3DEC数值模拟方法
三维细观数值模拟法
三维细观数值模拟法
三维细观数值模拟法是一种用于求解三维物理问题的数值计算方法。
它使用数值方法来对三维空间中的物理现象进行模拟和计算。
三维细观数值模拟法通常涉及以下几个步骤：
1. 空间离散化：将三维空间划分为有限数量的离散网格。
这可以通过将空间分为立方体或任意形状的单元格来实现。
2. 数值逼近：根据所模拟的物理现象的性质和方程，使用数值逼近方法对方程进行离散化。
例如，使用有限差分法或有限元法来近似微分方程。
3. 时间推进：根据所模拟的物理现象的时间发展规律，使用时间推进方法对时间进行离散化。
例如，使用显式或隐式的时间推进格式来解决时间相关的方程。
4. 边界条件处理：根据问题的边界条件，在边界上应用适当的约束条件，以确保在模拟中保持正确的边界行为。
5. 数值求解：使用数值方法对离散化的方程进行求解。
这可以是迭代方法，如迭代法或松弛法，也可以是直接求解方法，如LU分解或共轭梯度法。
6. 结果后处理：对求解得到的离散解进行后处理，以获得所关心的物理量或结果。
这可能包括插值、平滑或可视化等步骤。
三维细观数值模拟法在许多领域中得到了广泛应用，包括流体力学、电磁学、材料科学等。
它可以帮助研究人员和工程师更好地理解和预测这些领域中的复杂物理现象，并提供有效的工程设计和决策支持。
3DEC离散元数值模拟技术及工程应用3
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(5)FISH函数的调用 FISH函数在3DEC程序中可以从几个位置调用。调用格式如下： SET fish call n name ;函数name，n为控制ID SET fish remove n name
在3DEC中变量n控制函数的运行位置，不同n值表示fish函数被调用 的条件，如下表所示。几个函数可以同时指定为相同的ID号，如果某个函 数重要，则一个主函数首先被调用，然后再运行一系列子函数。
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(4)Fish语言的循环控制语句 ①IF expr1 test expr2 THEN ELSE ENDIF 其中，test可采用如下比较运算符，==(等于),#(不等),>(大于),<(小 于),>=(大于或等于),<=(小于或等于),expr1与expr2为单一变量或者计 算表达式。 3DEC的命令并不能直接在fish函数内调用，因此如果在fish内部需 要运行3DEC命令流，可以采用如下命令嵌入。 COMMAND ;;;3DEC命令流 ENDCOMMAND
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网格点(节点)变量提取
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接触变量提取
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利用函数输出数据
在FISH中，为了方便数据读入和写入文件。专门设置了输入输出 函数，采用ASCII模式或者FISH交换模式进行数据导出，前者允许 FISH函数与其它软件或者程序进行数据交换，后者允许数据在函数间 进行调用。在FISH模式下，数据以二进制格式存储与交换，不产生精 度损失；而ASCII模式将数字写出，再次读入时会损失数据的精度。 除了这两种模式，还有两种打开文件并输入输出的操作方法：运 行域和变量域操作。两种方法均支持基本的操作，但又存在一些差别。 1)在运行范围内，同时只能打开一个文件，而变量范围可以同时 打开任意多个文件。 2)在运行域的文件可以打开，关闭，读取和写入程序的任意位置。 而变量域文件通过指针变量存储，只能通过指针进行访问。
基于3DEC的破碎锤破礁数值模拟
基于3DEC的破碎锤破礁数值模拟摘要：近年来，生态环保在各行各业中占着越来越重要的地位。
就航道整治中的礁石清理方法来说，常规的爆破清礁由于对环境影响大，在很多地方已经被禁止使用；而破碎锤破岩技术作为一种兼顾生态的清礁方法，渐渐被广泛使用和发展。
本文从破碎锤破岩技术原理出发，运用3DEC软件模拟了破碎锤钎杆凿入岩石过程，分析了破碎锤凿入岩体的规律及岩体的破坏形态，对水下破碎锤破礁技术发展具有一定参考意义。
