PFC2D数值方法
黏性土宏—细观参数关系的PFC2D模拟研究
黏性土宏—细观参数关系的PFC2D模拟研究作者：徐松来源：《中国水运》2017年第08期关键词： PFC2D；黏性土；双轴试验；宏-细观参数中图分类号：O59 文献标识码：A 文章编号：1006—7973（2017）08-0074-031 引言PFC2D作为一种离散元数值模拟方法，克服了传统宏观力学模型连续性假设的弊端，但在现有实验水平条件下，PFC2D数值模拟所需的细观参数无法直接获取。
针对这一问题，国内外学者作了大量研究，Huang选用黏结模型对PFC2D样本宏观力学性质的比例法作了研究。
周健对砂土进行数值双轴试验，探讨了颗粒粒径、摩擦系数等细观参数变化对砂土宏观性质的影响。
5 结论（1）采用PFC2D数值双轴试验研究黏性土宏-细观参数关系是可行的，获得的细观参数能够很好地反映土体原有的宏观力学性能。
（2）决定黏性土内摩擦角的细观参数是颗粒的摩擦系数，两者呈线性关系；颗粒切向黏结强度和颗粒接触强度比是影响黏性土粘聚力的最主要因素。
（3）上述研究成果均是在特定的颗粒粒径、级配、初始应力状态、加载速度等条件下获得的，因此具体模型试验的细观参数选择时，上述公式、结论等只能作为一种定性的参考。
参考文献：[1] HUANG H Y. Discrete element modeling of took-rock interaction[D].Minneapolis：University of Minnesata，1999.[2] 周健，池毓蔚，池永等.砂土双轴试验的颗粒流模拟[J].岩土工程学报， 2000， 22（6）： 701-704.[3] 徐小敏，凌道盛，陈云敏等. 基于线性接触模型的颗粒材料细-宏观弹性常数相关关系研究[J].岩土工程学报， 2010， 32（7）： 991-998.[4] 赵国彦，戴兵等.平行黏结模型中细观参数对宏观特性影响研究[J].岩石力学与工程学报， 2012， 31（7）： 1491-1498.[5] 周健，池永.土的工程力学性质的颗粒流模拟[J].固体力学学报， 2004， 25（4）：377-382.[6] 陈亚东，于艳等.PFC3D模型中砂土细观参数的确定方法[J].2013， 35（2）： 88-93.[7] 周博，汪华斌等. 黏性土细观与宏观力学参数相关性研究[J].岩土力学， 2012， 33（10）： 3171-3178.[8] 陆祖煜. 土质边坡稳定性分析原理、方法和程序[M].北京：中国水利水电出版社，2003.。
PFC2D培训课件
PFC2D发展历程
PFC2D的前身是Particle Flow Code，最初由美国国家实 验室开发，经历了多个版本的不断完善和发展。
目前，PFC2D已经成为了国际上广泛使用的颗粒流体仿真 分析软件之一，被广泛应用于矿业、能源、化工、环保等 领域。
并行计算
PFC2D支持并行计算，可在多核CPU或多GPU上进行大规模并行计算，大幅提高 计算速度和效率。
灵活性
多尺度模型
PFC2D可建立不同尺度的模型，从微观分子模型到宏观连续 体模型，实现多尺度、多物理场的耦合计算和模拟。
自定义物理模型
PFC2D支持用户自定义物理模型，可轻松扩展现有模型库， 满足不同领域和专业的特定需求。
学习资料与计划
制定学习计划
01
根据个人学习需求和学习时间，制定详细的学习计划，包括学
习目标和时间安排等。
选择学习资料
02
根据学习需求和计划，选择适合自己的学习资料，如教材、教
程、在线课程和实例文件等。
建立学习环境
03
为学习创造一个安静、整洁和舒适的环境，以便于集中精力学
习。
学习中的难点及解决方法
软件操作不熟悉
模型设计思路不清
通过观看教学视频、参加在线课程或请教老 师来掌握软件的基本操作。同时，多加练习 ，熟悉常用功能和命令。
多看优秀作品和教程，了解不同设计思路和 表现方法，开拓视野。同时，多做练习，尝 试自己设计一些方案并不断完善。
材料选择与成本把控不 足
团队协作不顺畅
通过学习材料力学、工程材料等相关知识， 了解不同材料的性能、适用场合和成本等因 素，培养对材料选择的把控能力。
