PFC2D学习笔记之使用细则

画之缘 写道:PFC2D术语
颗粒：不同特性的颗粒表示紧邻基床面的材料，并沿着节理存在弱面。
墙：模拟边界，刚性光滑实体。
颗粒链：采用一个具有平行粘结的颗粒簇表示。
球：ball可以是球体，也可以是指定厚度的圆盘。Ball 的另一名称即颗粒。
Wall: 有两种墙，标准墙和一般墙。一般墙在几何形状上和标准墙不同，且一般墙的两边都
是激活的。标准墙是一条或多条线段，并在与颗粒的交界面上任意定义接触特性。
Contact: 球与球或球与墙之间通过点接触相互作用。接触通过球与球或球与墙的重叠来创
建，该重叠与物理变形相对应。
Model boundary: 模型边界。墙可以用来定义模型边界，或者规定一组球的速度。
CLUSTER：簇，簇内颗粒是粘结在一起的，用来模拟角或块体。簇与簇之间可以相互作用
并近似模拟块体系统的行为。簇可以表示自然结构，例如块状岩体或任意结构（隧道线或钢
筋等）。簇内颗粒间的粘结可以发生破坏而分离。
聚粒（超级颗粒）：组成聚粒的颗粒彼此间保持固定距离，且不能分开，像一个具有柔性边
界的刚体。
DISCONTINUITY：一个间断由块体系统中相互分离的颗粒簇的一个或多个接触组成，并具
有不同于颗粒簇内部的接触特性。间断可以表示岩体中的节理、断层或基岩等。
BOUNDARY CONDITION：边界条件。
INITIAL CONTINUITY: 初始条件。
ID NUMBER: 具有ID 号的模型单元有，balls, walls, measurement circles, histories, tables,
clumps and plot items. 使用PRINT 命令可以得到ID号。ID 号可以由用户指定，也可以有程
序自动分配。
RANG：范围，即一个变量的边界。
GROUP: 一组同名的球。组可以用来限制一些命令仅作用在组内成员上。
CYCLE OR STEP：得到静态解的平衡状态需要经历的计算步数。
Unbalanced force: 不平衡力。
STATIC SOLUTION: 静力求解
Dynamic solution：动力求解
CONTACT MODEL：接触模型。
BOND/BONDING:
Measurement circle：用户可以定义一个测量圆的位置和大小，以测量圆形区域内的孔隙比、
应力、应变率、坐标及滑动摩擦。
Porosity ：计算孔隙比时，球之间的重叠也被计算在内。
Stress：为测量圆内所有球的平均应力张量，其计算受到孔隙比的影响。
STRAIN RATE：应变率计算是基于测量圆内所有球的速度向量。应变可以通过FISH函数计
算，应变除以时间，就得到应变率。
COORDINATION NUMBER：？
SLIDING FRACTION：滑动摩擦时测量圆内物理接触的摩擦，这些接触受到剪力，其值为
极限剪力的0.1%

PFC2D模型的组成
Balls (particles)
Walls
宏对象（Macro object）
命令行输入命令时，如果需要分行输入，在行尾添加“&”即可；但在使用宏命令时后不能
使用命令行的多行输入方式，而需要写FISH。
模型对象（Model object）
Rang, group, plot view
一般建议（general advice）
将取有名字的实体看做名词直接调用而不是动词。
可以用宏定义的方式建立新命令。如“macro PA ‘plot add’”可以将命令“plot add”转
化为命令“PA”.
“RANGE”可以做命令，单独一行直接创建许多范围对象；“RANGE”也可以作为关键词，
与其他命令一起使用。

