3DEC

3DEC是3 Dimension Distinct Element Code的縮寫，即三維離散單元法程式，顧名思義，3DEC是一款基於離散單元法作為基本理論以描述離散介質力學行為的計算分析程式。概括來講，3DEC程式承襲了UDEC的基本核心思想，本質上是對二維空間離散介質力學描述向三維空間延伸的結果。目前中國區域（包括香港，澳門）3DEC軟體銷售工作都由ITASCA中國公司負責。

物理介質通常呈現非連續即離散特徵，這裡的離散特徵可以現實表現為材料屬性、或細觀、巨觀構造形態意義上的非連續，離散構成本質決定介質亦呈現力學意義上的非連續特點，即離散介質在受力時呈現的變形不連續現象。

簡單的來講，所謂的離散介質可以定義為連續介質的集合體，連續介質之間則通過非連續特徵發生相互作用。

以岩體作為一般性解釋示例，具有不同岩性屬性的岩塊（連續體）和地質結構面（非連續特徵）兩者構成岩體最基本組成要素，在外力作用下，岩塊可以表現為連續介質力學行為，岩塊之間則通過結構面（非連續特徵）實現相互作用，當結構面受力超過其承載極限時，岩塊即表現為相互剪下錯動、或脫開等現實破壞現象。

基本介紹

• 中文名：3DEC
• 決定：3DEC程式
• 異同點：連續性特徵、和非連續特徵
• 包含：3DEC程式亦可蛻化為UDEC程式

計算原理

計算原理的先後沿承關係決定了3DEC程式就物理介質對象的力學分析方法總體遵循UDEC程式基本思想，但不否認二者在具體技術處理環節上各具特色，從套用方法選擇角度出發，有必要洞悉、理解方法意義上的異同點：

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與UDEC程式一致地，3DEC以樸素的思想看待介質離散構成特徵，將其視為連續性特徵（如岩塊）、和非連續特徵（如結構面）兩個基本元素的集合統一體，並以成熟力學定律分別定義這些基本元素的受力變形行為；

3DEC採用凸多面體來描述介質中連續性對象元素（如岩塊）的空間形態，並通過若干凸多面體組合表達現實存在的凹形連續性對象，此外，非連續性特徵（如結構面）則以曲面（三角網）加以表征；

表征連續性特徵對象的凸多面體可以服從可變形、或剛性受力變形定律，如為可變形體，則採用與FLAC/FLAC3D完全一致的快速拉格朗日方案進行求解。

連續性特徵對象之間通過邊界（非連續特徵）實現相互作用，描述邊界曲面受力變形可遵從多種荷載—變形力學定律（即接觸定律），力學定律可以模擬凸多面體之間在公共邊界處相互滑動或脫開行為；

在特定條件下，3DEC程式亦可蛻化為UDEC程式，儘管3DEC的開發初衷是描述三維空間離散介質的力學行為，但程式同樣具備二維空間即平面分析能力，如3DEC同時提供平面應力、平面應變分析解決手段。

儘管連續力學方法中也可以處理一些非連續特徵，比如有限元中的節理單元和FLAC/FLAC3D中的Interface（界面），但包含了節理單元和界面單元的這些連續介質力學方法與3DEC技術存在理論上的本質差別，具體可參閱UDEC概述內容。

如將介質理想地看待為完全連續體，此時3DEC程式可蛻化為FLAC/FLAC3D等連續力學方法，只描述連續性對象即可，即3DEC程式可以選擇在連續介質力學、與非連續介質力學分析功能兩者之間切換，表現出強大通用程式特徵。

套用領域

離散單元法處理介質對象的樸素描述方法，決定了3DEC程式可以滿足工程行業範圍內的廣泛地常規、超常規工程問題解決需求。基於UDEC方法基本理論的承襲、拓展關係，同時決定了3DEC程式在分析功能、及行業套用領域與UDEC程式具備絕對的共性特徵，這裡強調分析模式上的共性，如UDEC、3DEC均能考慮水、溫度、動力等複雜受力條件對介質力學行為的影響，但就表達物理介質複雜形體特徵、和賦存環境（如應力環境）等現實條件的吻合度而言，3DEC基於三維空間的描述方法顯然比UDEC程式考慮的更為貼切一些。當然，以上論述並不突出強調方法論上的孰優孰劣，旨在建議套用者在分析方法選擇環節，應建立在充分了解程式特徵的基礎上，最終根據問題自身特點和套用需求確定使用哪一款方法。

拉格朗日求解模式決定了3DEC具備強大連續介質力學範疇內的普遍性分析能力，同時離散單元法的核心思想更是賦予3DEC在處理非連續介質環節上的本質優勢，特別適合於離散介質在荷載（力荷載、流體、溫度等）作用下靜、動態回響問題的分析，如介質運動、大變形、或破壞行為和破壞過程研究。即便3DEC程式的開發初衷旨在滿足節理岩體的研究需求，並具有大量岩土工程相關行業內成功套用歷史，但離散單元法理論本身並不限於特定工程行業，從本質層面角度描述固體介質物理組成、力學特徵的理論優勢更是將3DEC程式拓展到其他非岩土工程領域，概括地，3DEC程式部分套用領域可以簡述為：

