PFC离散元与3DEC离散元数值模拟

随着我国经济的发展，岩土工程涉及的要求从材料、理论到施工工艺都提出了全方位的系统升级。在岩土工程分析设计中，3DEC和PFC软件快速建模也一直是岩土工作者所关注的问题。3DEC是非连续岩石力学与结构问题的首选分析程序，从岩石边坡失稳的发展研究到地下工程挖掘和岩石地基工程中节理岩体、断层、层理等结构影响的模拟估算，3DEC在复杂行业问题研究有很大优势。而PFC离散元计算方法在岩体的动态、非线性过程的数值计算方面较传统的连续元有独特的优势和进步，在PFC计算中无需给定材料的宏观本构关系和对应的参数，这些传统的参数和力学特性在程序中可以自动得到。离散元数值模拟试验的方法可以解决传统试验造价高、操作繁琐、材料模型复杂等难题，并且可以精确化数值，在科研工作中发挥了非常重要的作用。

以下可以作为学习的参考

PFC离散元仿真核心技术与应用

理论基础及PFC入门
1 岩土工程数值模拟方法概述

1.1基于网格的模拟方法（有限元、有限差分、大变形处理CEL、ALE、XFEM）

1.2基于点的模拟方法（离散单元法DEM、光滑粒子流方法SPH、物质点法MPM）

1.3基于块体的模拟方法

2 离散元与PFC软件操作

2.1 离散元的基本原理（计算原理、宏观参量与微观参量的关系）

2.2 PFC软件界面操作

2.3文件系统

2.4显示控制

2.5帮助文档的使用

FISH、PYTHON语言及COMMAND命令
3 PFC软件的计算控制方法

3.1 PFC计算控制的语言逻辑

3.2 FISH语言（基本语法、函数定义与调用、创建模型、控制模拟过程、处理模拟结果、FISH Callback操作等）

3.3 COMMAND命令（命令结构、创建模型、状态监测与绘图、控制模拟过程、求解控制、状态查询、与FISH语言的混合使用等）

3.4 PYTHON语言（基本语法、Numpy库的使用、接口的使用等）

离散元模拟方法
4 离散元模拟方法

4.1离散元数值试样的生成方法

4.1.1单元试样模型生成方法

4.1.2边值问题（场地）模型生成方法

4.1.3连续—非连续耦合模型生成方法

4.1.4复杂颗粒形状的模拟方法（Rblock方法、Clump方法）

4.2接触模型选择与参数标定

4.2.1离散元接触模型的选择原则—12个内置模型

4.2.2接触模型参数的标定方法与参数意义—以胶结颗粒材料（岩石、胶结砂土等）为例，讲授参数标定步骤

4.3其他问题

4.3.1模型边界条件施加方法（达到初始平衡状态、开挖类模拟、填筑类模拟、加载类模拟、周期性边界、应力伺服）

4.3.2各种阻尼的选择（粘滞阻尼、局部阻尼、滞回接触模型）

4.3.3时步与时步缩放（静力、动力问题时步及相关命令）

4.3.4试样尺寸、颗粒数量、级配选择

4.3.5 并行计算

土体单元试验模拟
5 土体单元试验模拟方法

5.1常规三轴剪切试验模拟(命令流+FISH)

5.1.1建模方法与注意事项

5.1.2模拟结果分析

5.1.3模拟结果可视化

5.2真三轴剪切模拟(命令流+FISH)

5.2.1真三轴加载路径的模拟

5.2.2真三轴强度准则

5.2.3微观结构演变过程

5.3不排水三轴剪切模拟(命令流+FISH)

5.4循环三轴剪切的模拟(命令流+FISH)

5.5颗粒破碎过程模拟(命令流+FISH)

5.6岩石（胶结颗粒）材料的剪切过程模拟

5.7离散元模拟与弹塑性本构模型

工程实例分析
6 工程实例分析

6.1活动门试验模拟(命令流+FISH)

6.1.1试样级配控制

6.1.2应力状态控制

6.1.3孔隙比的控制

6.1.4 活动门加载的实现

6.2盾构隧道掌子面稳定性(命令流+FISH)

6.2.1主动失稳模式

6.2.2被动失稳模式

6.3节理岩体中的硐室开挖稳定性(命令流+FISH)

6.3.1节理裂隙岩体的生成

6.3.2初始应力状态控制

6.3.3 开挖模拟

PFC3D与FLAC3D耦合模拟与分析
7 离散—连续域耦合模拟

7.1离散—连续耦合模拟方法

Ø 与FLAC3D中一维结构单元耦合

Ø 与FLAC3D中二维壳结构单元或三维实体单元的面的耦合

Ø 与FLAC3D中三维实体单元的耦合（实例）

7.2离散—连续域参数匹配

7.3基于离散—连续域耦合的三轴剪切试验模拟(命令流+FISH)

实例操作：二维壳结构单元耦合（壳单元模拟橡胶膜-创建耦合墙-施加应力边界等向压缩-剪切模拟）

7.4基于离散—连续域耦合的地基承载力分析(命令流+FISH)

实例操作：基于Punch indentation案例的修改与实现

PFC-CFD耦合模拟与分析
8 流固耦合分析

8.1颗粒与流体相互作用理论（CFD模块概况、体积平均粗网格法、颗粒与流体相互作用计算）

8.2流固耦合框架

Ø CFD网格、流体域边界设置、网格导入、网格流体参数设置

Ø 孔隙率计算

Ø 耦合时间间隔、耦合时步、网格与颗粒尺寸

Ø 耦合步骤

8.3实例操作分析(命令流+FISH)

