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首页FLAC及FLAC3D基础与工程实例 陈育民
超级赞 FLAC是国际通用的岩土工程专业分析软件,具有强大的计算功能和广泛的模拟能力,尤其在大变形问题的分析方面具有独特的优势。软件提供的针对于岩土体和支护体系的各种本构模型和结构单元更突出了FLAC的“专业”特性,因此在国际岩土工程界非常流行。在国内,FLAC的应用也日渐广泛,拥有越来越多的用户群,而相关学习材料还不够丰富,该书为广大的FLAC使用者提供了新的参考素材。
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序
FLAC 是国际通用的岩土工程专业分析软件,具有强大的计算功能和广泛的模拟能力,
尤其在大变形问题的分析方面具有独特的优势。软件提供的针对于岩土体和支护体系的各种
本构模型和结构单元更突出了 FLAC 的“专业”特性,因此在国际岩土工程界非常流行。在
国内,FLAC 的应用也日渐广泛,拥有越来越多的用户群,而相关学习材料还不够丰富,该
书为广大的 FLAC 使用者提供了新的参考素材。
全书共分为基础篇、专题篇和应用篇三个篇章,分别针对 FLAC 和 FLAC
3D
的基础知识、
专题模块和工程应用做了系统介绍。站在初学者的立场,来讲解复杂的软件应用方法是本书
最大的特色,书中不乏大量简单却具有说明性的小算例,用以描述繁琐的软件命令和计算功
能,通过循序渐进的学习,使读者尽快掌握软件的使用方法和基本命令。同时,该书还提供
了岩土工程中常见工程的应用范例,为读者进一步开展软件的应用实践提供参考。全书涉及
静力分析、动力分析、接触分析、流固耦合分析、二次开发等众多领域,既考虑到初学者的
入门需求,又对已具有一定基础的读者提供引导和建议,是 FLAC 和 FLAC
3D
软件爱好者和使
用者值得参考的图书。
作者之一陈育民是我以前指导的博士生,在河海大学学习期间,他勤奋好学,品学兼优,
通过博士期间的学习,他在 FLAC 和 FLAC
3D
软件应用方面积累了一定的实践经验,尤其擅长
于利用 FLAC 进行非线性动力分析、本构模型的二次开发和流固耦合问题的求解。该书是陈
育民和徐鼎平等宝贵经验的总结,相信不管是初学者还是具有一定使用经验的用户,都将从
该书中获益。
刘汉龙
长江学者奖励计划特聘教授
国家杰出青年科学基金获得者
2008 年 8 月于江南文枢苑

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第 1 章 FLAC、FLAC
3D
的功能与特性
自 R.W. Clough 1965 年首次将有限元引入土石坝的稳定性分析以来,数值模拟技术在岩
土工程领域获得了巨大的进步,并成功解决了许多重大工程问题。特别是个人电脑的出现及
其计算性能的不断提高,使得分析人员在室内进行岩土工程数值模拟成为可能,也使得数值
模拟技术逐渐成为岩土工程研究和设计的主流方法之一。
数值模拟技术的优势在于有效延伸和扩展了分析人员的认知范围,为分析人员洞悉岩、
土体内部的破坏机理提供了强有力的可视化手段。因此,优秀的岩土工程数值模拟软件须在
专业性、可视化及信息输出等方面做到相对完备,方能使分析人员专注于工程实际问题的研
究、分析和解决。FLAC 系列软件的出现,为岩土工程研究工作者提供了一款功能强大的数
值模拟工具。
本章重点:
FLAC/FLAC
3D
的主要特点
FLAC/FLAC
3D
的不足之处
1.1 FLAC/FLAC
3D
简介
FLAC(Fast Lagrangian Analysis of Continua)是由 Itasca 公司研发推出的连续介质力学
分析软件,是该公司旗下最知名的软件系统之一。FLAC 目前已在全球七十多个国家得到广
泛应用,在国际土木工程(尤其是岩土工程)学术界和工业界享有盛誉。
FLAC 有二维和三维计算软件两个版本,即 FLAC
