初试FDEM软件PCDC的计算流程

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文章摘要

文章介绍了一款新兴的国产软件PCDC（Parallel Continuum-Discontinuum Coderacture），该软件采用混合有限元-离散元法（FDEM）核心算法，用于岩石工程研究。文章从用户角度出发，概述了PCDC的工作流程，旨在增强读者对软件的了解。PCDC软件操作与Itasca软件类似，通过命令行运行，支持2D和3D版本。文章通过一个地下圆形隧道开挖的例子，详细说明了如何使用PCDC进行模拟，包括设置总体控制命令、创建几何模型、岩石分组、定义材料模型、边界条件、原岩应力和自重应力，以及如何进行静态或动态计算和达到平衡状态。最后，文章展示了隧道开挖后的水平位移结果。作者强调，本文的目的是探索模拟流程而非验证计算结果的准确性。

1. 引言

混合有限元-离散元法(FDEM)方法在岩石工程研究中得到了快速发展【岩石断裂的cohesive-zone模拟】，代表性的商业软件是ELFEN和Irazu，近日，一个采用FDEM核心算法的国产软件PCDC (Parallel Continuum-Discontinuum Coderacture)问世，作为今日头条文章《PCDC混合有限元离散元并行计算程序》的补充，本文从用户的角度客观地概述了PCDC的工作流程，以增强读者对PCDC的了解。由于这是我第一次试用这个软件，因此本文的目的不是验证计算结果是否正确，而是探索模拟流程，即如何使用这个软件，有些描述可能会出现偏差。

PCDC是一个以命令行运行的软件，与Itasca软件的操作方式非常相似，因此假如用户熟悉Itasca软件，那么很容易理解PCDC的命令。PCDC命令的关键词均为小写英文字母和 "-" 组成。PCDC有2D版本和3D版本，下面以一个地下圆形隧道的开挖显示PCDC2D的工作流程和命令。

2. 总体控制命令

PCDC需要设置一些总体控制命令：

pcdc model new

这个命令的作用是模型初始化，重新开始一个新模型。发现还有一个_global new命令也能使用，甚至global new命令也不出错。

pcdc model save 'dir\mymodel'pcdc model restore 'dir\mymodel'

save命令保存当前模型到文件"dir\mymodel"文件中，默认的文件后缀为".sav"；restore命令恢复导入的模型文件。

pcdc model plane-strain  #or plane-stress

在PCDC2D中，可以选择平面应变或平面应力计算模型，由于本例是隧道开挖，因此选择平面应变。

3. 创建几何模型

有多种方法可以创建几何模型，本例使用"element create"命令来创建，这个命令可以接的关键字有：

(1) brick

(2) from-geometry

(3) from-geometry-patch

(4) circle

(5) hollow-disk

使用"brick"关键字创建一个四边形。

pcdc element create brick p0 (-50,-50) p1 (50,-50) p2 (-50,50) n 100 100 triangle false

4. 岩石分组

下列的命令定义两个组，一个组为'rock'，另一个组为'excavation'，其开挖范围是一个中心坐标为(0,0)，半径为10的圆形。

pcdc element group 'rock' set 'domain'pcdc element group 'excavation' set 'domain' range inside-circle center (0,0) radius 10

5. 材料模型

使用下面的命令定义材料模型：

pcdc element constitutive-model

可以使用的力学模型有：

(1) mechanical-iso-elastic

(2) mechanical-mohr-coulomb

(3) mechanical-burgers

(4) mechanical-anistropic-elastic

(5) mechanical-ubiquitous-joint

(6) mechanical-strain-softening

(7) mech-user-defined-icz2d

本例使用第(6)个模型---应变软化模型

pcdc element constitutive-model mechanical-strain-softening

材料属性使用'property'关键字定义，包括：

(1) density 2700

(2) young 50e9

(3) poisson-ratio 0.25

(4) damp-factor 1.0

(5) friction 30

(6) dilation 5

(7) cohesion 10e6

(8) tension 1e6
(9) post-peak-cohesion {table 'coh'}

(10) post-peak-friction {table 'fri'}

(11) post-peak-tension {table 'ten'}

(12) post-peak-dilation {table 'dil'}

(13) flag-contact false

峰值后的软化参数值由pcdc table ‘table_name’ data定义。

6. 定义边界条件

使用node 0速度边界固定模型外边界，这与Itasca软件的操作非常相似。

pcdc node boundary apply mech-vel-b-c velocity-x 0 range x -51 -49.9pcdc node boundary apply mech-vel-b-c velocity-x 0 range x 49.9 51pcdc node boundary apply mech-vel-b-c velocity-y 0 range y -51 -49.9pcdc node boundary apply mech-vel-b-c velocity-y 0 range y 49.9 51

7. 定义原岩应力和自重应力

使用下面的命令定义原岩应力和自重应力

pcdc element initialize stress-general stress-xx -30e6pcdc element initialize stress-general stress-yy -15e6pcdc model gravity (0,-10)

8. 静态或动态计算

这个命令类似于Itasca软件的控制dynamic，off代表小应变。

pcdc model option dynamic off

9. 计算平衡状态

下面的命令循环1000次让模型进行预平衡。

pcdc model solve cycle 1000

10. 重置状态

下面的命令重置单元速度、位移和塑性状态。

pcdc node reset velocitypcdc node reset displacementpcdc element reset state

11. 计算平衡状态

下面的命令进行开挖循环1000次让模型进行预平衡。

pcdc element c-model null range group 'excavation' set 'domain'pcdc model solve cycle 50000

12. 计算结果

下图所示的是隧道开挖后的水平位移。

来源：计算岩土力学

ACT Mechanical 断裂 UM 离散元材料控制

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首次发布时间：2024-03-26