关键词：破碎锤；3DEC；破礁；数值模拟0 引言航道整治中礁石清理方法主要包括化学爆破和机械破礁。
化学爆破会产生巨大的冲击波和发生化学反应生成污染物，对周围生态环境危害巨大[1-2]。
破碎锤破岩技术作为机械破礁方法的一种，因其清礁效率高、安全性好、生态环保，逐渐被广泛应用[3-5]。
本文就破碎锤破岩过程进行了数值模拟，用矩形循环荷载模拟破碎锤中活塞冲击钎杆过程，分析了破碎锤钎杆凿入岩体的规律。
1 破碎锤破岩技术原理破碎锤主要构件包括：缸体，活塞，钎杆等，如图1所示。
其主要原理是：冲击活塞在油压的作用下，在油缸内迅速作周期运动，从而将液压能转化为活塞的冲击能，钎杆一般为特殊合金钢材制成，刚度较大，作为中间介质，钎杆在获得冲击能量后迅速冲击岩石，将冲击能转化为破碎岩石的能量，达到破碎岩石的目的。
图1 破碎锤构造简图2 破碎锤破礁数值模型2.1 模型的建立用Rhino 6软件建立破碎锤破岩模型，模型分为岩石模型和破碎锤钎杆模型两部分。
岩体模型为边长为1 m的立方体；钎杆模型尖端简化为圆锥形，直径为17 cm，圆锥段长为25 cm，圆柱段长55 cm。
为了减小最后软件运算时的计算量，将岩体模型顶部中心区域块体进行局部加密。
将建好的模型导入到3DEC中，如图2所示。
图2 破碎锤破岩数值计算模型2.2 模型参数选取岩体本构模型取为弹塑性模型，屈服条件符合摩尔库伦破坏，岩性为砂岩，抗压强度为33.74 MPa；岩石节理本构模型为面接触-库伦滑移模型。
3dec单层衬砌结构
3dec单层衬砌结构
3DEC（ Three-Dimensional（Distinct（Element（Code）是一款用于三维离散元数值模拟的软件，可以用于模拟岩石力学、地质工程等领域的问题。
对于单层衬砌结构的模拟，可以使用（3DEC（中的“Structural（Element”来建模。
首先，需要建立隧道的几何模型，并将其划分为离散的单元。
然后，可以在这些单元中添加衬砌材料的属性，如弹性模量、泊松比等。
在模拟过程中，可以设置边界条件和载荷，以模拟隧道的受力情况。
通过计算，可以得到衬砌结构的应力、应变和位移等结果，从而评估其安全性和稳定性。
3DEC（的建模和计算过程比较复杂，需要一定的专业知识和经验。
同时，模拟结果也需要结合实际情况进行分析和验证，以确保其准确性和可靠性。
基于3DEC数值模拟的矿山边坡关键块体稳定性研究
Ｓｔｕｄｙ ｏｎ Ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ Ｋｅｙ Ｂｌｏｃｋｓ ｉｎ Ｍ ｉｎｅ Ｓｌｏｐｅ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ３ＤＥＣ Ｎｕｍ ｅｒｉｃａｌ Ｓｉｍ ｕｌａｔｉｏｎ
Ｋａｎｇ Ｚｈｉｑｉａｎｇ ， Ｓｈａｏ Ｌｕｈａｎｇ ＇ Ｌｉ Ｌｅｉ ’ （１．Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆＭｉｎｉｎｇＥｎｇｉｎｅｅｍｎｇ，ＮｏａｈＣｈｉｎａＵｎｉｖｅｍｉ￣ ｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｔａｎｇｓｈａｎ０６３２１０，Ｃｈｉｎａ；
２０世 纪 ８０年代 石根 华 和 Ｇｏｏｄｍａｎ在美 国通 过大 量 实 验及 现 场 经验 总结 提 出关 键 块 体 理 论 ，该 理 论 应用赤平极射投影方法搜索 临空面 中关键块体 ，计 算得 到关键块体 的几何形状 、稳定性 系数 以及可能 发生失稳 的模式等 ，该理论在矿山的大 范围应用为 研究 节理岩体稳定性 问题提 供 了又一可靠方法 。 朱 杰 等 人 通 过 现 场 实 地 调 查 ，将 赤平 极 射 投 影 法 与 矢 量 运算 法 相 结合 ，确定 临 空 面 中关键 块 体 ，通过 设 计正交试验研究 了关键块体 的失稳概率 ，并结合可 靠度计算分析 了南京北极阁风貌区岩体边坡 的稳定