2D
(1984)和 FLAC
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(1994)。这里
进行一下说明,本书在阐述软件系列时,以 FLAC 统一称谓 FLAC
2D
和 FLAC
3D
;分述 FLAC
2D
和 FLAC
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时,FLAC 仅指代 FLAC
2D
。FLAC V3.0 以前的版本为 DOS 版本,V2.5 版本仅仅
能够使用计算机的基本内存(64K),因而求解的最大结点数仅限于 2000 个以内。1995 年,
FLAC 升级为 V3.3 的版本,由于能够扩展内存,因此大大增加了计算规模。FLAC 目前已
发展到 V5.0 版本。FLAC
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作为 FLAC 的扩展程序,不仅包括了 FLAC 的所有功能,并且
在其基础上进行了进一步开发,使之能够模拟计算三维岩、土体及其它介质中工程结构的受
力与变形形态。FLAC
3D
目前已发展到 V3.1 版本。
1.2 FLAC/FLAC
3D
的主要特点
FLAC/FLAC
3D
界面简洁明了,特点鲜明,其使用特征和计算特征在众多数值模拟软件
中别具一格。

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1.2.1 FLAC/FLAC
3D
的使用特征
FLAC/FLAC
3D
的使用特征主要表现为:
命令驱动模式
FLAC/FLAC
3D
有两种输入模式:① 人机交互模式,即从键盘输入各种命令控制软件的
运行;② 命令驱动模式,即写成命令流文件,由文件来控制软件的运行。其中,命令驱动
模式为 FLAC/FLAC
3D
的主要输入模式,尽管这种驱动方式对于简单问题的分析过于繁杂,
对软件初学者而言相对较困难,但对于那些从事大型复杂工程问题分析而言,因涉及多次参
数修改、命令调试,这种方式无疑是最有效、最经济的(当然,由于二维建模相对简单,照
顾不少用户的使用习惯,在 FLAC 中也可以采用界面操作模式即 GIIC 模式进行分析计算)。
专一性
FLAC/FLAC
3D
专为岩土工程力学分析开发,内置丰富的弹、塑性材料本构模型(其中
FLAC 内置 11 个,FLAC
3D
内置 12 个),有静力、动力、蠕变、渗流、温度 5 种计算模式,
各种模式间可以相互耦合,以模拟各种复杂的工程力学行为。
FLAC/FLAC
3D
可以模拟多种结构形式,如岩体、土体或其它材料实体:梁、锚元、桩、
壳以及人工结构,如支护、衬砌、锚索、岩栓、土工织物、摩擦桩、板桩等。通过设置界面
单元,可以模拟节理、断层或虚拟的物理边界等。
借助其强大的绘图功能,用户能绘制各种图形和表格。用户可以通过绘制计算时步函数
关系曲线来分析、判断体系何时达到平衡与破坏状态,并在瞬态计算或动态计算中进行量化
监控,从而通过图形直观地进行各种分析。
开放性
FLAC/FLAC
3D
几乎是一个全开放的系统,为用户提供了广阔的研究平台。通过其独特
的命令驱动模式,用户几乎参与了从网格模型的建立、边界条件的设置、参数的调试到计算
结果输出等的全部求解过程,自然能更深刻理解分析的实现过程。
利用其内置程序语言 FISH,用户可以定义新的变量或函数,以适应特殊分析的需要。
例如,利用 FISH,用户可以设计自己的材料本构模型;用户可以在数值试验中进行伺服控
制;可以指定特殊的边界条件;自动进行参数分析;可以获得计算过程中节点、单元的参数,
如坐标、位移、速度、材料参数、应力、应变和不平衡力等。
此外,用户还可以利用 C+ +程序语言自定义新的本构模型,编译成 DLL(动态链接库),
在需要时载入 FLAC/FLAC
3D
,且运行速度与内置模型相差不大;用户也可以利用有限元软
