FLAC3D岩土软件本构模型
2024flac3d入门指南
flac3d入门指南•软件介绍与安装•界面操作与基本功能•初级实例分析：简单模型模拟•中级实例分析：复杂模型模拟目•高级功能应用与技巧•工程案例分析与实战演练录01软件介绍与安装FLAC3D概述FLAC3D（Fast Lagrangian Analysis ofContinua in3Dimensions）是一款用于模拟三维连续介质力学行为的有限差分软件。
它基于显式拉格朗日算法和混合离散化技术，适用于分析复杂地质和岩土工程问题。
FLAC3D广泛应用于边坡稳定、地下工程、隧道开挖、地震工程等领域。
A BC D软件特点与优势显式算法采用显式有限差分法，无需迭代求解，计算效率高。
强大的后处理提供丰富的后处理功能，如等值线、矢量图、动画等，方便用户分析和展示模拟结果。
真实模拟能够模拟复杂的材料本构关系、节理、断层等地质结构，实现真实世界的准确模拟。
开放性支持用户自定义本构模型、边界条件等，方便用户进行二次开发和扩展。
1 2 3安装步骤1. 下载FLAC3D安装包，并解压到指定目录。
2. 运行安装程序，按照提示完成安装过程。
3. 配置环境变量，将FLAC3D的安装路径添加到系统环境变量中。
4. 启动FLAC3D软件，进行初步设置和配置。
01注意事项02确保计算机满足FLAC3D的系统要求，如操作系统、内存、硬盘空间等。
03在安装过程中，选择合适的安装选项和配置，以满足个人或团队的需求。
04在使用FLAC3D前，建议仔细阅读用户手册和相关教程，以充分了解软件的功能和操作方法。
02界面操作与基本功能启动界面及工具栏介绍启动界面展示软件LOGO、版本信息以及最近打开的文件列表。
工具栏包含文件操作、模型操作、视图操作、分析设置等常用工具按钮。
菜单栏提供详细的软件功能选项，包括模型、网格、材料、边界条件、分析等。
通过绘制点、线、面等基本元素构建三维模型。
模型建立网格划分几何体素导入对模型进行离散化，生成有限元网格，可设置网格密度和类型。
土木工程数值模拟(FLAC3D)课件第1章
对于对称的模型也可以采用镜像命令：
gen zone reflect norm -1 0 0 origin 0,0,0
网格单元间的连接
采用FLAC3D进行计算，所建立的模型需是一个 连续的整体，否则计算结果将出现较大的误差甚至 无法进行计算。对于在建立模型时，各关键点的坐 标是准确无误输入且各公共面的网格数和大小均完 全一致的模型，无需进行任何操作，模型即自动完 成相互间的连接。
对所有单元
应力—应变关系 (本构模型)
2020/7/10
节点力 单元积分 新的应力
10
简单实例
gen zone brick size 6 8 8 model mohr prop bulk 1e8 shear 0.3e8 prop fric 35 coh 1e3 tens 1e3 set grav 0,0,-9.81 ini dens 2000 fix x range x -0.1 0.1 fix x range x 5.9 6.1 fix y range y -0.1 0.1 fix y range y 7.9 8.1 fix z range z -0.1 0.1 hist unbal hist gp zdisp 4,4,8 solve save t1.sav rest t1.sav model null range x 2,4 y 2,6 z 5,10 set large initial xdis 0.0 ydis 0.0 zdis 0.0 step 1000 save t2.sav
这是通过radtun和 radcyl来组合生成所 需要的模型。它们两者的生成关键点的 描述存在较大的区别。
对于这两种基本的 网格，其公共面上的 关键点的对应关系更 需校核好，否则将出 现杂乱错误的网格。
FLAC3D简介(word文档良心出品)
1.FLAC3D知识基本介绍SimWe岩土工程结构的数值解是建立在满足基本方程（平衡方程、几何方程、本构方程）和边界条件下推导的。
由于基本方程和边界条件多以微分方程的形式出现，因此，将基本方程近假发改用差分方程（代数方程）表示，把求解微分方程的问题改换成求解代数方程的问题，这就是所谓的差分法。
