flac3d流固耦合

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1、1流体－固体耦合与单相渗流1.1介绍3D3DFLAC模拟了流体流过可渗透的介质，例如土体。渗流模型可以独立于通常FLAC的固体力学计算，而只考虑渗透；或者为了描述流体和固体的耦合特性，与固体模型并行计算。固结是一类流固耦合的现象，在固结过程中孔隙随压力逐渐消散，从而导致了固体的位移。这种行为包含了两种力学效应。其一，孔隙水压力的改变导致了有效应力的改变，有效应力的改变影响了固体的力学性能，例如有效应力的降低可能引发塑性屈服；其二，土体中的流体对孔隙体积的变化产生反作用，表现为孔隙水压力的变化。本程序可以不仅可以解决完全饱和土体中的渗流，也可以分析有浸润线定义的饱和与非饱

2、和区的渗流计算。该条件下，浸软面以上的土体的孔隙水压力为零，气体的压力考虑成负的。这种方法用于颗粒比较粗的毛细现象可以忽略土体。渗流分析中有如下的特征：1.对应于渗流各向同性和各向异性材料采用不同的定律。渗流区域中的不可渗透的区域用流体的null材料定义。2.不同的zone可以赋予不同的渗流模型和属性。3.流体压力，涌入量，渗漏量和不可渗透边界都可以定义。4.土体中可以加入抽水井，考虑成点源或者体积源。5.计算完全饱和土体中的渗流问题，可以采用显式差分法或者隐式差分法；而非饱和渗流问题只能采用显式差分法。6.渗流模型可以和固体力学模型和传热模型耦合。7.流体和固体的耦合

3、程度依赖于土体颗粒（骨架）的压缩程度，用Biot系数表示颗粒的可压缩程度。3D3D由于循环荷载引起的动水压力和液化问题也可以用FLAC模拟。FLAC不考虑毛细现象，土体颗粒间的电化学作用力。然而，可以根据土体的饱和度，孔隙率，或者其他的变量，通过编写一段FISH语言来考虑这种力。类似的，由于液体中溶解了空气而引起的液体刚度变化，也不能显式的模拟，而通过FISH将液体刚度表示为压力，时间和其他变量的函数。这以章节可以分为七个主要部分：1.数学模型描述和相应的数值方法（单相渗流和流固耦合计算）。2.计算模式和渗流分析相关的命令。3.渗流分析所需要的材料属性的单位。4.不同边

4、界条件，初始条件，和流体的源和汇的的描述。5.求解单相渗流问题和流固耦合问题的推荐方法。3D用户在尝试解决流固耦合问题之间，强烈建议先熟悉一下FLAC求解固体力学问题的步骤。流固耦合的力学行为通常非常复杂，需要用户对计算结果是否真确需要远见和判断。在开始计算一个大的项目支前，有必要在一个网格比较少的例子上作试验，尝试不同的边界条件和建模策略。“浪费”在试验上的时间，必定可以通过计算时间来弥补回来。1.2FLAC3D流体－固体方程描述3D大多数工程分析，包括瞬时变形和孔隙水压力消散机制通过非耦合的技术来模拟。FLAC除了提供这些非耦合的计算模式，也提供流体固体力学耦合计算

5、的选项。在该方法中，多孔介质的力学响应通过瞬态流来研究。虽然本章节主要考虑变形－流体消散的问题，流体－热－固体力学耦合作用的方程完整的列出。3DFLAC中力学变形－流体消散的描述在准静态Biot理论的框架下完成，而且可以应用到多孔介质中遵循Darcy定律的单相渗流的问题。不同类型的流体，包括气体和水，可以用这个模型表述。描述多孔介质中流体渗流的变量是孔隙水压力，饱和度和特定排水向量的三个分量。相关的变量遵循流体的质量守恒定律，达西定律，和流体响应孔隙水压力改变，饱和度改变，体积应变改变和温度改变的本构模型。1.3数值方程(部分翻译)流体连续性方程：3D在FLAC的数值方

6、法中，渗流区域离散为由8节点定义的砖块状的zone。孔隙压力和饱和度设定为节点变量。每个zone可以划分为5个四面体，四面体中的孔隙水压力和饱和度假定为线性变化。数值方法基于流体连续性方程的节点有限差分方程。该方程可以与导致牛顿定律节点形式的固体力学常应力方程并行计算。1.4流固耦合的计算模式孔隙水压力分析所需的计算模式和命令依靠于节点是否设置了渗流分析。1.4.1节点没有设置渗流分析如果没有设置CONFIGfluid命令，也可以在节点上设置孔隙水压力。在该计算模式中，孔隙水压力不变，但是由有效应力决定的具有弹塑性力学性能的材料有可能破坏。可以用INITIALpp命令或

7、者用WATERtable命令，设置节点上的孔隙水压力分布。如果设置了WATERtable命令，在浸润线以下的静水压力分布由程序直接计算。在该情况下，流体密度和重力加速度必须设置。流体密度和浸润线的位置可以用PRINTwater命令显示。Zone的孔隙压力通过平均节点值来确定。孔隙水压力用于生成有本构模型中的效应力。在该计算模式下，计算体积力时，流体（质量）部分不能自动考虑，湿重度和干重度必须由用户手动设置。1.4.2节点设置渗流分析如果设置了CONFIGfluid命令，可以进行瞬态渗流分析。孔隙水压力的改变随着进软线的改变而改变。有效应力