基于PFC^(2D)的贵阳西二环滑坡破坏过程模拟
│2021·5│中铁二院工程集团有限责任公司协办87近年来，随着计算机技术的发展，数值模拟方法在滑坡领域得到广泛应用。
目前的数值模拟方法中，主要包括确定性分析方法和非确定性分析方法两类，而确定性分析方法又可分为连续介质分析与非连续介质分析方法。
其中，连续介质数值分析方法有有限单元法、边界元法、有限差分法等，非连续介质分析方法有块体离散元法、颗粒离散元法、关键块体理论、不连续变形分析（DDA 法）等[1]-[2]。
颗粒流法（PFC ）作为离散单元法的一种，是基于离散元的方法来模拟圆盘或球颗粒介质的运动及其相互作用，可以真实地模拟滑坡的失稳破坏过程。
目前已广泛应用于滑坡破坏运动分析之中[3]-[5]。
本文以贵州省贵阳市西二环滑坡为研究对象，采用PFC 2D软件模拟了滑坡从变形失稳到运动终止的动态过程，对滑坡不同关键部位颗粒进行位移、速度监测，综合阐明其破坏运动特征，分析其形成演化机制。
研究成果可对贵州地区类似滑坡的形成机制提供一定的参考和借鉴，并为工程决策提供依据。
1. 工程概况滑坡部位于贵阳市西二环北段大关立交桥南1000m ，路堑工点位于西二环路线左侧，西部苗香对面，此工点处路线走向基本为南北向，地貌类型为低山丘陵。
根据现场的地质调查，滑坡区内地层主要有第四系耕植土（Q 4pd ）、残坡积层（Q 4del ）滑坡堆积体和三叠系安顺组组（Tla ）白云岩构成，地层呈单斜构造，岩层产状140°∠ 25°，为顺向边坡，岩体受节理裂隙切割、破坏，完整性较差。
滑坡底部高程为1270.10m~1272.16m ，滑坡顶部高程为1344.79m 。
滑坡距离路面垂直高度最大约74.5m ，滑坡长度约200m 、宽约70m 、体积约20.0×104m 3。
滑坡主滑方向为138°，平面上呈现喇叭状形态。
滑坡初期失稳后，现状平基于PFC 2D 的贵阳西二环滑坡破坏过程模拟■ 贵州大学资源与环境工程学院 周瑜贵州同力岩土工程咨询有限公司 郑家金 熊赟本文受贵州省交通运输厅科技项目资助（ 项目编号：2020-123-003 ）面地形呈一不规则的中间鼓肚的圆弧状，前翘后躺。
离散元软件PFC入门指导
当要求满足有实验室实际测试的模拟物体的力 学特性时，出现了更大的困难。在某种程度上，这 是一个反复试验的过程，因为目前还没有完善的理 论可以根据微观特性来预见宏观特性。
然而，给出一些准则应该有助于模型与原型的 匹配，如哪些因素对力学行为的某些方面产生影响， 哪些将不产生影响。应该意识到，由于受现有知识 的限制，这样的模拟很难。然而，用PFC2D进行试 验，对固体力学，特别是对断裂力学和损伤力学， 可以获得一些基本认识。
由于颗粒相对位置变化产生接触力，初始应力状 态的确定与初始压密有关。由于边界不是由平面组 成，边界条件的设定比连续介质程序更复杂。
上海市徐汇区凯旋路3500号华苑大厦2号楼11层A座 (200030) Tel:021-64391516 Fax:021-64391506 info@
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4、可选特性
1）热学分析 2）并行处理技术 3）能写用户定义接触模型 4）用户写C++程序的C++编程。
2）阻尼系数是无因次的； 3）因阻尼系数不随频率变化，集合体中具有不 同自然周期的区域被同等阻尼，采用同样的阻尼系 数。 PFC2D可以在半静态模式下运行以保证迅速收敛 到静态解，或者在完全动态模式下运行。 PFC2D包含功能强大的内嵌式程序语言FISH，允 许用户定义新的变量和函数使数值模型适合用户的 特殊需求。例如，用户可以定义特殊材料的模型和 性质、加载方式、实验条件的伺服控制、模拟的顺 序以及绘图和打印用户定义的变量等。
用户定义的接触本构模型可以用C++语言来编写， 并编译成动态链接库文件，一旦需要就可以加载。
PFC手册中文翻译整理1
Getting started1 导言1.1背景与概述PFC2D 是利用离散单元法（DEM：1979年由Cundall和Strack提出）模拟球形颗粒的运动和相互作用的软件。
