FLAC3D软件原理及特点

刘晨阳

刘晨阳

吉林大学建设工程学院工程地质系长春130026

1FLAC3D简介

FLAC3D[1]是三维岩土力学有限差分计算机程序，是国际通用的岩土工程专业分析软件。FLAC代表连续介质快速拉格朗日分析，是由国际著名学者、英国皇家工程院院士、离散元法的发明人彼得库德尔PeterCundall博士在70年代中期开始研究开发的面向土木建筑、采矿、交通、水利、地质、核废料处理、石油及环境工程的通用软件系统，是美国艾塔斯Itasca国际咨询集团公司的软件核心产品最知名的软件系统之一。自20世纪90年代中页，中国开始引进FLAC及FLAC3D等Itasca系列软件，许多工业部门都在应用FLAC系统进行工程设计、计算及科学研究；今天，FLAC已经成为我国岩土力学与工程界发展最快、最具有影响的数值分析软件系统。

FLAC程序将单元之间的不平衡力重新分配各节点之上，再进行下一步的迭代运算，直到不平衡力足够小或者各节点的唯一区域平衡为止，如下图1所示：

图2迭代求解过程图

3FLAC3D的特点

3.1应用范围广泛

FLAC3D是帮助土木、交通、采矿、水利工程师进行分析、测试及设计的连续介质程序。由于其分析能力并不局限于某一类特殊问题或分析类型，FLAC3D得到了广泛的应用。FLAC3D的设计思想是针对任何需要连续介质力学分析的岩土工程项目。在分析岩土工程问题时，边界条件是最重要的考虑因素，而FLAC3D有多种边界条件，并且边界方位可以任意变化，边界条件可以是速度边界、应力边界，单元内部可以给定初始应力，节点可以给定初始位移、速度等，还可以给定地下水位以计算有效应力、所有给定量都可以具有空间梯度分布。

功能强大：FLAC3D是一个利用显示有限差分法为岩土工程提供精确有效分析的工具，可以解决诸多有限元程序难以模拟的复杂的工程问题。

另外，FLAC3D具有强大的内嵌语言FISH，使得用户可以定义新的变量或函数，以适应用户的特殊需要。FISH可以做如下事情：

（1）用户可以自定义材料的分布变化情况；

（2）用户可以定义变量，追踪其变化规律并绘图表示；

（3）用户可以自己设计FLAC3D内部所没有的单元形态；

（4）在数值试验中可以检测控制；

（5）用户可以指定特殊的边界条件；

（6）自动进行参数分析；

（7）利用FLAC3D内部定义的FISH变量或者函数，用户可以获得计算过程中的节点、单元参数，如坐标、位移、速度、材料参数、应力、应变和不平衡力等。

FLAC3D具有强大的后处理功能。数值计算软件的后处理功能通常是指查看分析的结果，包括图形化的输入和数据输出。FLAC3D具有强大的自动三维网格生成器，内部定义了多种基本单元形状，用户还可以利用FISH自定义单元形状，通过组合基本单元，可以生成非常复杂三维网格；在计算过程中的任何时刻，用户都可以用分辨率的彩色或者灰度图或数据文件输出结果，以对结果进行实时分析图形，可以表示网格、结构以及有关变量的等值线图、矢量图和曲线图等，可以给出计算域的任意截面上的变量图或等值线图。主要的后处理功能包括：1，主应力等值线；2，位移等值线图；3，任意剖面的应力等值线图；4应力矢量图；5，安全系数的计算。

4较于有限元的优势与不足

4.1优点：FLAC3D采用了混合离散方法来模拟材料的屈服或塑性流动特性，利用动态的运动方程进行求解，并采用显式方法进行求解；这比有限元法[3]中通常采用的降阶积分更为合理，可以方便的求出平衡力。

4.2缺点：对于线性问题，FLAC3D要比相应的有限元花费更多计算时间，其收敛速度取决于系统的最大固有周期与最小固有周期的比值，这使得它对某些问题的模拟效率非常低。

参考文献：

[1]季聪,佴磊,马宏,etal.FLAC3D强度折减理论在边坡稳定分析中的应用[J].世界地质,2013,32(1):158-64.

[2]邹栋,郑宏.快速拉格朗日法及其在边坡稳定性分析中的应用[J].矿业研究与开发,2005,25(5):80-3.

[3]连镇营,韩国城,孔宪京.强度折减有限元法研究开挖边坡的稳定性[J].岩土工程学报,2001,23(4):407-11.