PFC2D的使用

简单的模型生成
颗粒生成
BALL和GENERATE 命令的基本操作。
Ball rad 半径值id ID 号x x坐标值y y坐标值< hertz>
Ball 允许用户创建相互重叠的颗粒；而generate 命令则先生成球半径，然后寻找可以
容得下它的空间，颗粒间不能有重叠。如果不使用FIX 命令，BALL 命令生成的重叠球在
CYCLE 以后能够分开；GENERATE 命令生成的球为了满足孔隙比，自动生成后所有球半径
要乘以一个放大比例，这时得到的球体之间会发生重叠，同样在CYCLE 以后可以分开。
BALL 命令也不能只能生成颗粒，其特性需要在随后的PROPERTY 命令中定义。BALL 中
的关键字HERTZ若省略则默认为线性接触规则，若使用该命令则采用HERTZ-MINDLIN 接
触规则且需要指定其弹性特性。
Generate默认情况下按均匀分布生成球半径；也可使用关键字GAUSS按高斯分布生成球半
径，但此时为了防止出现负值或极小的半径，程序将小于半径下限的0.1 倍的半径都用0.1
倍的半径下限取代。为了得到最合理的分布，需要采用关键字TRIES 进行多次生成尝试，
在默认情况下为20000 次，如果所有尝试都不能生成满足指定的颗粒数目，系统会提醒，需
要重新调整参数。GENERATE 命令中可以使用RANGE，使随后的PROPERTY等命令可以
作用在指定的一组球体上。GENERATE 的空间范围可以是默认的矩形也可以使用关键字
ANNULUS 改成环形。GENERATE 命令中的关键字NO_SHADOW 可以保证生成的球体不
会出现在活动墙之外。HERTZ关键字同BALL命令。
注意：即使使用NEW 命令，随机数生成器也不会默认重置，所以NEW 命令之前和
之后调用同一个数据文件生成的颗粒分布是不同的。所以如果需要在几次运行中得到相同的
颗粒组合，就必须在每一个NEW命令之后紧接着使用SET RANDOM命令重置随机数生成
器。这只是当使用GENERATE命令时才需要注意的。在GENERETE 命令使用后，使用S***E
命令可能会返回到相同的颗粒组合。每次调用RESTORE 命令都将使颗粒组返回。
生成颗粒组的压缩
两种方法：半径扩展法；移动边界墙法。
移动边界墙法最大的缺点是为了得到指定的孔隙比和初始平衡状态，其几何边界很难控制。
半径扩展法：球和墙都通过关键字KN 和KS指定合适的刚度特性，为了达到平衡，要通过
CYCLE 命令设置执行迭代的时间步数。MEASURE 命令测量局部区域的变量值，PRINT
MEASURE1 可以显示这些变量。半径扩展比值的选择对初始应力影响很大，因此需要根据
经验不断尝试来确定该比值。球体之间要达到静止平衡，还需要设置摩擦来消耗能量，但这
会影响球体的分布，因此摩擦系数的取值也要不断尝试确定。因此，为了节省时间，常常先
通过少量的颗粒的多次试验，确定得到预期状态所需要的各种条件，然后将这些条件应用于
大量颗粒的操作。