> 岩土工程：基本涵蓋FLAC、FLAC3D、UDEC程式全部套用行業，並且本質上較之這些程式更有技術解決優勢。具體地，行業問題主要集中在介質的變形、漸進破壞問題上，例如大型高邊坡穩定變形機理、深埋地下工程圍岩破壞、礦山崩落開採等。伴隨程式功能的逐步延伸，3DEC更是成為複雜行業問題研究的首選工具，如岩體結構滲透特徵（裂隙流）、動力穩定性、爆破作用下介質破裂擴展、衝擊地壓、岩體強度尺寸/時間效應和多場耦合（水—溫度—力耦合）等問題；

> 地質工程：地質構造運動過程、斷裂過程、水文地質等；

> 地震工程：板塊運動、地震工程與工程振動

> 建築/結構工程：建築結構動力穩定、建築材料力學特徵研究（如混凝土變形、強度特徵）；

> 軍事工程：武器系統與發射工程，如彈道運動軌跡最佳化、炮彈爆炸作用對目標物的破壞過程研究等；

> 過程工程：農業、冶煉、製造、醫藥行業的散體物質（皮帶）傳送、篩選、和分裝，如農業中土豆按大小的機械化分選和分裝、冶煉行業中按級配向高爐運送過程中的自動配料研究等。

軟體特點

> 非連續介質被模擬為凸或凹形多面體的組合體；塊體可為剛體或可變形體

> 非連續特徵定義為塊體之間的接觸面（邊界）> 非連續特徵對象（接觸）的法向和切向運動服從線性或非線性力—位移定律

礦坑邊坡斷層網路

> 擁有極其豐富的岩土體/結構材料模型庫，如常用的：彈性模型、各向異性模型、莫爾庫侖模型、Drucker-Prayer模型、雙線性塑性模型、應變軟化模型、蠕變模型和用戶自定義模型

> 具有無限遠輻射邊界及多樣化的波動輸入方式以進行完全動力學分析；“NULL(空)”塊體可用來模擬開挖和回填；結構單元與塊體耦合

> 基於三維OpenGL技術開發的擴展、快速互動式選單操作界面，為用戶提供廣泛對象可視化功能，包括：節理網路；塊體結構；位移/速度的向量或等值線顯示；節理面變形和應力；結構單元變形和應力；以及節理流動等。程式支持一系列工業標準格式圖形輸出

> 3DEC內嵌廣泛特色功能，如基於AutoCAD的dxf格式檔案的複雜模型生成器PGEN、複雜隧洞模型生成器和基於數理統計理論的節理網路生成器> 內置程式編譯器FISH具有強大核心干預能力，為高級用戶進行自定義功能定製提供途徑> 顯式時間追趕法輔助用戶洞悉節理及格線單元應力路徑，特別地，能夠真實展示與路徑相關的材料強度峰後行為

砌體結構動力失穩分析

> 程式採用內/外區域耦合和自動輻射格線生成法，進行無限域模擬

> 基於孔隙壓力梯度的有效應力計算模式

> 3DEC具有廣泛岩土工程領域分析功能模組，動力分析、蠕變分析、溫度分析、節理網路流動分析等模組專為特定分析目的而定製，特別地，溫度—節理網路流—應力可實現相互完全耦合

> 強大的結構單元類型庫滿足廣泛結構-岩土體相互作用的模擬，如錨索/桿、梁和襯砌單元，結構單元與岩土體之間具有非協調變形特點> 自版本V4.0後，3DEC程式為用戶開發開發了單/雙精度、64位版本，以保證計算精度及提高計算效率

> 自動格線剖分功能：與傳統數值模擬程式不同地，3DEC模型的創建重點在於‘幾何構造’的搭建，且構造搭建過程獨立於格線剖分技術環節，極大提高建模速度

可選模組

動力分析模組

基於時域法，模擬系統的完全動力回響。3DEC動力分析核心技術包括：速度或應力激勵輸入機制；安靜邊界條件；自由遠場條件和阻尼技術（瑞雷阻尼和粘滯性阻尼），特別適用於地震回響、爆破震動、動態能量釋放及大體積塊體流動等非常規問題的分析求解。

破碎岩體邊坡穩定性分析(動力分析)

溫度分析模組

溫度分析模組主要針對工程材料中的熱傳導/對流、及熱-力耦合問題。與流體分析模組類似，該模組可進行獨立運算，或結合其它模組實現耦合分析目的，如參與熱-力耦合、熱-水力耦合、甚至可結合動力分析模組進行完全動力耦合分析。

結構單元模組

除錨桿/錨索、梁單元作為3DEC所具有的結構單元模擬基本手段，襯砌單元用於模擬‘面’型支護結構，如壩、橋樑、牆、及襯砌等結構。3DEC中結構單元計算採用有限元技術。

塔建築砌體結構穩定性分析(地震分析)

自定義模組

3DEC為用戶提供的本構模型開發接口，所支持的高級開發環境為Visual C++。

大型地下廠房開挖/支護分析

中國公司服務

3DEC是一款高端產品，適合於廣泛工程行業範圍內常規、非常規問題研究，但套用層次的深化對用戶的力學理論基礎、和對工程實踐認知能力提出較高要求。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。