差分法由来已久，但差分法需要求解高阶代数方程组，只有在计算机的出现，才使该法得以实施和发展。
FLAC3D（Fast Lagrangian Analysis of Continua）由美国Itasca公司开发的。
目前，FLAC 有二维和三维计算程序两个版本，二维计算程序V3.0以前的为DOS版本，V2.5版本仅仅能够使用计算机的基本内存（64K），所以，程序求解的最大结点数仅限于2000个以内。
1995年，FLAC2D已升级为V3.3的版本，其程序能够使用护展内存。
因此，大大发护展了计算规模。
FLAC3D是一个三维有限差分程序，目前已发展到V2.1版本。
FLAC3D的输入和一般的数值分析程序不同，它可以用交互的方式，从键盘输入各种命令，也可以写成命令（集）文件，类似于批处理，由文件来驱动。
因此，采用FLAC程序进行计算，必须了解各种命令关键词的功能，然后，按照计算顺序，将命令按先后，依次排列，形成可以完成一定计算任务的命令文件。
FLAC3D是二维的有限差分程序FLAC2D的护展，能够进行土质、岩石和其它材料的三维结构受力特性模拟和塑性流动分析。
调整三维网格中的多面体单元来拟合实际的结构。
单元材料可采用线性或非线性本构模型，在外力作用下，当材料发生屈服流动后，网格能够相应发变形和移动（大变形模式）。
FLAC3D采用的显式拉格朗日算法和混合-离散分区技术能够非常准确发模拟材料的塑性破坏和流动。
由于无须形成刚度矩阵，因此，基于较小内存空间就能够求解大范围的三维问题。
FLAC3D采用ANSI C++语言编写的。
FLAC3D有以下几个优点：1 对模拟塑性破坏和塑性流动采用的是“混合离散法“。
硬化土本构模型在FLAC_3D_中的开发及应用_王春波
软件中的差分格式，编制相应的开发流
程，实现了二次开发。
第 33 卷
第1期
王春波等：硬化土本构模型在 FLAC3D 中的开发及应用
• 201 •
坏比 Rf 取值(默认为 0.9)可求得极限偏应力 qa 。 当 q ≥ qf 时，土体进入塑性阶段，产生塑性变
形，随着硬化参数的变化，HS 模型屈服面也在不 断的变化。 (1) 屈服函数 HS 模型为双屈服函数，包括剪切屈服和帽盖 屈服函数，其屈服面[13]如图 1 所示。
3D
[9]
式中： E50 为加载模量； ref 为相关应力，一般取
ref 100 kPa； E50 为相关应力 ref 时的加载模量； 3 为 为土体内摩擦角；m 小主应力；c 为土体黏聚力；
为幂指数；qa 为极限偏应力，qa ( 1 3 )ult 。 设 Rf 为破坏比，且 Rf ( 1 3 )f /( 1 3 )ult qf / qa (下 标“utl”表示极限，“f”表示破坏)，通过设定破
DEVELOPMENT AND APPLICATION OF HARDENING SOIL CONSTITUTIVE MODEL IN FLAC3D
WANG Chunbo1 2，DING Wenqi1 2，QIAO Yafei1
， ， ，2
(1. Department of Geotechnical Engineering，Tongji University，Shanghai 200092，China； 2. Key Laboratory of Geotechnical and Underground Engineering of Ministry of Education，Tongji University， Shanghai 200092，China)
有限差分法FLAC3D功能,优缺点分析
FLAC/FLAC3D系列——岩土体工程高级连续介质力学分析软件通知：FLAC3D 4.0隆重推出，了解详细情况，点击此处FLAC（Fast Lagrangian Analysis of Continua）软件是由美国Itasca公司开发的。
目前，FLAC有二维和三维计算程序两个版本，二维计算程序V3.0以前的为DOS版本， 1995年，FLAC2D已升级为V3.3的版本，其程序能够使用护展内存，至今已发展到V5.0版本。
FLAC3D是一个三维有限差分程序，目前已发展到V4.0版本。
并且其推出的FLAC SLOPE有了WINDOWS界面。
