Cell Space Detection---UDEC的单元映射算法

1 引言

今天有位同学问了这样一个问题：能不能在3DEC中生成Voronoi块体，然后输入到PFC中。回答是不能也没必要。一方面，PFC不能处理多边形块体的接触，只能处理Ball的接触，另一方面3DEC与UDEC引入Voronoi就是为了处理不规则多边形颗粒之间的接触与分离。如果确实有既要处理球形颗粒又要处理不规则块体的需求，可以通过Socket技术进行3DEC与PFC的耦合计算。现在FLAC3D和PFC已经能够通过内置的插件实现实现耦合， 参看《FLAC3D 7.0 新特性简介(P4)---软件集成》，但3DEC与PFC之间的耦合还必须使用Socket来实现数据交换。

在岩石工程中，有时我们需要监测岩石块体的运动轨迹或者回弹，例如隧道顶板块体脱落和坠落的运动轨迹，或者岩石边坡岩块从高处崩落(Rock Fall)及回弹的运动轨迹。UDEC 5.0之间的版本不能做这种类型的模拟。从UDEC 6.0 开始引入了cell space单元空间的算法，使用单元空间检测逻辑，确保检测到新的接触， 从而可以模拟岩石的崩落行为。

2 Cell Space Detection

单元映射是UDEC内置的另一种接触-检测逻辑。这个逻辑可用来模拟块体与块体之间的分离并可能反弹。在新建项目的Model Options对话框中，"Contact Logic" 有两种选择：一个选择是“Domain detection”, 这是我们以前一直使用的方法，也就是首先将一个整体的Block, 然后在这个Block中再划分块体，如果模型内大多数的块体不动，这种“Domain Logic"域逻辑方法求解得更快。另一个选择是"Cell space detection"，如果要处理块体回弹问题，选择这个。不过选择"Cell space detection"需要注意两点: 第一，一旦选择了这个选项，中途不可更改，只有在创建新的项目时才能更改；第二，这个选项不能处理水的流动问题，如下图所示。假如我们想做一个泥石流的模型，不能选择这个选项。

block config cell 10 10

其它一些相关命令

print cell block cell remap list

需要注意的是，尽管引入了Voronoi多边形和cell space，但UDEC不太适合研究颗粒流的运动形态。因为需要考虑颗粒之间的相互作用，使用PFC的效率更高。

3 滑坡例子

下面的例子使用了cell space detection算法模拟滑坡过程。模拟对象是加拿大BC省的一个真实滑坡案例 Checkerboard Creek slope。

下面简要描述模型的建立过程：

(1) 模型选择cell space

block config cell 300 200block tolerance corner-round-length 0.1block tolerance minimum-edge-length 0.2

(2) 创建一个Block

block create polygon -350,425 -350,725 ...485,725 485,425

(3) 产生边坡表面曲线，可以从外部文件输入，也可以在UDEC环境内直接生成，保存成一个文件slope-surface.dat。

call 'slope-surface.dat'

(4) 删除边坡面以上的块体，形成边坡。

block cut crack table 1delete range atblock (-15.4227,664.5138)

(5) 在边坡内布置断层和节理， 可以从外部文件输入，也可以在UDEC中直接生成，保存成文件fault-joint.dat。

call 'fault-joint.dat' 

(6) 只选择主要断层和节理

block cut crack table 160block cut crack table 161block cut crack table 162...block joint-delete

(7) 在选定区域增加两组节理

hide range atblock (298.335,496.5181)block cut joint-set angle 105 ...spacing 5 origin 0,0 id 100block joint-deleteblock cut joint-set angle 75 ...spacing 5 origin 0,0 id 100block joint-delete

(8) 在选定区域增加voronoi多边形，用来模拟碎裂的岩石。

block cut vor edge-maximum 2.5 ...iterations 20 round 0.1 jointset-id 102block joint-delete

生成的局部网格如下所示。

最后的模拟结果如下图所示。随着循环数目的不断增加，岩石块体 开始滑坡。

4 结束语

单元映射是UDEC内置的一种接触-检测逻辑，能够用来模拟岩石的碰撞和回弹，产生出类似RocFall的模拟效果。不过，由于在计算过程中不断寻找新的接触，Cell space detection的运算速度要慢一些，而且使用这种方法不能模拟水的流动，因此在实际应用中受到一定的限制。