MIDAS GTS与FLAC软件对比

2年前浏览6251

在进行岩土有限元数值分析时，需要选择一个得心用手的软件。高校师生在校期间，为了科研需求，会用FLAC软件实现多样化的功能，投入工作后，为了适应生产力需求，会更多的使用MIDAS软件。那么这两个软件在功能与细节上有哪些区别呢？下面分别从软件功能、前处理、后处理三个方面来做一个简单的比较。

1.软件功能

首先在功能上，两个软件都是致力于岩土的通用有限元软件，即可以适用于基坑-隧道-边坡-渗流-动力-热力学等岩土分析，但是在算法上两个软件是不一样的。FLAC使用的是有限差分法（FDM）,MIDAS GTS 与多数其他有限元软件一样采用有限元法（FEM）。同样的模型，有限差分法占用的电脑资源更少， FLAC需要通过一系列的代码来进行模型的处理，门槛相对高一点，但是可以通过借鉴别人的代码来提后续建模速度。MIDAS则利用图形界面来建立模型，所见即所得，可以绘制出任何用户能想象出来的几何实体与曲面。需要注意的是：FLAC2D与FLAC3D是两个软件，FLAC3D的3.0、5.0、6.0的命令流语法有一定差别，MIDAS GTS的二维与三维建模则是集成在一个软件中。

软件界面比较

2.前处理

模型建立的前处理主要是生成合理的网格进行分析，FLAC3D可以通过代码建立、用Extrusion功能拉伸网格、用Building Block生成、从其他软件进行导入网格，MIDAS GTS 本身具有强大的网格划分能力，也可以通过二维网格拉伸或者从其他软件导入。

2.1 模型建立

FLAC3D通过代码建立模型实际就和搭积木一样，一般是采用软件自带的基本形状网格建立用户需要的模型，通过代码建立需要明确基本形状的几何参数，即点坐标、网格尺寸、网格比率等。比如建立一个径向隧道基本形状命令:

gen zone radcyl p0 0 0 0 p1 -50 00 p2 0 10 0 p3 0 0 -50 p4 -63 10 0 p5 0 10 –50 p6 -50 0 -50 p7 -63 10 -50 p8 -60 0 p9 0 0 -12 p10 -10 10 0 p11 0 10 -13 group wmx fill group nmx

上述代码中当然不是代码里面的每一个坐标都需要敲出来，另外在FLAC3D6.0以后的版本可以采用Building Block来直接生成，实际上就相当于程序内置了一些用基本形状搭建好的积木模块可供选择。

基本形状网格

BuildingBlock自带形状

简单的模型可以直接通过代码与Building Block直接生成，每一个断面都相同的模型可以通过Extrusion模块直接扩展生成，比如假三维模型。当然，也可以通过代码、结合不同的网格生成方法生成相对复杂一点的模型。

Extrusion拉伸网格

FLAC通过代码与Building Block生成的网格看起来过渡性很好，实际在MIDAS GTS NX中也可以通过合理的尺寸控制、映射网格划分，再通过扩展、扫描、投影等功能生成高质量的网格

映射网格

拉伸网格

扫描网格

地形数据生成器

复杂MIDAS GTS 模型

2.2 网格导入

midas gts与flac3D都是可以直接导入其他软件划分好的网格。当然，midas因为其本身网格划分能力强大，一般是midas划分网格导出其他软件。市面上有很多midas转flac的插件，一般是将实体网格在MIDAS中导出相应格式文件(单元-节点表格或者FPN文件)，再经过插件处理一下数据，在FLAC3D中进行网格导入。

midas与flac3D中同一个模型网格

插件一般是比较两个软件的数据格式(midas导出为fpn文件用记事本打开即可查看)，然后用程序语言将其改写，下图为直接在flac3d中应用fish语言将midas gts的数据文件改写为flac3d文件的命令流，代码截图取自于书籍《地下轨道交通围岩稳定模拟方法与工程应用》，同学们可以自行尝试。

