Problem Solving with FLAC3D（本項目在examples里的UsersGuide->ProblemSolving->GridGeneration->GridGeneration.f3prj）

本節(jié)提供在靜態(tài)力學(xué)分析問題解決中使用FLAC3D的指導(dǎo)

1創(chuàng)建項目（Approach and Project Setup）

地質(zhì)工程過程的建模涉及特殊的注意事項，并且其設(shè)計理念不同于采用人造材料進行設(shè)計時遵循的設(shè)計理念。必須使用相對較少的特定地點數(shù)據(jù)來進行巖石和土壤中或巖石和土壤上的結(jié)構(gòu)和開挖的分析和設(shè)計，并且要意識到變形性和強度特性可能會發(fā)生很大的變化。

在巖石或土壤現(xiàn)場無法獲得完整的現(xiàn)場數(shù)據(jù)。

例如，關(guān)于應(yīng)力，特性和不連續(xù)性的信息。

由于設(shè)計預(yù)測所需的輸入數(shù)據(jù)是有限的，因此應(yīng)主要使用地質(zhì)力學(xué)數(shù)值模型來了解影響系統(tǒng)行為的主要機制。一旦了解了系統(tǒng)的行為，就適合為設(shè)計過程開發(fā)簡單的計算。

這種方法是針對巖土工程的，其中總是缺乏良好的數(shù)據(jù)。但是在其他應(yīng)用程序中，如果有足夠的數(shù)據(jù)以及對材料行為的理解，就有可能在設(shè)計中直接使用FLAC3D。當(dāng)程序提供了適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)時，在FLAC3D分析中生成的結(jié)果將是準確的。

（說明某些應(yīng)用場景的初始信息的重要性決定模擬結(jié)果的準確性）

如果有足夠的高質(zhì)量數(shù)據(jù)可用，F(xiàn)LAC3D可以給出良好的預(yù)測。由于大多數(shù)FLAC3D應(yīng)用程序都將用于幾乎沒有可用數(shù)據(jù)的情況，因此下一個主題提供了一種推薦的方法，將數(shù)值模型當(dāng)作實驗室測試來對待。該模型永遠不應(yīng)被認為是一個“寬松的盒子”，它在一端接受數(shù)據(jù)輸入而在另一端產(chǎn)生行為預(yù)測。必須仔細準備數(shù)字“樣品”，并測試幾個樣品，以了解問題所在。

推薦的地質(zhì)力學(xué)數(shù)值分析步驟

步驟1定義模型分析的目標。

模型中包含的詳細程度通常取決于分析的目的。

例如，如果目標是在建議用來解釋系統(tǒng)行為的兩個沖突機制之間做出決定，則可以構(gòu)建一個粗略模型，前提是該模型允許機制發(fā)生。

僅僅因為復(fù)雜性存在于現(xiàn)實中就很容易將其包含在模型中。

但是，如果復(fù)雜特征可能對模型的響應(yīng)影響很小，或者與模型的目的無關(guān)，則應(yīng)將其省略。從全局視圖開始，并根據(jù)需要添加優(yōu)化。

步驟2創(chuàng)建物理系統(tǒng)的概念圖。

重要的是要對問題有一個概念上的了解，以便對施加條件下的預(yù)期行為提供初步估計。準備概念圖時應(yīng)該問幾個問題。

例如：是否預(yù)期系統(tǒng)會變得不穩(wěn)定？

主要的機械響應(yīng)是線性的還是非線性的？

與問題區(qū)域內(nèi)物體的大小相比，預(yù)期運動是大還是??？

是否存在定義明確的可能會影響行為的不連續(xù)性，或者材料本質(zhì)上是否表現(xiàn)為連續(xù)體？

地下水相互作用有影響嗎？

系統(tǒng)受物理結(jié)構(gòu)限制還是其邊界擴展到無窮大？

系統(tǒng)的物理結(jié)構(gòu)中是否存在幾何對稱性？

這些考慮因素將決定數(shù)值模型的總體特征，例如模型幾何的設(shè)計，材料模型的類型，邊界條件和分析的初始平衡狀態(tài)。他們將確定是否需要三維模型，或者可以使用二維模型來利用物理系統(tǒng)中的幾何條件。

步驟3構(gòu)造并運行簡單的理想化模型。

當(dāng)理想化用于數(shù)值分析的物理系統(tǒng)時，在構(gòu)建詳細模型之前，先構(gòu)建并運行簡單的測試模型更為有效。應(yīng)該在項目的最早階段創(chuàng)建簡單模型，以生成數(shù)據(jù)和理解。結(jié)果可以提供對系統(tǒng)概念圖的進一步洞察力；運行簡單模型后，可能需要重復(fù)執(zhí)行第2步。簡單的模型可以揭示出可以在分析上投入大量精力之前可以彌補的缺點。