它最早是被用来模拟颗粒状材料的行为；对包含有几百个颗粒的代表单元做过数值测试。
颗粒模型被用来代表单元的行为（条件是统一的），而连续的方法则被用来解决真实的具有复杂变形模式的问题（其中单元行为取决于颗粒模型测试）。
两个事实给这种近似带来了变化。
首先，对于particle assemblies而言，从测试结果中得到本构关系定律是非常困难的；再则，随着电子计算机运算速度及存储量的飞速发展，使得利用大量颗粒模拟整个问题成为可能；本构关系则自动在模型中体现出来了。
PFC2D旨在成为可以解决固体力学和颗粒流的一种行之有效的工具。
一个与圆形颗粒的移动和相互作用有关的物理问题也许可以直接用PFC2D进行模拟。
利用两个或更多的颗粒来组成一个任意形状的物体也是可能的，因此这样捏合起来的每组颗粒则可以代表各自的物体（可利用clump logic，理论与背景，section 4）. PFC2D也可以用来模拟易碎的“固体”，即把每个颗粒与他周围的颗粒粘结（bond）起来；得到的assembly就可以被看作“固体”，它具有弹性而且当键（bond）在加工过程中被损坏时能够“fractuing”。
PFC2D包括大量的logic供用户使用，它们可被当作是bonded particles的一个大软件包来模拟“固体”（其中很多的logic在augmented FishTank 中被执行过，FishTank是由FISH编写的一套公式，FISH是PFC2D的一种嵌入式语言，见section3 in the fish volume）；“固体”可以使各项同性的，也可能被分割成不同的区域或块。
这种系统也可由离散元程序UDEC（Itasca2004）和3DEC（Itasca2003）模拟，但是它们多用来模拟angular block。
pfc基本概念
PFC2DITASCA-PFC（PFC2D,PFC3D)概念PFC系列软件是由ITASCA咨询集团（设有ITASCA中国公司）开发的颗粒流分析程序（Partical Flow Code)，分为PFC2D,PFC3D两种特别用于模拟任意性状、大小的二维圆盘或三维球体集合体的运行及其相互作用的强大颗粒分析程序。
除了模拟大体积流动和混合材料力学研究，程序更适合于描述在固体材料中细观/宏观裂纹扩展、破坏累积并断裂、破坏冲击和微震响应等高水平课题的深化研究。
与连续介质力学方法不同的是，PFC试图从微观结构角度研究介质的力学特性和行为。
简单地说，介质的基本构成为颗粒（Particle），可以增加、也可以不增加“水泥”粘结，介质的宏观力学特性如本构决定于颗粒和粘结的几何与力学特性。
形象地，这与国内80年代岩石力学界比较流行的实验室“地质力学”模型试验很相似，该试验中往往是用砂（颗粒）和石膏（粘结剂）混合、按照相似理论来模拟岩体的力学特性。
PFC中的颗粒为刚性体，但在力学关系上允许重叠，以模拟颗粒之间的接触力。
颗粒之间的力学关系非常简单，即牛顿第二定律。
颗粒之间的接触破坏可以为剪切和张开两种形式，当介质中颗粒间的接触关系（如断开）发生变化时，介质的宏观力学特性受到影响，随着发生破坏的接触数量增多，介质宏观力学特性可以经历从峰前线性到峰后非线性的转化，即介质内颗粒接触状态的变化决定了介质的本构关系。
因此，在PFC计算中不需要给材料定义宏观本构关系和对应的参数，这些传统的力学特性和参数通过程序自动获得，而定义它们的是颗粒和水泥的几何和力学参数，如颗粒级配、刚度、摩擦力、粘结介质强度等微力学参数。
PFC2D/3D应用领域PFC更适合于从本质上研究固体（固结和松散）介质的力学特性，虽然PFC最初的开发意图是满足岩体工程中破裂和破裂发展问题研究的需要，但到目前为止，非岩石力学领域的应用更广泛一些，概括地，PFC的研究领域包括：> 岩土工程：最初的研究集中在介质力学特性（如本构）、破裂和破裂扩展问题上，在PFC引入和岩体工程中的结构面网络模拟功能以后，已经应用到复杂工程问题研究中，特别是矿山崩落开采、大型高边坡稳定、深埋地下工程的破裂损伤、高放核废料隔离处置的岩体损伤和多场耦合等问题；> 构造地质：板块运动、褶曲过程、断裂过程、地震地质等；> 机械工程：材料疲劳损伤等；> 过程工程：农业、冶炼、制造、医药行业的散体物质（皮带）传送、筛选、和分装，如农业中土豆按大小的机械化分选和分装、冶炼行业中按级配向高炉运送过程中的自动配料研究等。