件或其它专业建模工具建立复杂三维模型,导入 FLAC
3D
,以弥补在建立三维复杂模型等方
面的不足。
1.2.2 FLAC/FLAC
3D
的计算特征
作为有限差分软件,相对于其它有限元软件,在算法上,FLAC/FLAC
3D
有以下几个优
点:
采用“混合离散法”( Marti and Cundall 1982)来模拟材料的塑性破坏和塑性流动。
这种方法比有限元法中通常采用的“离散集成法”更为准确、合理。
即使模拟静态系统,也采用动态运动方程进行求解,这使得 FLAC/FLAC
3D
模拟物
理上的不稳定过程不存在数值上的障碍。

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采用显式差分法求解微分方程。对 显式法来说,非线性本构关系与线性本构关系并
无算法上的差别,根据已知应变增量,可很方便地求得应力增量、不平衡力并跟踪
系统的演化过程。此外,由于显式法不形成刚度矩阵,每一时步计算所需内存很小,
因而使用较少的内存就可以模拟大量的单元,特别适于在微机上操作。在大变形问
题的求解过程中,由于每一时步变形很小,因此可采用小变形本构关系,将各时步
的变形叠加,得到大变形。这就避免了推导并应用大变形本构关系时所遇到的麻烦,
也使得它的求解过程与小变形问题一样。
1.2.3 FLAC/FLAC
3D
的求解流程
采用 FLAC/FLAC
3D
进行数值模拟时,有三个基本部分必须指定,即:有限差分网格;
本构关系和材料特性;边界和初始条件。
网格用来定义分析模型的几何形状;本构关系和与之对应的材料特性用来表征模型在外
力作用下的力学响应特性;边界和初始条件则用来定义模型的初始状态(即边界条件发生变
化或者受到扰动之前,模型所处的状态)。
在定义完这些条件之后,即可进行求解获得模型的初始状态;接着,执行开挖或变更其
它 模拟条件, 进而 求 解 获 得模 型 对 模 拟条 件 变 更 后作 出 的 响 应。 图 1-1 给出 的 是
FLAC/FLAC
3D
的一般求解流程。
对于多单元模型复杂问题,如动力分析、多场耦合分析等的模拟,可以按这一求解流程,
先采用简单模型(单元数较少的模型)观察类似模拟条件下的响应,接着再进行复杂问题的
模拟以使之更有效率。
1.3 FLAC/FLAC
3D
的应用范围
尽管最初开发 FLAC 是用于岩土工程和采矿工程的力学分析,但由于该软件具有很强
的解决复杂力学问题的能力,因此,FLAC 及其扩展软件 FLAC
3D
的应用范围现已拓展到土
木建筑、交通、水利、地质、核废料处理、石油及环境工程等领域,成为这些专业领域进行
分析和设计不可或缺的工具。其研究范围主要集中在以下几个方面:
岩、土体的渐近破坏和崩塌现象的研究;
岩体中断层结构的影响和加固系统(如喷锚支护、喷射混凝土等)的模拟研究;
岩、土体材料固结过程的模拟研究;
岩、土体材料流变现象的研究;
高放射性废料的地下存储效果的研究分析;
岩、土体材料的变形局部化剪切带的演化模拟研究;
岩、土体的动力稳定性分析、土与结构的相互作用分析以及液化现象的研究等。

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图 1-1 FLAC/FLAC
3D
的一般求解流程
1.4 FLAC/FLAC
3D
的不足
毋庸置疑,FLAC/FLAC
3D
是十分优秀的岩土工程数值模拟软件,其实用性和专业性得
开始
建立分析模型:
(1) 生产网格,形成所需要的形状;
(2) 定义本构关系和材料性质;
(3) 定义边界条件和初始条件
检查模型的
响应特性
执行变更:
例如:
(1) 开挖
(2) 改变边界条件
进 入 平 衡 状 态
进 行 求 解
检查模型的
响应特性
需要进行
参数研究?
结束
结果不满意
是
模型作出合理的响应
否
结果可接受
需进行
更多的试验
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