例如，所選的材料模型是否足以代表預(yù)期的行為？

邊界條件是否影響模型響應(yīng)？

簡單模型的結(jié)果還可以通過識別哪些參數(shù)對分析影響最大，從而幫助指導(dǎo)數(shù)據(jù)收集計劃。

步驟4組裝特定于問題的數(shù)據(jù)。

模型分析所需的數(shù)據(jù)類型包括以下內(nèi)容：幾何圖形的詳細信息（例如，地下洞口的輪廓，表面地形，大壩輪廓，巖石/土壤結(jié)構(gòu)）；

地質(zhì)結(jié)構(gòu)的位置（例如斷層，層理平面，節(jié)理組）;

材料行為（例如彈性/塑性，破壞后行為）;

初始條件（例如應(yīng)力的原位狀態(tài)，孔隙壓力，飽和度）;

和外部載荷（例如爆炸載荷，加壓洞穴）。

由于通常存在與特定條件（尤其是應(yīng)力狀態(tài)，可變形性和強度特性）相關(guān)的較大不確定性，因此必須選擇合理范圍的參數(shù)進行調(diào)查。簡單模型運行的結(jié)果（在第3步中）通?？梢宰C明對確定此范圍有幫助，并有助于為實驗室和現(xiàn)場實驗的設(shè)計提供見識，以收集所需的數(shù)據(jù)。

步驟5準備一系列詳細的模型運行。

最常見的是，數(shù)值分析將涉及一系列計算機模擬，其中包括所研究的不同機制，并涵蓋了從組裝數(shù)據(jù)庫中得出的參數(shù)范圍。準備一組用于計算的模型運行時，應(yīng)考慮以下幾個方面：

進行每個模型計算需要多少時間？如果模型運行時過多，可能很難獲得足夠的信息來得出有用的結(jié)論。應(yīng)該考慮在多臺計算機上執(zhí)行參數(shù)變化以縮短總計算時間。

模型的狀態(tài)應(yīng)保存在幾個中間階段，這樣就不必為每個參數(shù)變化重復(fù)整個運行。例如，如果分析涉及多個加載/卸載階段，則用戶應(yīng)該能夠返回到任何階段，更改參數(shù)并從該階段繼續(xù)進行分析。

應(yīng)該考慮保存文件所需的磁盤空間量。

模型中是否有足夠的監(jiān)視位置，以提供對模型結(jié)果的清晰解釋并與物理數(shù)據(jù)進行比較？定位模型中的幾個點很有幫助，在計算過程中可以在該點上監(jiān)視參數(shù)變化（例如位移，速度或應(yīng)力）的記錄。同樣，應(yīng)始終監(jiān)視模型中的最大不平衡力，以在分析的每個階段檢查平衡或破壞狀態(tài)。

步驟6執(zhí)行模型計算。

最好先進行一個或兩個模型運行，然后將其分成不同的部分，然后再進行一系列完整的運行。應(yīng)該在每個階段檢查運行，以確保響應(yīng)是預(yù)期的。一旦確定模型運行正確，就可以將多個數(shù)據(jù)文件鏈接在一起以運行完整的計算序列。在一系列運行期間的任何時間，應(yīng)該可以中斷計算，查看結(jié)果，然后繼續(xù)或適當(dāng)?shù)匦薷哪Ｐ汀?/p>

步驟7提供結(jié)果以供解釋

解決問題的最后階段是呈現(xiàn)結(jié)果，以便對分析進行清晰的解釋。最好通過直接在計算機屏幕上以圖形方式顯示結(jié)果或作為輸出到硬拷貝繪圖設(shè)備的結(jié)果來最好地實現(xiàn)。圖形輸出應(yīng)采用可以直接與現(xiàn)場測量和觀察結(jié)果進行比較的格式。繪圖應(yīng)從分析中清楚地識別出感興趣的區(qū)域，例如計算出的應(yīng)力集中的位置，或模型中穩(wěn)定運動與不穩(wěn)定運動的區(qū)域。模型中任何變量的數(shù)值也應(yīng)易于獲得，以便建模者進行更詳細的解釋。

