巖土工程【PFC、3Dec】離散元數值模擬

hdpky

2023年7月4日 18:23

離散元數值模擬仿真技術與應用

【 PFC 】｜【 3DEC 】

離

散

元

3DEC是非連續巖石力學與結構問題的首選分析程序，從巖石邊坡失穩的發展研究到地下工程挖掘和巖石地基工程中節理巖體、斷層、層理等結構影響的模擬估算，3DEC在復雜行業問題研究有很大優勢。

而PFC離散元計算方法在巖體的動態、非線性過程的數值計算方面較傳統的連續元有獨特的優勢和進步，在PFC計算中無需給定材料的宏觀本構關系和對應的參數，這些傳統的參數和力學特性在程序中可以自動得到。

離散元數值模擬試驗的方法可以解決傳統試驗造價高、操作繁瑣、材料模型復雜等難題，并且可以精確化數值，在科研工作中發揮了非常重要的作用。應新老客戶培訓需求，北京軟研國際信息技術研究院舉辦“離散元數值模擬仿真技術與應用“系列專題培訓班，本次培訓由互動派（北京）教育科技有限公司具體承辦。具體事宜通知如下：

培

訓

時

間

0 1

PFC離散元仿真應用專題

2023 年 7月 22日-7月23日

2023 年 7月 29日-7月30日

在線直播（授課4天）

0 2

3dec離散元數值模擬應用專題

2023 年 8月 05日-8月06日

2023 年 8月 12日-8月13日

在線直播（授課4天）

培訓目標

1、本次課程分為2個專題，每個專題是4天時間，分兩階段授課，均提供無限次回放視頻。課程對知識進行由淺入深系統講解，配合案例解析邊講邊練；課堂上連麥答疑，并發送全部案例模型文件，建立永不解散的課程群，長期互動答疑。

2、3DEC課程系統學習巖土工程數值模擬方法，包括3DEC實體建模、內置FISH語言編寫程序來擴展3DEC的有效性、3DEC節理/接觸面/結構單元、靜力學分析、流固耦合、非線性動力模擬、3DEC后處理。每個知識點都帶有案例實操鞏固練習，將知識點滲透融會貫通。

3、PFC課程詳細介紹軟件的計算控制、離散元數值試樣的生成方法、接觸模型選擇、參數標定、模型邊界條件施加方法、PFC3D與FLAC3D耦合、離散—連續耦合模擬分析、PFC與CFD耦合、流固耦合框架等多個知識點，全面掌握PFC離散元整套的仿真應用框架。

4、每個專題都涵蓋多個工程實例模擬分析。包括巷道錨桿支護模擬、初始地應力場反演技術、地面注漿/水力壓裂模擬、地下空間開挖巖層運移分析、隧道掘進圍巖力學響應分析、邊坡開挖安全性分析等超多3DEC實例分析。PFC中包含了常規/真三軸剪切試驗、不排水/循環三軸剪切模擬、離散元模擬與彈塑性本構模型等多個土體單元試驗模擬案例和活動門試驗、盾構隧道掌子面穩定性、節理巖體中的硐室開挖穩定性、二維殼結構單元耦合、孔隙介質中Darcy流模擬等多個實例。案例貫穿整個課程一步步帶領大家操作，對于學員自己關心工程問題實踐具有重大意義。

