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,FLAC3D基本承襲了FLAC程序的計算原理,并將分析能力作進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,FLAC3D程序基本思想可簡單描述為,FLAC3D就介質對象的空間形態表達、物理條件(荷載、應力條件等)描述、受力變形特征等數值分析總體性環節而言,幾乎與FLAC方法完全相同,但不排除可以出現具體處理細節上的差異。作進一步具體化概述,FLAC3D采用節點、單元(多面體)、或支護結構單元來離散表達物理介質的空間形體,形成數值意義上的“網格群模型”,“網格群模型”的宏觀力學響應應力、破壞等)取決于網格基本構成元素即節點的運動狀態,而節點本身運動定律則異常簡單,遵從牛頓第二定律。在節點運動已知并進一步得到單元的應變狀態信息的前提下,網格群模型中單個單元受力變形特征服從成熟數值模型,如固體力學中的彈性、彈塑/脆性定律,其中彈塑/脆性適應于大變形、破壞問題的力學分析。與FLAC程序一致地,FLAC3D同樣提供大量成熟力學定律,具備考慮水、溫度、動荷載等復雜受力條件對介質受力變形特征影響的分析模式,此外,程序中的界面單元(inerface)技術亦可模擬現實條件下可能存在的非連續特征(地質結構面、或接觸面)。
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計算原理的先后沿承關系決定了FLAC3D程序就物理介質對象的力學分析方法總體遵循FLAC程序基本思想,但不否認二者在具體技術處理環節上各具特色,從應用選擇角度出發,有必要洞悉、理解方法意義上的關鍵差別:
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FLAC、FLAC3D分別從二維、三維的角度來描述物理介質,顯然三維分析方法更為吻合介質體現實形體特征和受力條件,體現出兩款程序之間質的差別;
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在建模環節,FLAC采用先生成總體grid網格并進行局部修正獲得最終網格形態的建模方法,與之相對地,FLAC3D則應用自局部堆疊至整體的常規性建模方式;
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FLAC、FLAC3D程序在力學模型庫豐富完善過程中的側重點不同亦體現出兩者在分析功能層面上的細微專業差別,如在飽和—非飽和流體處理環節,FLAC程序植入了更為準確的水土特征定律,并可考慮水—氣二項介質流動,本質上比FLAC3D所采用的經驗理論更為完善一些,而在蠕變分析環節,FLAC3D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,FLAC3D程序可以蛻化為FLAC程序,盡管FLAC3D的開發初衷是描述三維空間內物理介質的力學行為,但FLAC3D同樣具備二維空間即平面分析能力,如FLAC3D同時提供平面應力、平面應變分析解決手段。
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FLAC3D應用領域
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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的延伸,理論承襲關系同時決定了FLAC3D程序在分析功能、及行業應用領域與FLAC程序具備絕對的共性特征,這里強調分析模式上的共性,如FLAC、FLAC3D均能考慮水、溫度、動力等復雜受力條件對介質力學行為的影響,但就表達物理介質復雜形體特征、和賦存環境(如應力環境)的現實吻合程度而言,FLAC3D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。當然,以上論述并不突出強調方法論上的孰優孰劣,旨在建議應用者在分析方法選擇環節,應建立在充分了解程序特征的基礎上,最終根據問題自身特點和應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具備常規性應力—應變分析外,本質上決定了程序更適合于固體介質的大變形、或破壞行為(過程)研究。盡管FLAC3D程序的開發初衷是滿足巖體工程問題的解決需求,在世界巖體工程領域內更是不乏大量成功應用案例,但隨著非巖體工程領域內工作者對FLAC3D諸多技術優勢和強大分析能力的逐步認知,FLAC3D早已拓展到非巖體工程領域。
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作為概括性介紹,FLAC3D程序的部分應用領域可歸納為:
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巖土工程:主要集中在巖土體介質的變形、漸進破壞問題上,例如市政基坑工程開挖支護、高速公路/鐵路路基填筑、大型高邊坡穩定變形機理、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展,FLAC3D也早已經應用到更為復雜行業問題研究中,如巖體結構動力穩定性、爆破作用下介質破裂擴展、沖擊地壓、巖體強度尺寸/時間效應和多場耦合(水—溫度—力耦合)等問題;
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地質工程:構造運動過程、斷裂過程、水文地質等;
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地震工程:板塊運動、地震與振動工程等;
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建筑/結構工程:建筑結構動力穩定、建筑材料力學特征研究(如混凝土變形、強度特征)。
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FLAC3D是一款中、高端產品,適合于廣泛工程行業范圍內常規、非常規問題研究,但應用水平的深化取決于用戶的理論層次、和對工程實踐認知能力。為促進用戶取得突破性高水平成果,ITASCA中國公司向國內用戶提供各種層次的培訓,包括針對具體工程問題在ITASCA公司的長期培訓.