遵循以下七個步驟，以有效解決地理工程問題。以下各節(jié)描述了FLAC3D的應(yīng)用程序，以滿足這種建模方法中每個步驟的特定方面。

2生成網(wǎng)格（Grid Generation ）

（Primitive-Based Grids基于基本體的網(wǎng)格）

FLAC3D具有三種主要的內(nèi)置網(wǎng)格創(chuàng)建方法：基本體，拉伸和構(gòu)件塊。不可以通過交互拉伸來改變圖元，可以通過命令行生成和修改區(qū)域。此外，F(xiàn)LAC3D可以從導(dǎo)入的文件創(chuàng)建區(qū)域。第三方工具（基于體積的CAD程序，例如Rhino）也可以與Itasca的高級自動網(wǎng)格劃分器Griddle結(jié)合使用，以創(chuàng)建區(qū)域，適用于FLAC3D內(nèi)置工具不足或勞動密集型的最復(fù)雜網(wǎng)格。

如果問題具有非常簡單，規(guī)則的幾何形狀，或者碰巧符合區(qū)域創(chuàng)建命令可用的形狀之一，則原始方法是最快，最簡單的方法。

如果問題的幾何形狀可以在二維圖中描述，或者在第三維中只有很小的變化，則應(yīng)首先考慮“extrusion”擠壓。請注意，可以將2D起始幾何圖形導(dǎo)出到Building Block進行3D修改。

如果問題更復(fù)雜但仍由相對規(guī)則的形狀組成，則應(yīng)考慮使用“Building Blocks構(gòu)建基塊”。對于涉及隧道，結(jié)構(gòu)或地基的土木工程問題，這是相當(dāng)普遍的。通過廣泛的手動調(diào)整或通過戰(zhàn)略性使用懸垂工具，可以使用此工具來容納不規(guī)則形狀，但這僅建議用于常規(guī)模型中的有限區(qū)域。

如果問題非常不規(guī)則和/或涉及復(fù)雜的不規(guī)則相交表面，則需要確定區(qū)域面與描述模型的表面的精確構(gòu)型對結(jié)果是否重要。通常，對于不規(guī)則的礦體或其他物質(zhì)邊界，這對于模型的整體物理響應(yīng)并不重要。在這種情況下，通常使用八叉樹方法（也許在第一次使用Building Blocks創(chuàng)建最感興趣的區(qū)域之后）。這種類型的模型在采礦業(yè)中并不罕見。

如果問題非常不規(guī)則，并且網(wǎng)格的精確一致性很重要，則應(yīng)考慮使用Itasca的Griddle或其他第三方網(wǎng)格劃分工具

通過任何構(gòu)造方式，網(wǎng)格生成都需要在計算效率，模型幾何的真實性和結(jié)果準確性之間進行權(quán)衡。（六面體多用、區(qū)域數(shù)、網(wǎng)格精度、區(qū)域大小漸變與否）

網(wǎng)格圖元概述使用FLAC3D中的圖元生成網(wǎng)格涉及將特定連通性的網(wǎng)格形狀拼湊在一起，以形成具有所需幾何形狀的完整模型?？梢允褂脦追N類型的圖元，并且可以將它們連接并遵循以創(chuàng)建復(fù)雜的三維幾何形狀。每種基本類型的區(qū)域生成都是通過zone create命令執(zhí)行的?？梢允褂脄one gridpoint create命令定義單個參考點，以將網(wǎng)格點放置在特定位置，然后在zone create命令中引用它們。 zone gridpoint merge命令可用于確保正確連接單獨的圖元。沿區(qū)域圖元的匹配面的所有網(wǎng)格點必須在要合并的兩個圖元的指定公差范圍內(nèi)?；蛘?，可以使用zone attach命令來連接不同區(qū)域大小的基本網(wǎng)格。如果需要，可以使用FISH調(diào)整最終網(wǎng)格，使其與模型區(qū)域的表面一致。

（注意在使用call命令時，要保證Date Files框中存在call的文件，在是否Plot命令時，要保證主框中有Plot的文件，可以參看GridGeneration.f3prj項目例子）

zone reflect dip 90 dip-direction 270 origin (0,0,0)?

對稱平面是與x = 0平面重合的垂直平面（由“ dip”，“ dip-direction”和“ origin”關(guān)鍵字定位）。

注意，傾斜角（dip）和傾斜方向（dip-direction）假定x對應(yīng)于“東”，y對應(yīng)于“北”，z對應(yīng)于“上”。

也可以使用FISH來平滑網(wǎng)格

（Extrusion-Based Grids）

使用步驟Panes->Extrude->Construction->Extrusion->Buillding Blocks Pane?

