任何问题中，都有一些很重要的变量——例如在一个问题中位移很重要，而在另一个问题中应力却是重点。
通过使?
**IST命令在重要区域内自由使用这些重要变量。
在执行了一些时步后，绘制出这些记录可以发现体系都发生了什么变化。
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