pfc2d三轴压缩试验代码
pfc2d三轴压缩试验代码PFC2D是一种用于模拟颗粒流动和固体颗粒行为的离散元素方法（DEM）软件。
它可以模拟三维颗粒流动和固体颗粒行为，并提供了丰富的功能和工具来进行各种类型的试验模拟。
在本文中，将介绍如何使用PFC2D进行三轴压缩试验的模拟，并提供相应的代码示例。
## 1. PFC2D简介PFC2D是一个基于离散元素方法的软件，用于模拟颗粒流动和固体颗粒行为。
它采用了离散元素方法来描述颗粒之间的相互作用，并通过求解牛顿第二定律来模拟力学行为。
PFC2D提供了丰富的功能和工具，可以进行各种类型的试验模拟，包括三轴压缩试验。
## 2. PFC2D三轴压缩试验原理三轴压缩试验是一种常用的土壤力学试验，用于研究土壤在不同应力条件下的变形特性。
在PFC2D中，可以通过设置不同应力条件和边界条件来模拟三轴压缩试验。
需要创建一个表示土体样品的颗粒模型。
可以使用PFC2D提供的颗粒生成工具来生成不同形状和大小的颗粒。
将这些颗粒放置在一个边界框内，并设置边界条件来模拟试验设备的约束。
接下来，需要定义试验过程中施加的应力条件。
可以通过设置边界条件或施加外部力来实现。
在三轴压缩试验中，通常会先施加垂直于样品顶部的轴向压力，然后逐渐增加侧向压力。
可以运行模拟并观察土体样品在不同应力条件下的变形和破坏情况。
PFC2D提供了丰富的分析工具和可视化功能，可以帮助用户分析模拟结果。
## 3. PFC2D三轴压缩试验代码示例以下是一个使用PFC2D进行三轴压缩试验模拟的简单代码示例：```python# 导入PFC2D库import pfc# 创建一个PFC2D模型model = pfc.New()# 设置模型尺寸model.domain(0, 100, 0, 100)# 创建一个颗粒组件grains = model.create.particles.random(1000, radius=(1, 5))# 设置边界条件model.create.boundary(0, 100, 0, 100)# 设置应力条件model.set.stressBoundary('top', 'z', -10)# 运行模拟model.run()# 分析模拟结果stress = model.measure.stress('z')strain = model.measure.strain('z')# 输出结果print("Stress: ", stress)print("Strain: ", strain)```上述代码示例中，首先导入了PFC2D库，并创建了一个PFC2D模型。
PFC2D培训课件
学习中的难点及解决方法
遇到概念和技术难题
软件操作不熟练
当遇到PFC2D概念和技术难题时，可以通 过查阅相关资料、请教老师或与同学讨论等 方法解决。
当软件操作不熟练时，可以ห้องสมุดไป่ตู้过观看教程、 练习实例或参加培训课程等方式进行提高。
无法实现预期功能
学习缺乏兴趣和动力
在实现预期功能时，可能会遇到一些问题， 可以尝试调整设计思路、寻求设计辅助或者 咨询专业人士帮助。
易用性
图形界面
PFC2D提供直观的图形界面，用户可通过简单的拖拽操作轻 松建立模型，设置计算参数和运行模拟。
文档和教程
PFC2D提供详细的文档和教程，帮助用户快速上手并掌握使 用技巧。
可扩展性
可扩展性架构
PFC2D采用模块化、可扩展性架构，使得添加新功能或扩展现有功能变得简 单和灵活。
开放API
准备学习资料
03
收集和整理PFC2D学习所需的资料，如教材、教程、视频和在
线课程等。
学习资料与计划
制定学习计划
根据个人学习需求和学习时间，制定详细的学习计划，包括学习 内容和时间安排。
选择合适的学习资料
根据学习需求和计划，选择适合的学习资料，如教材、教程、视 频和在线课程等。
建立学习目标
在学习过程中，建立明确的学习目标，以便更好地把握学习方向 和提高学习效率。