(Building Blocks-Based Grids)

Panes->Building Blocks->Add Blocks tool->Generate Zones->zoneit(in the Building Blocks pane)

在構(gòu)建基于構(gòu)建塊的網(wǎng)格時，其他工具和操作可實現(xiàn)更高的復(fù)雜性，其中一些包括以下內(nèi)容：

通過導(dǎo)入CAD數(shù)據(jù)（DXF，STL等），可以構(gòu)造（按原樣進行跟蹤）適合現(xiàn)有3D幾何圖形的構(gòu)建塊集。?

CAD數(shù)據(jù)是支持點捕捉的對象，這有助于整形塊以適合導(dǎo)入的幾何。

邊緣可能會裂開；拆分將在現(xiàn)有塊之間自動傳播。

邊緣可以彎曲，以增加控制點以適合任何形狀。

可以根據(jù)需要隱藏/顯示塊。

可以復(fù)制和粘貼塊。

未連接的塊可以通過匹配相似的面孔而彼此對齊。

可以復(fù)制包括層的一組選定塊，并為其分配不同的厚度。

對象的屬性可以交互設(shè)置/更改，也可以通過“控制面板”精確指定。

三角形面上的區(qū)域的方向可以是“循環(huán)的”。

相似的對象可以組合在一起；從這些對象派生的區(qū)域?qū)⒃谏蓵r保留該組分配。

可以使用多種控制形式進行分區(qū)（請參閱下面的下一個主題）。

提供了一個預(yù)先構(gòu)建的現(xiàn)有形狀和幾何圖形庫。

（Grids from Outside FLAC3D）

zone import or File->Grid or Open into Project

or use Griddle (work with CAD or Rhino)

(Grids from Rhino/Griddle)

暫時不做描述

(Grid Generation: Additional Facilities)

網(wǎng)格密化（Densifying Grids）我們可以生成一個簡單的網(wǎng)格，然后使用zone densify命令對網(wǎng)格進行密化。以這種方式創(chuàng)建的新區(qū)域和面將復(fù)制組分配和原始變量所擁有的額外變量值，但會丟失所有材料模型，應(yīng)力和其他狀態(tài)信息。（Model Pane->select a set of zones->Densify）

zone densify segments 2；（每網(wǎng)格分割兩塊）

若通過指定最大尺寸長度來致密化網(wǎng)格

zone densify local maximum-length (0.5,0.5,0.4) range position-z 2 4（表示在x，y方向劃分兩格，z方向3格，取0.4>0.333，多取較整數(shù)）

如果沿不同區(qū)域的面有不同數(shù)量的網(wǎng)格點，請始終在區(qū)域密集化命令之后使用區(qū)域附加by-face命令。（zone attach by-face

）

若使用幾何信息致密化網(wǎng)格，則需要使用set命令以取出劃分區(qū)域，也需要使用by-face命令鏈接不同精度網(wǎng)格

（Geometry-Based Densification: Octree Meshing）基于幾何的致密化：八進制網(wǎng)格劃分

zone densify segments 2 gradient-limit maximum-length 0.05? repeat range geometry-distance 'intcylinder' gap 0.0 extent

（segments關(guān)鍵字指示每個級別的致密化將在每個方向上將區(qū)域細分為2，從而為每個原始圖像生成八個新區(qū)域。

gradient-limit它確保從一個區(qū)域到下一個區(qū)域的最大區(qū)域大小差異是一個致密化級別。

maximum-length關(guān)鍵字與以下描述的重復(fù)說明相結(jié)合，表示如果區(qū)域的邊長大于0.05，則將標記這些區(qū)域以進行致密化。?

repeat關(guān)鍵字指示將在區(qū)域上進行一次致密化，然后，如果任何區(qū)域被致密，則將選擇新的區(qū)域列表進行致密化。重復(fù)此操作，直到?jīng)]有區(qū)域要致密為止，要么是因為它們不在該范圍內(nèi)，要么是因為它們已經(jīng)小于指定的最大長度。

?range geometry-distance選擇了gap到intcylinder的區(qū)域。由于在這種情況下gap（間隙）為零，因此它將選擇實際上與曲面相交的區(qū)域。?

extent關(guān)鍵字指示與表面的距離應(yīng)通過區(qū)域的笛卡爾范圍來判斷，而不僅僅是區(qū)域質(zhì)心。如果不使用該值，則將需要一個非零的gap，以使區(qū)域有可能落在該范圍內(nèi)。）

要創(chuàng)建符合地形表面的網(wǎng)格，必須指定幾何圖形集。創(chuàng)建幾何圖形集的最簡單方法是通過geometry import命令。

其他命令可用于操縱邊，多邊形和節(jié)點，以及對整體幾何集進行其他操作。

一些圖片