課程大綱

離

散

元

課程

內容

理論基礎及PFC入門

1 巖土工程數值模擬方法概述

1.1基于網格的模擬方法（有限元、有限差分、大變形處理CEL、ALE、XFEM）

1.2基于點的模擬方法（離散單元法DEM、光滑粒子流方法SPH、物質點法MPM）

1.3基于塊體的模擬方法

2 離散元與PFC軟件操作

2.1 離散元的基本原理（計算原理、宏觀參量與微觀參量的關系）

2.2 PFC軟件界面操作

2.3文件系統

2.4顯示控制

2.5幫助文檔的使用

FISH、PYTHON語言及COMMAND命令

3 PFC軟件的計算控制方法

3.1 PFC計算控制的語言邏輯

3.2 FISH語言（基本語法、函數定義與調用、創建模型、控制模擬過程、處理模擬結果、FISH Callback操作等）

3.3 COMMAND命令（命令結構、創建模型、狀態監測與繪圖、控制模擬過程、求解控制、狀態查詢、與FISH語言的混合使用等）

3.4 PYTHON語言（基本語法、Numpy庫的使用、接口的使用等）

離散元模擬方法

4 離散元模擬方法

4.1離散元數值試樣的生成方法

4.1.1單元試樣模型生成方法

4.1.2邊值問題（場地）模型生成方法

4.1.3連續—非連續耦合模型生成方法

4.1.4復雜顆粒形狀的模擬方法（Rblock方法、Clump方法）

4.2接觸模型選擇與參數標定

4.2.1離散元接觸模型的選擇原則—12個內置模型

4.2.2接觸模型參數的標定方法與參數意義—以膠結顆粒材料（巖石、膠結砂土等）為例，講授參數標定步驟

4.3其他問題

4.3.1模型邊界條件施加方法（達到初始平衡狀態、開挖類模擬、填筑類模擬、加載類模擬、周期性邊界、應力伺服）

4.3.2各種阻尼的選擇（粘滯阻尼、局部阻尼、滯回接觸模型）

4.3.3時步與時步縮放（靜力、動力問題時步及相關命令）

4.3.4試樣尺寸、顆粒數量、級配選擇

4.3.5 并行計算

土體單元試驗模擬

5 土體單元試驗模擬方法

5.1常規三軸剪切試驗模擬(命令流+FISH)

5.1.1建模方法與注意事項

5.1.2模擬結果分析

5.1.3模擬結果可視化

5.2真三軸剪切模擬(命令流+FISH)

5.2.1真三軸加載路徑的模擬

5.2.2真三軸強度準則

5.2.3微觀結構演變過程

5.3不排水三軸剪切模擬(命令流+FISH)

5.4循環三軸剪切的模擬(命令流+FISH)

5.5顆粒破碎過程模擬(命令流+FISH)

5.6巖石（膠結顆粒）材料的剪切過程模擬

5.7離散元模擬與彈塑性本構模型

工程實例分析

6 工程實例分析

6.1活動門試驗模擬(命令流+FISH)

6.1.1試樣級配控制

6.1.2應力狀態控制

6.1.3孔隙比的控制

6.1.4 活動門加載的實現

6.2盾構隧道掌子面穩定性(命令流+FISH)

6.2.1主動失穩模式

6.2.2被動失穩模式

6.3節理巖體中的硐室開挖穩定性(命令流+FISH)

6.3.1節理裂隙巖體的生成

6.3.2初始應力狀態控制

6.3.3 開挖模擬

PFC3D與FLAC3D耦合模擬與分析

7 離散—連續域耦合模擬

7.1離散—連續耦合模擬方法

? 與FLAC3D中一維結構單元耦合

? 與FLAC3D中二維殼結構單元或三維實體單元的面的耦合

? 與FLAC3D中三維實體單元的耦合（實例）

7.2離散—連續域參數匹配

7.3基于離散—連續域耦合的三軸剪切試驗模擬(命令流+FISH)

實例操作：二維殼結構單元耦合（殼單元模擬橡膠膜-創建耦合墻-施加應力邊界等向壓縮-剪切模擬）

7.4基于離散—連續域耦合的地基承載力分析(命令流+FISH)

實例操作：基于Punch indentation案例的修改與實現

PFC-CFD耦合模擬與分析

8 流固耦合分析

8.1顆粒與流體相互作用理論（CFD模塊概況、體積平均粗網格法、顆粒與流體相互作用計算）

8.2流固耦合框架

? CFD網格、流體域邊界設置、網格導入、網格流體參數設置

? 孔隙率計算

? 耦合時間間隔、耦合時步、網格與顆粒尺寸

? 耦合步驟

8.3實例操作分析(命令流+FISH)