ｔｈｅ ｉｎｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｍｏｄｅ ｏｆ ｔｈｅ ｋｅｙ ｂｌｏｃｋ ｈａｖｅ ｂｅｅｎ ｏｂｔａｉｎｅｄ ｓｅｐａｒａｔｅｌｙ．Ｗ ｉｔｈ ｔｈｅ ａｉｄ ｏｆ ３ＤＥＣ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｓｏｆｔｗａｒｅ，ｔｈｅ ３Ｄ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｋｅｙ ｂｌｏｃｋ ｗａｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ｔｏ ｉｎｖｅｒｓｅ ｔｈｅ ｉｎｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏ ｆ ｋｅｙ ｂｌｏｃｋｓ ｕｎｄｅｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｐｒｅ— ｆｅｒｒｅｄ ｓｔｒ ｕ ｃｔｕｒａ ｌ ｐｌａｎｅｓ，ｗｈｉｃｈ ｖｅｒｉｆｉｅｓ ｔｈｅ ｃｏｒｅｃｔｎｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｎｕｍ ｅｒ ｉｃａ ｌ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ．Ｔｈｉｓ ｐｒｏｖｉｄｅｓ ａ ｓｃｉｅｎｔｉｆ ｉｃ ｂａｓｉｓ ａｎｄ ｔｅｃｈ— ｎｉｃａｌ ｓｕｐｐｏ￣ ｆｏｒ ｔｈｅ ｓｌｏｐｅ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｉｎ ｍｉｎｅ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ．
飞行动力学三维数值模拟方法
飞行动力学三维数值模拟方法飞行动力学是研究飞机飞行状态及其受力情况的学科，其主要任务是分析飞机在大气中受到的各种力的作用，以及飞机如何受力而产生相应的运动。
针对这一领域，三维数值模拟方法得到了广泛应用。
本文将介绍飞行动力学三维数值模拟方法及其应用。
飞行动力学的数值模拟旨在通过计算机模拟飞机在各种复杂的气动条件下的飞行状态和受力情况。
这种方法可以大大减少实验成本，提高分析精度，为生产和研发提供便利。
三维数值模拟方法主要包括离散法、控制体积法和有限元法等。
下面将逐一介绍这些方法及其特点。
离散法是一种常用的数值模拟方法，它将流体领域离散化成有限的小单元，通过数值方法求解流体动力学方程。
在飞行动力学中，离散法常用的技术包括有限差分法和有限体积法等。
有限差分法将连续的偏微分方程转化为离散的代数方程组，然后通过迭代的方式求解。
有限体积法则是通过将流体领域划分为离散的控制体积，对体积内的流体性质进行积分，从而得出离散的守恒方程。
离散法具有模拟复杂流体场的能力，但计算量较大，需要高性能计算机的支持。
控制体积法是一种以控制体积为基础的数值模拟方法，常用于流体动力学的计算。
在三维数值模拟中，控制体积法将流体领域划分为离散的控制体积，并通过对控制体积边界的通量积分，对流体动力学方程进行求解。
控制体积法不仅适用于不可压缩流体，而且对于可压缩流体也有很好的适应性。
该方法具有高精度、高效率和易于并行计算等优点，广泛应用于飞行器的气动分析和流固耦合问题。
有限元方法是一种常用的数值模拟方法，它通过将物体划分为有限的小单元，建立物体内部的变量分布方程，并在每个单元上进行数值插值，从而得到整个物体的数值解。
在飞行动力学中，有限元方法适用于解决结构分析和振动问题。
该方法在航空工程领域的应用非常广泛，可以用于优化设计、疲劳分析、气弹性分析等方面。
除了上述基本的数值模拟方法外，还有其他一些衍生的方法可供选择，如面元法、边界元法、质点法等。
数值模拟方法
数值模拟方法数值模拟方法是一种通过计算机模拟数学模型来解决实际问题的方法。
它是利用数值计算方法对不同领域的问题进行模拟和分析，是现代科学技术中的重要工具之一。
数值模拟方法在工程、物理、化学、生物等领域都有广泛的应用，可以帮助人们更好地理解和解决复杂的实际问题。
数值模拟方法的基本思想是将实际问题转化为数学模型，然后利用计算机进行数值计算，得到问题的近似解。
在进行数值模拟时，需要考虑到模型的准确性、计算的稳定性和计算的效率。
因此，数值模拟方法需要结合数学、计算机科学和实际问题的专业知识，进行综合分析和研究。
数值模拟方法的核心是数值计算方法，包括差分法、有限元法、谱方法等。