FISH语言转换MIDAS模型代码

2.3 结构单元

网格文件包括实体与结构单元，在flac3D5.0以及以前的版本都是需要通过代码来建立结构单元，比如建立一个圆弧类的板单元，需要确定圆弧的圆心，半径，起点终点，依附的网格组，具体范围等，比如：
sel shell id 1 group softrock range cyl end1 -0.433 @ymids 0.25 end2 -0.433@ymide 0.25 rad 6.1 x -6.43 -5.62 z 0.19 3.26

杆系单元则需要确定起点与终点坐标，比如：
sel cable id 2 begin @x1s @ycable2 @z1s end @x1e @ycable2 @z1e nseg 4

在midas中耦合的单元可以通过析取实体的表面或线直接得到，在程序中可以直接使用鼠标选择操作，其余不需要耦合的单元可以直接通过导入的CAD文件或者经过简单的复制粘贴后直接生成网格。另外，为了导入结构单元，也有部分工程师编写了同时导入实体与结构单元的midas to flac小插件，不过此类插件作者还未进行过测试。链接如下：
https://blog.csdn.net/weixin_46935567/article/details/121042065?utm_source=app&app_version=4.14.0&code=app_1562916241&uLinkId=usr1mkqgl919blen

2.4 本构参数

为了得到正确的计算规律，选择合理的材料本构与属性尤为重要。midas与flac中都提供了适合不同类型分析的本构单元。除了常用的摩尔库伦本构以外，做基坑模型时，midas gts适用本构为修正摩尔库伦(mmc)，修正剑桥黏土(mcc)，硬化土小应变刚度(hss本构)，flac适用本构为修正剑桥黏土(mcc)，硬化土( plastic hardening，flac3D6.0以及后续版本支持)，两个软件最终实现的效果与规律都是一致的。

flac与midas基坑peck曲线

在杆系单元建模中，flac3D会自动建立单元与节点的连接( link to zone)，杆系单元与实体单元的摩擦行为通过切向弹簧与法向弹簧来模拟，实体与实体的界面建立也通过interface(flac3D)来实现，这一点与midas一致，只不过界面参数会有所差别。

2.5 施工阶段

完整的模型包括网格、边界与荷载，不同求解类型的模型的边界与荷载不一样，MIDAS与FLAC3D都可以施加不同类型的边界与荷载。在边界的施加上，界面操作更加方便，尤其是涉及到需要选择曲面上的节点时，比如添加曲面上的节点水头。但是涉及到循环荷载的添加时，代码操作更加方便，在MIDAS GTS中不能单独对荷载进行复制，比如在盾构施作时掘进力的施加可以在FLAC中用循环代码改变range后面的数值即可,例如：

apply nstress -100e3 range group Rock y 0 2

施工阶段的编辑中，两个软件都是通过对网格组、边界组、荷载组的激活与钝化来实现，MIDAS GTS直接通过施工阶段编辑将不同的组拖拽进激活或钝化的栏中，FLAC3D直接利用代码来实现，比如重新激活衬砌model elastic range group SecondLiner，挖掉隧道model mech null range group Tunnel。对于循环开挖支护的操作，在FLAC中使用循环语句（loop循环，while语句等）来实现，MIDAS GTS NX中可以使用施工阶段助手快速编辑，然后通过施工阶段去检查复杂的施工阶段是否正确编辑。

FLAC中Loop循环的施工阶段

MIDAS GTS NX施工阶段助手

3.后处理

计算完毕后，大多数的结果在两个软件中都可以直接通过图形操作来直接查看相应结果，比如应力、内力、位移等数据，而且可以直接在各个保存的结果中查看不同施工阶段的结果。

MIDAS 与FLAC3D位移结果云图

对于在后处理中展现不同的表现形式，两个软件也是一致的，只不过界面操作形式不一样。比如下图分别为MIDAS GTS NX与FLAC3D的剖切面、线上图、历程结果图形。值得注意的是，FLAC3D的测点结果需要在计算模型之前写好历程测点的记录代码，才能直接在后处理以及计算过程中实时查看测点的结果变化，但是FLAC3D的记录间隔是以计算时步step为依据，可以得到更加多的计算结果数据曲线，MIDAS GTS则通常是每一个施工阶段输出一个计算结果（当然也可以通过分析控制设置每一个施工阶段的具体输出步骤数）。