8.3.1單向耦合

8.3.2孔隙介質中Darcy流模擬（Fipy應用）

8.3.3 與FLAC3D的滲流耦合模擬

答疑

建立班級微信群，長期指導關于自己關心的PFC離散元處理方案和策略

部分案例示意圖

離

散

元

一、巖土工程數值模擬方法及相關軟件介紹	1.1 數值模擬在巖土工程領域的應用（土木工程、巖土工程、采礦工程、地質工程、地下工程、水利水電工程等） 1.2 巖土工程數值計算方法介紹（有限元、有限差分、離散元） 1.3 巖土工程數值計算軟件介紹（ANSYS、ABAQUS、FLAC3D、PFC、3DEC） 1.4 3DEC軟件介紹（基本原理、計算模式、主要功能和模塊等） 1.5 3DEC自學自助方法上機操作：認識3DEC軟件及其界面功能操作演示
二、3DEC實體建模	2.1 常規網格模型生成（軟件自帶功能生成各類網格模型） 2.2 復雜網格模型生成（Rhino、Midas、Abaqus等網格導入3DEC中生成網格模型）上機操作：（1）軟件自帶功能生成各類網格；（2）Rhino建模導入3DEC計算
三、3DEC基本命令語句	3.1 塊體單元生成 3.2 節理設置 3.3 巖體分組 3.4 巖體和節理賦參 3.5 邊界條件施加 3.6 應力、位移等監測布置 3.7 求解計算方式上機操作：巖層/地下空間開挖/掘進模擬代碼編寫演示
四、3DEC內置FISH語言編程	4.1 FISH語言的妙用及語法介紹 4.2 函數、變量、數值類型 4.3 常用關鍵詞/內置變量 4.4 條件語句、循環語句、遍歷語句、選擇語句上機操作：演示FISH編程實現：（1）自動循環開挖/掘進; （2）自動按需保存; （3）設置測線采集監測數據; （4）其他個性化需求的實現等
五、3DEC節理/接觸面單元	5.1 接觸面單元的用途及基本原理 5.2 接觸面單元生成方法 5.3 隨機節理生成 5.4 接觸面單元參數獲取與賦參上機操作：節理/結構面對井筒/隧道穩定性的影響分析
六、3DEC結構單元	6.1 巖土-結構相互作用原理 6.2 beam單元的運用 6.3 cable單元的運用 6.4 Hybrid單元的運用 6.5 Liner單元的運用 6.6 Pile單元的運用 6.7 Shell單元的運用上機操作：各種結構單元的設置演示
七、3DEC靜力學分析	7.1 巖土體參數獲取與賦值 7.2 巖土體的本構模型選取 7.3 初始地應力場生成 7.4 邊界條件：靜力邊界、速度邊界、面力邊界 7.5 計算求解與結果合理性分析上機操作：初始地應力場反演技術
八、3DEC流固耦合模擬入門	8.1 滲流計算基本原理 8.2 滲流本構模型及賦參 8.3 滲流邊界條件、初始條件 8.4 流固耦合分析上機操作：地面注漿/水力壓裂模擬
九、3DEC非線性動力模擬入門	9.1 動力計算基本原理 9.2 動力邊界條件設置 9.3 力學阻尼及參數選擇 9.4 網格尺寸與計算效率上機操作：地震/振動對工程結構穩定性/安全性的影響
十、3DEC后處理	10.1 計算結果提取 10.2 切片等選擇性顯示 10.3 導出各類計算結果的云圖 10.4 導出各類計算結果的數據/曲線等上機操作：數值模擬結果后處理演示
十一、零基礎到模擬分析	案例1：手把手從零基礎到地下空間開挖巖層運移分析案例2：手把手從零基礎到隧道掘進圍巖力學響應分析案例3：手把手從零基礎到巷道支護設計分析案例4：手把手從零基礎到邊坡穩定性分析與治理設計
十二、如何學好3DEC	12.1 學習方法探討 12.2 學習經驗交流 12.3 交流對數值模擬的認識和體會

部分案例示意圖

講

師

簡

介

0 1

PFC 講師

江蘇省高水平建設重點高校副教授、碩導。參與國家及省自然科學基金數項，發表 SCI 檢索論文二十余篇，國際、國內會議論文二十余篇，其中專利兩項，軟著五項。主要從事巖土工程數值模擬方法。在土體宏微觀力學特性與本構關系、城市地下空間工程、人工智能機器學習在巖土工程中的應用等方面積累了豐富的經驗。

0 2

3DEC 講師

雙一流大學博士、博士后，巖土工程勘察設計行業高級工程師，參與多項國家重點研發項目和國家自然科學基金面上項目，研究成果發表SCI、EI十余篇，專利7項，巖石力學與工程學會等科技進步一等獎2項，省級科技進步二等獎1項。主要從事數值模擬在巖土工程領域的應用研究，在地下空間工程、隧道工程、采礦工程等領域積累了較豐富的數值模擬分析經驗。