这些方法都是通过离散化连续问题，将其转化为离散的数学问题，然后利用计算机进行数值计算。
在实际应用中，需要根据具体问题的特点选择合适的数值计算方法，并对计算结果进行合理的分析和解释。
数值模拟方法在工程领域有着广泛的应用。
例如，在航空航天领域，数值模拟方法可以用来模拟飞机的气动性能，优化飞机的设计；在汽车工程领域，可以用来模拟汽车的碰撞安全性能，提高汽车的安全性能；在建筑工程领域，可以用来模拟建筑结构的受力情况，提高建筑结构的稳定性。
通过数值模拟方法，工程师可以更好地理解和分析复杂的工程问题，提高工程设计的效率和质量。
在物理学和化学领域，数值模拟方法也有着重要的应用。
例如，可以利用数值模拟方法模拟材料的结构和性能，研究材料的力学性能、热学性能和电学性能；可以利用数值模拟方法模拟化学反应的动力学过程，研究化学反应的速率和产物分布。
通过数值模拟方法，科学家可以更好地理解和预测物质的性质和行为，为新材料和新药物的设计提供理论支持。
在生物学领域，数值模拟方法也有着重要的应用。
例如，可以利用数值模拟方法模拟生物体内的生物力学过程，研究生物体的运动和变形；可以利用数值模拟方法模拟生物体内的生物化学过程，研究生物体的代谢和信号传导。
通过数值模拟方法，生物学家可以更好地理解和研究生物体的结构和功能，为疾病的诊断和治疗提供理论支持。
3DEC数值模拟方法ppt课件
Similar to distinct element method in the case of rigid blocks. For deformable bodies, modal superposition is used so nonlinearity is difficult to implement
Abutment stability assessment at Hongrich arch
dam1
精品1K课ol件iji et al, 2001. Int. J. Hydropower & Dams,
18, 56-61
Toppling
精品课件
Normal faulting in the upper part of the slope
精品课件
矿山开采稳定性分析研究
矿层分布模型 地质构造分布
当前开 采条件 下矿柱 几乎没 有屈服 断层影 响不大
开挖后对地表建筑物的影响
精品课件
屈服矿柱分布情况
矿岩崩落数值模拟
矿藏分布三维模型
对崩 落速 度和 规模 进行 预测
拉底后矿岩出露模型
拉底步骤
精品课件
矿岩三维节理模型
崩落过程模拟
精品课件
精品课件
Microseismicity
Fractured rock volume loaded axially with 10 MPa confining stress
精品课件
Fundamental Rock Mechanics
Grain structure
Displacements
Exaggerated deformation
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Distinct Element Method
Specification of shapes in 2 and 3 dimensions
• 2 & 3 dimensions – PFC disks & spheres
• 2 dimensions – UDEC arbitrary polygons – convex and concave – with rounded corners
*Cundall,P.A., and R.D. Hart.”Numerical Modeling of Discontinua,” Engineering Computations, 9(2), 101-113 (1992)
Finite element codes for modeling “discontinua” are often modified continuum programs, which cannot handle general interaction geometry (e.g. many intersecting joints). Their efficiency may degenerate drastically when connections are broken repeatedly.
