FLAC3D是3-D Fast Lagrangian Analysis Code,即三維快速拉格朗日分析程序,概括來講,F(xiàn)LAC3D基本承襲了FLAC程序的計算原理,并將分析能力作進(jìn)一步延伸而拓展到三維空間。
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將FLAC理論拓展至三維空間,F(xiàn)LAC3D程序基本思想可簡單描述為,F(xiàn)LAC3D就介質(zhì)對象的空間形態(tài)表達(dá)、物理條件(荷載、應(yīng)力條件等)描述、受力變形特征等數(shù)值分析總體性環(huán)節(jié)而言,幾乎與FLAC方法完全相同,但不排除可以出現(xiàn)具體處理細(xì)節(jié)上的差異。作進(jìn)一步具體化概述,F(xiàn)LAC3D采用節(jié)點(diǎn)、單元(多面體)、或支護(hù)結(jié)構(gòu)單元來離散表達(dá)物理介質(zhì)的空間形體,形成數(shù)值意義上的“網(wǎng)格群模型”,“網(wǎng)格群模型”的宏觀力學(xué)響應(yīng)應(yīng)力、破壞等)取決于網(wǎng)格基本構(gòu)成元素即節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動狀態(tài),而節(jié)點(diǎn)本身運(yùn)動定律則異常簡單,遵從牛頓第二定律。在節(jié)點(diǎn)運(yùn)動已知并進(jìn)一步得到單元的應(yīng)變狀態(tài)信息的前提下,網(wǎng)格群模型中單個單元受力變形特征服從成熟數(shù)值模型,如固體力學(xué)中的彈性、彈塑/脆性定律,其中彈塑/脆性適應(yīng)于大變形、破壞問題的力學(xué)分析。與FLAC程序一致地,F(xiàn)LAC3D同樣提供大量成熟力學(xué)定律,具備考慮水、溫度、動荷載等復(fù)雜受力條件對介質(zhì)受力變形特征影響的分析模式,此外,程序中的界面單元(inerface)技術(shù)亦可模擬現(xiàn)實(shí)條件下可能存在的非連續(xù)特征(地質(zhì)結(jié)構(gòu)面、或接觸面)。
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計算原理的先后沿承關(guān)系決定了FLAC3D程序就物理介質(zhì)對象的力學(xué)分析方法總體遵循FLAC程序基本思想,但不否認(rèn)二者在具體技術(shù)處理環(huán)節(jié)上各具特色,從應(yīng)用選擇角度出發(fā),有必要洞悉、理解方法意義上的關(guān)鍵差別:
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FLAC、FLAC3D分別從二維、三維的角度來描述物理介質(zhì),顯然三維分析方法更為吻合介質(zhì)體現(xiàn)實(shí)形體特征和受力條件,體現(xiàn)出兩款程序之間質(zhì)的差別;
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在建模環(huán)節(jié),F(xiàn)LAC采用先生成總體grid網(wǎng)格并進(jìn)行局部修正獲得最終網(wǎng)格形態(tài)的建模方法,與之相對地,F(xiàn)LAC3D則應(yīng)用自局部堆疊至整體的常規(guī)性建模方式;
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FLAC、FLAC3D程序在力學(xué)模型庫豐富完善過程中的側(cè)重點(diǎn)不同亦體現(xiàn)出兩者在分析功能層面上的細(xì)微專業(yè)差別,如在飽和—非飽和流體處理環(huán)節(jié),F(xiàn)LAC程序植入了更為準(zhǔn)確的水土特征定律,并可考慮水—?dú)舛椊橘|(zhì)流動,本質(zhì)上比FLAC3D所采用的經(jīng)驗理論更為完善一些,而在蠕變分析環(huán)節(jié),F(xiàn)LAC3D所擁有的模擬手段又要比FLAC更為豐富一些;
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在特定條件下,F(xiàn)LAC3D程序可以蛻化為FLAC程序,盡管FLAC3D的開發(fā)初衷是描述三維空間內(nèi)物理介質(zhì)的力學(xué)行為,但FLAC3D同樣具備二維空間即平面分析能力,如FLAC3D同時提供平面應(yīng)力、平面應(yīng)變分析解決手段。