FLAC（Fast Lagrangian Analysis of Continua）是一个利用显式有限差分方法求解的岩土、采矿工程师进行分析和设计的二维连续介质程序，主要用来模拟土、岩、或其他材料的非线性力学行为，可以解决众多有限元程序难以模拟的复杂的工程问题，例如大变形、大应变、非线性及非稳定系统（甚至大面积屈服/失稳或完全塌方）等问题。
FLAC的基本功能和特征为：●允许介质出现大应变和大变形；●Interface 单元可以模拟连续介质中的界面，并允许界面发生滑动和开裂；●显式计算方法，能够为非稳定物理过程提供稳定解，直观反映岩土体工程中的破坏；●地下水流动与力学计算完全耦合（包括负孔隙水压，非饱和流及相界面计算）；●采用结构加固单元模拟加固措施，例如衬砌、锚杆、桩基等；●材料模型库（例如：弹性模型、莫尔库仑塑性模型、任意各向异性模型、双屈服模型、粘性及应变软化模型）；●预定义材料性质，用户也可增加用户自己的材料性质设定并储存到数据库中；●一系列可选择模块，包括：热力学模块、流变模块、动力学模块、二相流模块等，用户还可用C++建立自己的模型；●边坡稳定系数计算满足边坡设计的要求；●用户可用内部语言（FISH）增加自己定义的各种特性（如：新的本构模型，新变量或新命令）；FLAC软件的优势：➢连续体大应变模拟➢界面单元用已代表不连续接触界面可能出现的完全不连续性质的张开和滑动，因此可以模拟断层、节理和摩擦边界等➢显式求解模式可以获得不稳定物理过程的稳定解➢材料模型:✧“空（null）”模型；✧三种弹性模型（各向同性、横观各向异性、和正交各向异性）；✧七种非线性模型（Drucker-Prager、Mohr-Coulomb、应变硬化及应变软化、节理化、双线性应变硬化/软化节理化、双屈服、修正的Cam-clay模型）➢任何参数指标的连续变化或统计分布的模拟➢外接口编程语言（FISH）允许用户添加用户自定义功能➢方便的边界定义和初始条件定义方式➢可定义水位线/面进行有效应力计算➢地下水渗流计算以及完全的应力场渗流场偶合计算（含负孔隙压力、非饱和流、井）➢结构单元如隧道衬砌、桩、壳、梁锚杆、锚索、土工织物及其组合，可以模拟不同的加固手段及其与围岩（土体）的相互作用➢自选模块包括:✧热和热力学分析模块；✧流变计算模块；✧动力分析模块实现真时间历程的瞬时动力响应模拟；✧用C++编写的用户自定义本构模块开挖直立坡的喷射混凝土墙加土钉加固的模拟加（下）和不加（上）土工织物土坡的潜在破坏特征FLAC-3D（Three Dimensional Fast Lagrangian Analysis of Continua）是美国Itasca Consulting Goup lnc开发的三维快速拉格朗日分析程序，是二维的有限差分程序FLAC2D的扩展，能够进行土质、岩石和其它材料的三维结构受力特性模拟和塑性流动分析。
邓肯张本构模型在FLAC3D中的开发与实现
邓肯张本构模型在FLAC3D中的开发与实现一、本文概述随着计算机技术的不断发展和数值模拟方法的日益成熟，岩土工程领域的数值模拟分析已成为研究岩土工程问题的重要手段。
邓肯张本构模型（Duncan-Chang Constitutive Model）作为一种能够描述岩土材料非线性、弹塑性行为的本构模型，在岩土工程领域具有广泛的应用。
然而，在岩土工程数值模拟软件FLAC3D中，邓肯张本构模型并未直接内置，因此需要对其进行开发与实现。
本文旨在探讨邓肯张本构模型在FLAC3D中的开发与实现过程。
将介绍邓肯张本构模型的基本原理和特点，包括其应力-应变关系、屈服准则、硬化法则等。
然后，将详细阐述如何在FLAC3D中通过用户自定义本构模型（User-Defined Constitutive Model）接口实现邓肯张本构模型，包括模型的初始化、应力更新、应变更新等关键步骤。
还将讨论邓肯张本构模型在FLAC3D中的数值实现方法，如如何设置模型参数、如何处理模型的非线性问题等。
通过本文的研究，旨在为FLAC3D用户提供一种在岩土工程数值模拟中应用邓肯张本构模型的有效方法，也为其他岩土工程数值模拟软件的本构模型开发与实现提供借鉴和参考。
本文的研究成果将有助于提高岩土工程数值模拟的准确性和可靠性，推动岩土工程领域的数值模拟研究向更高水平发展。
二、邓肯张本构模型基本理论邓肯张本构模型（Duncan-Chang Model）是一种广泛使用的岩土工程材料本构模型，主要用于描述土的应力-应变关系。
