顆粒流方法及PFC2D程序演講者張標顆粒流方法及PFC2D程序演講者張標1顆粒流方法產(chǎn)生的背景PFC2D（ParticleFlowCodein2Dimensions）即二維顆粒流程序，是通過離散單元方法來模擬圓形顆粒介質的運動及其相互作用。最初，這種方法是研究顆粒介質特性的一種工具，它采用數(shù)值方法將物體分為有代表性的數(shù)百個顆粒單元，期望利用這種局部的模擬結果來研究邊值問題連續(xù)計算的本構模型。以下兩種因素促使PFC2D方法產(chǎn)生變革與發(fā)展：（1）通過現(xiàn)場實驗來得到顆粒介質本構模型相當困難；（2）隨著微機功能的逐步增強，用顆粒模型模擬整個問題成為可能，一些本構特性可以在模型中自動形成。因此，PFC2D便成為用來模擬固體力學和顆粒流問題的一種有效手段。顆粒流方法產(chǎn)生的背景PFC2D（ParticleFlow2顆粒流方法的特點PFC2D方法既可直接模擬圓形顆粒的運動與相互作用問題，也可以通過兩個或多個顆粒與其直接相鄰的顆粒連接形成任意形狀的組合體來模擬塊體結構問題。PFC2D中顆粒單元的直徑可以是一定的，也可按高斯分布規(guī)律分布，單元生成器根據(jù)所描述的單元分布規(guī)律自動進行統(tǒng)計并生成單元。通過調整顆粒單元直徑，可以調節(jié)孔隙率，通過定義可以有效地模擬巖體中節(jié)理等弱面。顆粒間接觸相對位移的計算，不需要增量位移而直接通過坐標來計算。接觸過程可用下列單元模擬：（1）線性彈簧或Hertz-Mindlin法則：（2）庫侖滑塊；（3）可選擇的連接類型，如一種是點接觸；另一種是用平行的彈簧連接，這種平行的彈簧連接可以抵抗彎曲。顆粒流方法的特點PFC2D方法既可直接模擬圓形顆粒的運動與相3顆粒流方法的基本假定顆粒流方法在模擬過程中作了如下假設:1)顆粒單元為剛性體;2)接觸發(fā)生在很小的范圍內(nèi)，即點接觸;3)接觸特性為柔性接觸，接觸處允許有一定的“重疊”量;4)“重疊”量的大小與接觸力有關，與顆粒大小相比，“重疊”量很小;5)接觸處有特殊的連接強度;6)顆粒單元為圓盤形(或球形)。顆粒流方法的基本假定顆粒流方法在模擬過程中作了如下假設:4顆粒流方法解題途徑1定義模擬對象2建立力學模型的基本概念3構造并運行簡化模型4補充模擬問題的數(shù)據(jù)資料5模擬運行的進一步準備6運行計算模型7解釋結果顆粒流方法解題途徑1定義模擬對象2建立力學模型的基本概念3構5PFC2DMODELPFC2DMODEL6模型的建立顆粒的生成有兩個命令可用于生成顆粒流模型:BALL和GENERATE，其中，BALL命令是生成單個的顆粒，該命令生成的顆?？膳c已存在的顆粒重疊，而GENERATE可生成一系列指定數(shù)目的顆粒流，該命令生成的顆粒是不允許重疊的。PFC2D里主要有兩種類型的顆粒流：規(guī)則排列的和無規(guī)則排列的。一系列規(guī)則排列的顆粒流可以用來模擬模擬結構部分，如梁，而不規(guī)則排列的顆粒流可用來模擬實體或內(nèi)部結構無規(guī)則的顆粒材料，如巖石內(nèi)部所包含的膠結顆粒。模型的建立顆粒的生成7模型的建立Example1：CreatingamixtureoftwodiscreteparticlesizesExample2：Confiningparticlestoanon-rectangularregionExample3：Generatingasemi-circularregionofparticlesExample1Example2Example3模型的建立Example1：Example18顆粒組的壓縮規(guī)律排列顆粒流生成規(guī)則排列的顆粒流，主要采用FISH語言配合BALL命令，循環(huán)生成一系列的顆粒。Example4

顆粒組的壓縮規(guī)律排列顆粒流生成規(guī)則排列的顆粒流，主要采用FI9顆粒組的壓縮不規(guī)律排列顆粒流無規(guī)則排列，即：對一個給定空隙率的區(qū)域，采用顆粒來充填其中需要進行填充的空隙，并確保整個模型保持平衡。對于所能被填充的模型的初始空隙率，是有一個限制值，不能任意小。對于某些空隙率的模型，顆粒的填充可以無接觸地排列，對于其它情況的空隙率，顆粒又可以重疊排列。顆粒組的壓縮不規(guī)律排列顆粒流無規(guī)則排列，即：對一個給定空隙率10顆粒組的壓縮

第一種方法，首先建立封閉區(qū)域的邊界(簡稱墻體)，然后在封閉區(qū)域內(nèi)任意生成一系列無接觸的顆粒，最后移動區(qū)域的限制墻體，至所需要的空隙率。

第二種方法：運用GENERATE命令生成顆粒體，同時配合關鍵詞高斯配，即指定顆粒體半徑的上下限，然后相應分配一個標準差，同時配合FISH函數(shù)來選擇顆粒半徑，最終生成我們所需要的模型。顆粒組的壓縮第一種方法，首先建立封閉區(qū)域的邊界11半徑擴展法首先需要介紹一個概念：半徑放大系數(shù)m，它會引起模型空隙率的改變?？障堵实亩x：——顆粒體的總面積；——封閉區(qū)域的總面積因此：半徑擴展法首先需要介紹一個概念：半徑放大系數(shù)m，它12

我們定義初始空隙率為，新生成的空隙率為,那么，則有：如果整個模型使用相同的半徑放大系數(shù)，則：

或半徑擴展法我們定義初始空隙率為，新生成的空隙率為13實例：區(qū)域寬：10單位區(qū)域高：5單位目標空隙率：0.12顆粒體數(shù)目：300最大最小半徑比：1.5

初始假設一個m之值，可以求出初始的為：從而得到平均半徑大小為：

半徑擴展法實例：區(qū)域寬：10單位半徑擴展法14由初始給定的顆粒體最大直徑和最小直徑的比例r可得到顆粒體半徑的上下限：

下限：

上限：

半徑擴展法由初始給定的顆粒體最大直徑和最小直徑的比例r可得15半徑擴展法Example5

模型接觸力半徑擴展法Example5模型接觸力16擠壓排斥法指定顆粒體的半徑，不限制顆粒的數(shù)目，使足夠多的顆粒產(chǎn)生來達到所需要的空隙率。但這種方法所帶來的缺點是可能在局部區(qū)域造成大面積的顆粒重疊，這將會產(chǎn)生很大的擠壓力，從而給予顆粒較大的初始速度，這就可能使得顆粒體脫離墻體的限制。為避免此情況的發(fā)生，可通過初始的有限步循環(huán)計算將顆粒的動能減至零，然后再計算至平衡態(tài)。擠壓排斥法指定顆粒體的半徑，不限制顆粒的數(shù)目，使足夠17擠壓排斥法Example6

平衡前模型平衡后模型擠壓排斥法Example6平衡前模型平衡后模型18接觸狀態(tài)的建立iniradmul1.60;iniradmul1.66Example7

接觸狀態(tài)的建立iniradmul1.60Example19邊界條件及其初始狀態(tài)建立初始狀態(tài)建立Example8

邊界條件及其初始狀態(tài)建立初始狀態(tài)建立Example820后續(xù)工況分析Example9

后續(xù)工況分析E