If we attempt to identify neighboring blocks by an exhaustive scan (i.e. each block tested against each other), then the search-time is proportional to N2 where N is the number of blocks.
Fractured rock volume loaded axially with 10 MPa confining stress
Fundamental Rock Mechanics
Grain structure
Displacements
Exaggerated deformation
Simulated unconfined compression test on crystalline r Support
N S
N S
What is 3DEC?
• 3DEC is best suited to modeling discontinuous materials (containing many intersecting discontinuities in 3D) that exhibit nonlinear behavior
and memory allocation scheme that can handle many hundreds or thousands of discontinuities or contacts.
The name “Distinct Element Method” is used for a DEM that uses an explicit dynamic solution to Newton’s laws of motion.
What is 3DEC?
• A Distinct Element code that allows the simulation of the interaction of blocks
– e.g. jointed rock mass, masonry wall
What is 3DEC?
• Discontinuities are regarded as distinct boundary interactions between blocks
1Koliji et al, 2001. Int. J. Hydropower & Dams, 18, 56-61
Toppling
Normal faulting in the upper part of the slope
S-shaped deformation of rock lamellae
Slope Stability
• Automatic Factor of Safety calculation for 3D slopes
• Uses Shear Strength Reduction method
Abutment stability assessment at Hongrich arch dam1
• Discontinuous Deformation Analysis
Assumes contacts are rigid bodies and bodies may be rigid or deformable. No-penetration is achieved by iteration
• Momentum Exchange Methods
Fractured reservoir model
Hydraulic Fracture
Fluid pressure in joints during injection
Top portion of reservoir hidden for ease of viewing
Microseismicity
What is 3DEC?
• 3DEC blocks are rigid or deformable
• Deformable blocks are automatically meshed with tetrahedra to simulate a nonlinear continuum
What is 3DEC? With Ground Support
• Modal Methods
Similar to distinct element method in the case of rigid blocks. For deformable bodies, modal superposition is used so non-linearity is difficult to implement
3DEC数值模拟方法
2013 武汉
依泰斯卡 (武汉）咨询有限公司
提纲 3DEC(5.0)软件特点 3DEC(5.0)理论基础 3DEC(5.0)新功能 3DEC (5.0)算例分析
提纲 3DEC(5.0)软件特点 3DEC(5.0)理论基础 3DEC(5.0)新功能 3DEC (5.0)算例分析
Distinct Element Method
Three aspects ... 1. Geometry 2. Contact mechanics 3. Solid body mechanics
Distinct Element Method
Geometry 1) Specification of shapes in 2 and 3 dimensions 2) Interaction of pairs of contacting blocks or particles 3) Identification of contact character between 2 blocks
2. recognizes new interactions (contact) automatically as the calculation progresses
A discrete element code will embody an efficient algorithm for
detecting and classifying contacts. It will maintain a data structure
Types of Discrete Element Methods for Discontinuum Analysis
• Distinct Element
Use explicit time-marching scheme to solve equations of motion directly. Bodies may be rigid or deformable, contacts are deformable
Canister cover
Claystone Shotcrete
Localization in claystone at 6 months Concrete
Reproduced with permission of ANDRA
Hydraulic Fracture
Discrete Fracture Network
• 3 dimensions – 3DEC arbitrary polyhedra – concave bodies are constructed of several convex bodies attached together
Distinct Element Method
Interaction of pairs of contacting blocks or particles
• Contacts are automatically updated as calculation progresses – large displacements are allowed
• Non-linear force displacement behavior may be assigned to contacts (joints)
DEM Definitions
The name “Discrete Element Method” (DEM) should be applied to a method only if it*:
1. allows finite displacements and rotations of discrete bodies; including complete detachment