该模型基于土的弹塑性理论，能够模拟土的非线性、弹塑性和剪胀性等行为。
邓肯张本构模型的基本假设包括土的应力-应变关系是非线性的，土的应力路径对其后续行为有影响，以及土的体积变化与其应力状态有关。
模型的核心在于其应力-应变关系的数学描述，其中包括弹性部分和塑性部分。
在弹性部分，邓肯张模型采用了切线弹性模量来描述土的弹性行为，这个模量随着应力的变化而变化，体现了土的非线性弹性特性。
FLAC3D岩土软件-本构模型
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德鲁克-布拉格 带有非相关流动法则的弹 性/塑性模型:剪切屈服应力是平均应力的函数
t A
kf
B
ft=0
C
s
st
kf /qf
德鲁克-布拉格 破坏准则
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弹性本构模型
零模型 — 所有的应力均为零: 模拟挖空区 弹性模型 — 各向同性，线性 各项异性 — 弹性，假定单元为横观各项异性
g
b
y b
f
x
-b 面为对称面. , b 轴与 x, y轴呈任意角度
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塑性本构模型
德鲁克-布拉格; 摩尔-库伦; 单一节理; 应变硬化-软化; 双屈服; 修正剑桥粘土; 霍克-布朗
通用的岩土力学模型(如边坡稳定问题和地下开挖)
具有强度各向异性的粒状散体材料
具有非线性强化和软化行为 的薄板层状材料
紧密沉积层开挖 用于研究薄板层状材料破坏后力学行为
压应力可以引起不可恢复的 体积缩小的低粘结性的粒状 散体材料
可塑性和剪切强度是体积变 化的函数的材料 各向同性岩石材料
第 五 章 本构模型
一般性考虑 — 选择本构模型及参数
FLAC3D岩土软件本构模型
法能够充分考虑岩土体的非线性特性，但需要大量的现场监测数据。
参数校验方法
对比分析法
将室内试验得到的参数与工程经验或相关规范进行对比分析，以验证参数的合理性。
数值模拟法
采用FLAC3D等数值模拟软件，建立岩土体模型，输入室内试验得到的参数进行模拟计算 ，将模拟结果与现场监测数据进行对比分析，以验证参数的准确性。
蠕变模型
经验蠕变模型
基于实验数据拟合得到的蠕变方程，描述岩土材料在长时间持续荷载作用下的变形行为。
粘弹塑性蠕变模型
结合粘弹性、粘塑性和弹塑性理论，全面考虑岩土材料的时间效应和变形特性，适用于复杂应力路径和长时间尺 度的分析。
04
本构模型的参数确定与校验
BIG DATA EMPOWERS TO CREATE A NEW
BIG DATA EMPOWERS TO CREATE A NEW ERA
05
FLAC3D岩土软件本构模型的应用
岩土工程领域的应用
1 2
边坡稳定性分析
FLAC3D可以模拟边坡的渐进破坏过程，分析边 坡的稳定性，为边坡治理提供科学依据。
基坑支护设计
FLAC3D可以模拟基坑开挖过程中的应力场、位 移场和渗流场，为基坑支护设计提供技术支持。
BIG DATA EMPOWERS TO CREATE A NEW ERA
FLAC3D岩土软件本构模型
汇报人：XX
• 引言 • 本构模型概述 • FLAC3D岩土软件中的本构模型 • 本构模型的参数确定与校验 • FLAC3D岩土软件本构模型的应用 • 结论与展望
目录
CONTENTS
01
引言
BIG DATA EMPOWERS TO CREATE A NEW
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1. 所有模型都由屈服函数，硬化/软化函数，和流动准则描述; 2. 塑性流动基于塑性理论，即总应变可以分解为弹性分量和塑性分量，只
有弹性应变分量根据弹性定律引起应力增加。而且，弹性和塑性分量与 主应力同轴; 3. 德鲁克-布拉格，摩尔-库伦，单一节理, 应变硬化-软化模型使用剪切屈 服函数和非相关联流动法则; 4. 德鲁克-布拉格，摩尔-库伦，单一节理, 应变硬化-软化模型另外还定义 了拉伸强度准则及其相关流动法则; 5. 所有模型都使用有效应力描述; 6. 双屈服和修正剑桥粘土考虑了体积改变对材料可变形性和体积变形的影 响; 7. 霍克-布朗包含非线性破坏面，随围压改变的塑性流动法则.