8.3.1单向耦合

8.3.2孔隙介质中Darcy流模拟（Fipy应用）

8.3.3 与FLAC3D的渗流耦合模拟

3DEC离散元数值模拟技术与应用

一、岩土工程数值模拟方法及相关软件介绍
1.1 数值模拟在岩土工程领域的应用（土木工程、岩土工程、采矿工程、地质工程、地下工程、水利水电工程等）

1.2 岩土工程数值计算方法介绍（有限元、有限差分、离散元）

1.3 岩土工程数值计算软件介绍（ANSYS、ABAQUS、FLAC3D、PFC、3DEC）

1.4 3DEC软件介绍（基本原理、计算模式、主要功能和模块等）

1.5 3DEC自学自助方法

上机操作：认识3DEC软件及其界面功能操作演示

二、3DEC实体建模
2.1 常规网格模型生成（软件自带功能生成各类网格模型）

2.2 复杂网格模型生成（Rhino、Midas、Abaqus等网格导入3DEC中生成网格模型）

上机操作：（1）软件自带功能生成各类网格；（2）Rhino建模导入3DEC计算

三、3DEC基本命令语句
3.1 块体单元生成

3.2 节理设置

3.3 岩体分组

3.4 岩体和节理赋参

3.5 边界条件施加

3.6 应力、位移等监测布置

3.7 求解计算方式

上机操作：岩层/地下空间开挖/掘进模拟代码编写演示

四、3DEC内置FISH语言编程
4.1 FISH语言的妙用及语法介绍

4.2 函数、变量、数值类型

4.3 常用关键词/内置变量

4.4 条件语句、循环语句、遍历语句、选择语句

上机操作：演示FISH编程实现：（1）自动循环开挖/掘进;（2）自动按需保存;（3）设置测线采集监测数据;（4）其他个性化需求的实现等

五、3DEC节理/接触面单元
5.1 接触面单元的用途及基本原理

5.2 接触面单元生成方法

5.3 随机节理生成

5.4 接触面单元参数获取与赋参

上机操作：节理/结构面对井筒/隧道稳定性的影响分析

六、3DEC结构单元
6.1 岩土-结构相互作用原理

6.2 beam单元的运用

6.3 cable单元的运用

6.4 Hybrid单元的运用

6.5 Liner单元的运用

6.6 Pile单元的运用

6.7 Shell单元的运用

上机操作：各种结构单元的设置演示

七、3DEC静力学分析
7.1 岩土体参数获取与赋值

7.2 岩土体的本构模型选取

7.3 初始地应力场生成

7.4 边界条件：静力边界、速度边界、面力边界

7.5 计算求解与结果合理性分析

上机操作：初始地应力场反演技术

八、3DEC流固耦合模拟入门
8.1 渗流计算基本原理

8.2 渗流本构模型及赋参

8.3 渗流边界条件、初始条件

8.4 流固耦合分析

上机操作：地面注浆/水力压裂模拟

九、3DEC非线性动力模拟入门
9.1 动力计算基本原理

9.2 动力边界条件设置

9.3 力学阻尼及参数选择

9.4 网格尺寸与计算效率

上机操作：地震/振动对工程结构稳定性/安全性的影响

十、3DEC后处理
10.1 计算结果提取

10.2 切片等选择性显示

10.3 导出各类计算结果的云图

10.4 导出各类计算结果的数据/曲线等

上机操作：数值模拟结果后处理演示

十一、零基础到模拟分析
案例1：手把手从零基础到地下空间开挖岩层运移分析

案例2：手把手从零基础到隧道掘进围岩力学响应分析

案例3：手把手从零基础到巷道支护设计分析

案例4：手把手从零基础到边坡稳定性分析与治理设计

十二、如何学好3DEC
12.1 学习方法探讨

12.2 学习经验交流

12.3 交流对数值模拟的认识和体会

PFC离散元仿真核心技术与应用详细介绍软件的计算控制、离散元数值试样的生成方法、接触模型选择、参数标定、模型边界条件施加方法、PFC3D与FLAC3D耦合、离散—连续耦合模拟分析、PFC与CFD耦合、流固耦合框架等多个知识点，全面掌握PFC离散元整套的仿真应用框架。

3DEC离散元数值模拟技术与应用系统学习岩土工程数值模拟方法，包括3DEC实体建模、内置FISH语言编写程序来扩展3DEC的有效性、3DEC节理/接触面/结构单元、静力学分析、流固耦合、非线性动力模拟、3DEC后处理。每个知识点都带有案例实操巩固练习，将知识点渗透融会贯通。

每个专题都涵盖多个工程实例模拟分析。包括巷道锚杆支护模拟、初始地应力场反演技术、地面注浆/水力压裂模拟、地下空间开挖岩层运移分析、隧道掘进围岩力学响应分析、边坡开挖安全性分析等超多3DEC实例分析。PFC中包含了常规/真三轴剪切试验、不排水/循环三轴剪切模拟、离散元模拟与弹塑性本构模型等多个土体单元试验模拟案例和活动门试验、盾构隧道掌子面稳定性、节理岩体中的硐室开挖稳定性、二维壳结构单元耦合、孔隙介质中Darcy流模拟等多个实例。

以上内容可作为新手的参考