PFC2D通过将颗粒视为离散的刚体，利用物理模型和算法来 模拟颗粒之间的相互作用和运动，可以应用于各种工业领域 。
PFC2D发展历程
1
PFC2D的前身是Particle Flow Code，由美国 国家实验室开发，最初用于核工业领域。
2
随着技术的发展和应用领域的扩展，PFC2D逐 渐被应用于采矿、冶金、化工、制药等工业领 域。
PFC2D材料特性
材料特性使用命令PROPERTY可以分配材料特性参数信息。
难点在于选择能反映真实材料的特性参数。
连续介质程序中的材料参数是宏观参数，可以由实验室得到，而PFC2D则是采用颗粒之间的微观参数。
如果材料的微观参数已知，则可以直接应用PFC2D模拟；如果微观参数未知，则需要采用逆向模拟，即进行许多试验和模拟，建立宏观参数和微观参数的关系。
当不连续体（如裂缝、断层、节理等）要设置在材料中进行模拟时，可以使用节理生成器引入弱面。
颗粒和接触的特性除了与粘结相关的特性以外，都要使用PROPERTY命令给颗粒分配特性参数。
有些参数，如摩擦系数和接触刚度，与接触行为相关，但是也必须分配给颗粒。
这些接触行为由组成接触的两个颗粒的特性得到。
特性在空间的变化参数沿空间线性变化：prop s_bond 1e6 grad -1e4 range x 0 50。
即，接触粘结剪切强度由x=0处的1e6线性变化到x=50处的5e5（10e6 − 1e4*50）。
参数按照更复杂的函数变化则需要通过FISH函数完成。
参数按组分配：使用命令GROUP和RANGE GROUP。
GROUP将某空间范围内的颗粒定义为一组后，即使以后这些颗粒移动到初始定义的RANGE空间范围外，仍然保持在一个组内，仍然可以对其同时分配或改变参数。
需要注意的是，通过GROUP设置接触特性时，只有GROUP内部球体间形成的接触可以被改变，而属于不同GROUP的颗粒间形成的接触不受影响。
如果需要改变不同GROUP之间的颗粒形成的接触的特性，则需要使用JSET命令，这将在后面的节理平面部分给出详细说明。
基于已知微观特性的直接模拟如果模拟的材料由圆颗粒组成，则颗粒的特性可以直接输入PFC2D。
各参数的相对重要性取决于模拟的类型和目的。
如果颗粒材料小应变时的整体模量很重要，则应该使用HERTZ-MINDLIN模型，输入剪切模量和孔隙比；如果材料的强度比模量更重要，则使用计算效率高的线性接触模型，这种情况下，如果颗粒的重叠在合理范围（比如小于平均半径的5%），则切向和法向接触刚度就不重要了；如果没用颗粒间粘结，则材料的强度决定于摩擦系数。
基于PFC^(2D)的黄土柔性双轴数值模拟
基于PFC^(2D)的黄土柔性双轴数值模拟
徐娜;麻建宏;幸锦雯;陈天明
【期刊名称】《科技与创新》
【年(卷),期】2024()4
【摘要】对原状黄土进行室内三轴试验,研究含水率对黄土力学特性的影响,基于该试验结果进行黄土双轴数值试验研究和应变能能量监测,探究不同孔隙率黄土的应力-应变关系与变形规律。
考虑试验结果的一致性,建立柔性颗粒膜数值模型,颗粒间选用接触黏结本构关系,根据黄土三轴试验应力-应变关系曲线确定合适的模型细观参数,然后进行黄土柔性双轴试验,分析不同孔隙率黄土的宏观力学特性,以及试样在双轴压缩过程中应变能的变化规律。
研究结果表明,含水率对黄土强度影响较大,含水率越高,试样越容易破坏;增大初始孔隙率,黄土的变形和强度随之减小,应变能曲线表现为与应力-应变曲线相同的发展趋势。
【总页数】4页(P46-48)
【作者】徐娜;麻建宏;幸锦雯;陈天明
【作者单位】兰州交通大学土木工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】TU444
【相关文献】
1.柔性石笼挡墙土压力的PFC^(2D)数值模拟
2.柔性石笼挡墙变形受力的
PFC^(2D)数值模拟3.基于PFC 2D的含节理岩体单轴压缩数值模拟4.裂隙岩体在
单轴加载过程中变形、破裂规律的PFC2D数值模拟研究5.基于PFC2D的水泥土单轴压缩试验及细观数值模拟
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