指定接触模型
接触模型及其特性
每个接触模型由三部分组成：接触刚度模型，滑动分离模型，粘结模型。
详见“PFC2D 学习笔记之接触模型”。
注：默认情况下，接触刚度模型的刚度值、滑动模型的摩擦系数为零。
滑动模型中，如果在WLL命令中使用关键字MAXFRIC ON，则摩擦系数采用接触球
体中最大的那个摩擦系数。
接触粘结和平行粘结都作用在作用间距为两球平均半径的10−6范围内。接触粘结允许接触
球体间发生滚动，而平行粘结不允许。
接触模型参数与宏观特性参数的比较
由于接触模型各参数的适当与否，对模拟的有效性影响很大；且接触特性是颗粒间的微观特
性，材料的微观特性和宏观特性的关系目前并没有合适的定义。因此探讨比较颗粒接触模型
参数和材料的特定问题宏观参数的关系。
一个合适的接触模型及其特性，要采用合适的接触参数才能使颗粒组的响应接近真实材料特
性。
例如，在土力学中，响应角（材料的最大稳定角）和材料的峰值摩擦角之间的关系。对于松
散状态的干颗粒状材料，响应角一般等于峰值摩擦角。但是松散材料的摩擦角不等于颗粒间
的接触摩擦角，因为峰值摩擦角与颗粒摩擦系数不成线性关系。采用一堆材料的响应角来估
算宏观摩擦角存在许多问题：采用顶部逐渐增加材料的方式只能得到表面滑塌的破坏模式，
而松散摩擦性材料更多的是深部转动破坏；松散材料堆受到很低内应力，而任何地质材料的
破坏包线在原点附近都是非线性的，因此侧向应力的不确定性会导致宏观摩擦角的不确定；
孔隙比与松散材料堆的自重沉积方式有关，而沉积方式是不确定的；如果颗粒有角，则堆体
可能会是病态的，如材料可能很强或很弱，这使结果变得不确定。
应用边界条件和初始条件
边界条件有分为真实边界和人工边界。真实边界存在于模拟的物体内，人工边界用来封闭所
选择的颗粒。人工边界有两类，对称线和截断线。边界条件可以应用在墙或球上。墙可以是
固定的或移动的。WALL命令可以通过关键字XVELOCITY 和YVELOCITY 指定墙的平动
速度；通过关键字SPIN 指定墙的旋转角速度，旋转中心通过关键字X 和Y 定义，逆时针
旋转为正；但墙体不能施加力边界条件，若需要施加，则应该用球体组合成条状代替。
对于球体：可以应用INITIAL 或CHANGE 或PROPERTY 施加各种边界条件；FREE 命令
可以释放FIX 命令设置的约束条件；假如所旋转的球的速度为零，只需要FIX X和FIX Y
命令就可以为球施加无平动边界条件；还可以通过INITIALXFORCE 命令将力边界应用于
球体上； 还可以在INITIAL或CHANGE 或PROPERTY 命令中使用关键字GRADIENT 建

立线性变化的FORCE; 施加重力采用命令SET GR***ITY。
逐步达到初始平衡
使用STEP 或CYCLE 命令前，通过命令”HIST DIAG MUF” ，”HIST DIAG MCF” ，”PRINT
INFO”， ”HIST BALL XVEL ID 1034”， ”HIST BALL XPOS 3,3” 可以对达到初始平衡
过程中的各变量进行监测，以确定是否达到初始平衡。
还可以使用SOLVE 命令取代STEP 或CYCLE，使程序爱不平衡力与接触力的比值低于指
定值时自动停止。SOLVE 命令可以可以检查两个比值，平均不平衡力与平均接触力之比、
最大不平衡力与最大接触力之比，默认情况下，这两个比值都设为0.01，即1%，也可以使
用关键字***ERAGE 和MAXIMUM或命令SOLVE RATIO 来指定比值。SOLVE 命令不能
应用在初始压缩模型中（即为达到均匀应力状态所进行的CYCLE），而且也不能应用于接触
力为零的颗粒组。
操作的更改
墙和球可以在任何时间添加或删除。球可以成组或单个删除，但墙只能单个删除。
墙的刚度和摩擦特性可以使用WALL命令编辑；球的刚度和摩擦特性可以使用CHANGE 或
INITIAL或PROPERTY 命令编辑。
状态的保持和恢复
S***E 和RESTORE 命令。
有时，某种状态的颗粒组需要重复使用，可以在该状态下使用命令S***E 对其保存，在需要
使用该状态的颗粒组的地方使用命令RESTORE 对其恢复。
符号的规定（SIGN CONVENTION）
正应力：拉为正，压为负。
剪应力：边的外法线朝向某坐标轴正向时，剪应力以朝向另一坐标轴正向为正；边的外法线
朝向某坐标轴负向时，剪应力以朝向另一坐标轴负向为正。
应变率：与应力的规定相似。
接触力：正向分量以压缩为正。
张量：以全局直角坐标系的坐标轴方向为基准。
旋转：逆时针旋转为正。
弯矩：逆时针方向为正。

单位系统