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FLAC3D應(yīng)用領(lǐng)域
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FLAC3D程序基本理論是基于FLAC方法的承襲并作自二維空間向三維空間內(nèi)的延伸,理論承襲關(guān)系同時決定了FLAC3D程序在分析功能、及行業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域與FLAC程序具備絕對的共性特征,這里強(qiáng)調(diào)分析模式上的共性,如FLAC、FLAC3D均能考慮水、溫度、動力等復(fù)雜受力條件對介質(zhì)力學(xué)行為的影響,但就表達(dá)物理介質(zhì)復(fù)雜形體特征、和賦存環(huán)境(如應(yīng)力環(huán)境)的現(xiàn)實(shí)吻合程度而言,F(xiàn)LAC3D基于三維空間的描述方法顯然比FLAC程序考慮的更為貼切一些。當(dāng)然,以上論述并不突出強(qiáng)調(diào)方法論上的孰優(yōu)孰劣,旨在建議應(yīng)用者在分析方法選擇環(huán)節(jié),應(yīng)建立在充分了解程序特征的基礎(chǔ)上,最終根據(jù)問題自身特點(diǎn)和應(yīng)用需求確定使用哪一款方法。
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與FLAC程序一致地,快速拉格朗日求解模式除了賦予FLAC3D具備常規(guī)性應(yīng)力—應(yīng)變分析外,本質(zhì)上決定了程序更適合于固體介質(zhì)的大變形、或破壞行為(過程)研究。盡管FLAC3D程序的開發(fā)初衷是滿足巖體工程問題的解決需求,在世界巖體工程領(lǐng)域內(nèi)更是不乏大量成功應(yīng)用案例,但隨著非巖體工程領(lǐng)域內(nèi)工作者對FLAC3D諸多技術(shù)優(yōu)勢和強(qiáng)大分析能力的逐步認(rèn)知,F(xiàn)LAC3D早已拓展到非巖體工程領(lǐng)域。
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作為概括性介紹,F(xiàn)LAC3D程序的部分應(yīng)用領(lǐng)域可歸納為:
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巖土工程:主要集中在巖土體介質(zhì)的變形、漸進(jìn)破壞問題上,例如市政基坑工程開挖支護(hù)、高速公路/鐵路路基填筑、大型高邊坡穩(wěn)定變形機(jī)理、深埋地下工程圍巖破壞、礦山崩落開采等。隨著分析功能的逐步擴(kuò)展,F(xiàn)LAC3D也早已經(jīng)應(yīng)用到更為復(fù)雜行業(yè)問題研究中,如巖體結(jié)構(gòu)動力穩(wěn)定性、爆破作用下介質(zhì)破裂擴(kuò)展、沖擊地壓、巖體強(qiáng)度尺寸/時間效應(yīng)和多場耦合(水—溫度—力耦合)等問題;
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地質(zhì)工程:構(gòu)造運(yùn)動過程、斷裂過程、水文地質(zhì)等;
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地震工程:板塊運(yùn)動、地震與振動工程等;
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建筑/結(jié)構(gòu)工程:建筑結(jié)構(gòu)動力穩(wěn)定、建筑材料力學(xué)特征研究(如混凝土變形、強(qiáng)度特征)。
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FLAC3D是一款中、高端產(chǎn)品,適合于廣泛工程行業(yè)范圍內(nèi)常規(guī)、非常規(guī)問題研究,但應(yīng)用水平的深化取決于用戶的理論層次、和對工程實(shí)踐認(rèn)知能力。為促進(jìn)用戶取得突破性高水平成果,ITASCA中國公司向國內(nèi)用戶提供各種層次的培訓(xùn),包括針對具體工程問題在ITASCA公司的長期培訓(xùn).