描述均质岩体的强度极限. 该模型的塑性流动法则是围压
的函数.
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第 五 章 本构模型
一般性考虑 — 选择本构模型及参数
本构模型类型 零模型
各向同性弹性模型
横观各向同性弹性模型 德鲁克-普拉格塑性模型
摩尔-库仑塑性模型 节理化塑性模型 应变硬化/软化摩尔-库仑 模型 双线性应变强化/软化节 理化塑性模型 双屈服塑性模型 修正的剑桥粘土模型 霍克-布朗模型
代表性的材料类型 挖空区
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水力回填材料
位于粘土中的岩土工程 位于岩石中的岩土工程
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本构模型的选择
Model <关键字> range
model mohr
model null range x=2,4 y=2,6 z=5,10 Prop <关键字1> <关键字2> <关键字3>
prop bulk = 1e8 shear = 0.3e8 fric = 35 prop coh = 1e10 tens = 1e10 。 注意：（1） 材料的本构模型必须先定义，以便绘图或显示材料参数。（2）如 果材料参数关键字与本构模型不协调，则弹出警告信息，提示用户接受了不需要 的材料参数值；（3）本构模型需要的材料参数没有指定时，系统使用默认值， 除非另外指定，默认值为0
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通用的岩土力学模型(如边坡稳定问题和地下开挖)
具有强度各向异性的薄板层 状材料（如板岩）
具有非线性硬化和软化行为 的粒状散体材料
具有非线性强化和软化行为 的薄板层状材料
紧密沉积层开挖 用于研究薄板层状材料破坏后力学行为
压应力可以引起不可恢复的 体积缩小的低粘结性的粒状 散体材料
可塑性和剪切强度是体积变 化的函数的材料 各向同性岩石材料
应用实例 洞穴，开挖和将要回填的区域
均匀各向同性连续体材料， 具有线形应力应变行为的材 料 具有弹性各向异性力学行为
的薄板层状材料(如板岩)
应用有限;内摩擦角低的软土
处于强度极限下的人工材料（如钢材） ，安全系数法计算 加载不超过强度极限的薄板层状材料 常用于和隐式有限元程序进行比较
松散状和粘结状粒状散体材 料：土体、岩石、混凝土
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弹性本构模型
零模型 — 所有的应力均为零: 模拟挖空区 弹性模型 — 各向同性，线性 各项异性 — 弹性，假定单元为横观各项异性
g
b
y b
f
x
-b 面为对称面. , b 轴与 x, y轴呈任意角度
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塑性本构模型
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德鲁克-布拉格 带有非相关流动法则的弹 性/塑性模型:剪切屈服应力是平均应力的函数
t A
kf
B
ft=0Biblioteka Csstkf /qf
德鲁克-布拉格 破坏准则
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摩尔-库仑 带有非相关流动法则的弹性/塑性模型: 根据 最大及最小主应力进行判断
s3
ft=0
B
C
c
2c
st tanf
A
Nf
s1
FLAC中的摩尔-库仑破坏准则
t
(常应力 sn)
坡度 = G
g
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霍克-布朗模型
非线性破坏面是一个经验公式, 用来