FLAC3D

FLAC 3D（Fast Lagrangian Analysis of Continua）由美國ITASCA公司開發的仿真計算軟體。目前，FLAC有二維和三維計算程式兩個版本，二維計算程式V3.0以前的為DOS版本，V2.5版本僅僅能夠使用計算機的基本記憶體（64K），所以，程式求解的最大結點數僅限於2000個以內。1995年，FLAC 2D已升級為V3.3的版本，其程式能夠使用擴展記憶體。因此，大大擴展了計算規模。FLAC 3D是一個三維有限差分程式，目前已發展到V5.01版本。

基本介紹

• 中文名：FLAC 3D
• 外文名：Fast Lagrangian Analysis of Continua 3D
• 解釋：有限差分程式FLAC2D的三維拓展
• 學科：地質學、地下工程、地質模擬

簡介

FLAC3D是二維的有限差分程式FLAC2D的拓展，能夠進行土質、岩石和其它材料的三維結構受力特性模擬和塑性流動分析。通過調整三維格線中的多面體單元來擬合實際的結構。單元材料可採用線性或非線性本構模型，在外力作用下，當材料發生屈服流動後，格線能夠相應發生變形和移動（大變形模式）。FLAC3D採用了顯式拉格朗日算法和混合-離散分區技術，能夠非常準確地模擬材料的塑性破壞和流動。由於無須形成剛度矩陣，因此，基於較小記憶體空間就能夠求解大範圍的三維問題。FLAC3D是採用ANSI C++語言編寫的。2009年Itasca公司推出flac3dv4.0，2012年第二季度將推出flac3dv5.0。

優缺點

FLAC3D有以下幾個優點：

1.對模擬塑性破壞和塑性流動採用的是“混合離散法“。這種方法比有限元法中通常採用的“離散集成法“更為準確、合理。

2.即使模擬的系統是靜態的，仍採用了動態運動方程，這使得FLAC3D在模擬物理上的不穩定過程不存在數值上的障礙。

3.採用了一個“顯式解“方案。因此，顯式解方案對非線性的應力-應變關係的求解所花費的時間，幾乎與線性本構關係相同，而隱式求解方案將會花費較長的時間求解非線性問題。而且，它沒有必要存儲剛度矩陣，這就意味著；採用中等容量的記憶體可以求解多單元結構；模擬大變形問題幾乎並不比小變形問題多消耗更多的計算時間，因為沒有任何剛度矩陣要被修改。

FLAC3D的不足之處：

1.對於線性問題的求解，FLAC3D比有限元程式運行得要慢；因此，當進行大變形非線性問題或模擬實際可能出現不穩定問題時，FLAC3D是最有效的工具。

2.用FLAC3D求解時間取決於最長的自然周期和最短的自然周期之比。但某些問題對模型是無效的。

3.前處理功能較弱，複雜三維模型的建立比較困難。

本構模型

FLAC 3D中包括11種材料本構模型：

1. 空單元模型（開挖模型）

2. 三種彈性模型（各向同性、正交各向異性和橫向各向同性）

3. 七種塑性模型（Drucker-Prager模型、摩爾-庫倫模型、應變硬化/軟化模型、多節理模型、雙線性應變硬化/軟化多節理模型、D-Y模型和修正的劍橋模型）

格線生成

Flac3D格線中的每個區域可以給以不同的材料模型，並且還允許指定材料參數的統計分布和變化梯度。而且，還包含了節理單元，也稱為界面單元，能夠模擬兩種或多種材料界面不同材料性質的間斷特性。節理允許發生滑動或分離，因此可以用來模擬岩體中的斷層、節理或摩擦邊界。

FLAC3D中的格線生成器gen，通過匹配、連線由格線生成器生成局部格線，能夠方便地生成所需要的三維結構格線。還可以自動產生交叉結構格線（比如說相交的巷道），三維格線由整體坐標系x,y,z系統所確定，不同於FLAC程式是由行列方式確定。這就提供了比較靈活的產生和定義三維空間參數。

條件

定義方式與FLAC相同。在邊界區域可以指定速度（位移）邊界條件或應力（力）邊界條件。也可以給出初始應力條件，包括重力荷載以及地下水位線。所有的條件都允許指定變化梯度。

FLAC3D還包含了模擬區域地下水流動、孔隙水壓力的擴散以及可變形的多孔隙固體和在孔隙內粘性流動流體的相互耦合。流體被認為是服從各向同性的達西定律。流體和孔隙固體中的顆粒是可變形的，將穩態流處理為紊態流可以模擬非穩態流。同時能夠考慮固定的孔隙壓力和常流的邊界條件，也能模擬源和井。流體模型可以與結構的力學分析獨立進行。

計算步驟

與大多數程式採用數據輸入方式不同，FLAC採用的是命令驅動方式。命令字控制著程式的運行。在必要時，尤其是繪圖，還可以啟動FLAc用戶互動式圖形界面。為了建立FLAC計算模型，必須進 行以下三個方面的工作：

1. 有限差分格線

2. 本構特性與材料性質

3. 邊界條件與初始條件

完成上述工作後，可以獲 得模型的初始平衡狀態，也就是模擬開挖前的原岩應力狀態。然後，進行工程開挖或改變邊界條件來進行工程的回響分析，類似於FLAC的顯式有限差分程式的問題求解。與傳統的隱式求解程式不同，FLAC採用一種顯式的時間步來求解代數方程。進行一系列計算步後達到問題的解。

在FLAC中，達到問題所需的計算步能夠通過程式或用戶加以控制，但是，用戶必須確定計算步是否已經達到問題的最終的解。

介紹

1、更快的運行速度：

FLAC3D 4.0計算速度更快、繪圖更快、處理命令更快。測試表明，在這些方面，軟體處理速度將會有兩倍到百倍的增加。

2、煥然一新的圖形用戶界面：

FLAC3D 4.0的用戶界面完全重新設計，用戶將會有全新的體驗，更快、更高效、更易於使用，並載入了眾多新功能。

3、加速的3D圖形引擎：

新增了3D加速圖形處理，圖形渲染速度有了極大的提高，同時提供了一系列新的模型可視化選項，包括透明度設定、互動式剪輯、等值面、DXF圖形等等。

4、內置了文本編輯功能：

伴隨著項目管理在程式中內置了文本編輯工具， FLAC3D可以獨立進行文本編輯或者與用戶喜愛的第三方工具一起運行。在用戶界面可以直接運行打開的數據檔案。