参考《块体离散元数值模拟技术及工程应用》一书
在很大程度上,3DEC中的术语(terminology)与连续数值模拟方法中的定义相似,但它同时又定义了一些专门术语来描述3DEC模型中的非连续特征。为了区分这些定义的差别,可根据下图的3DEC模型示意图来说明。
(1) 3DEC模型 (3DEC model) :由使用者建立的,用于进行物理力学问题分析的3DEC模型。具体针对3DEC是一系列分别定义几何、条件、参数、计算过程等命令流的集合。
(2) 块体 (block):块体是离散单元法计算最基础的几何实体。3DEC模型的块体要么先生成单一块体再用节理切割为小块形成,也可采用多个独立的块体粘结(可以使用 join on 命令 )而成。每个块体都是独立的实体,可以与其他块体分离,或者通过接触面与其他块体相互作用。因此块体又可称为“多面体”。
(3) 接触 (contact):每个块体都通过点接触与毗邻块体相连接,因此接触可以认为是施加外力到每一块体的边界条件。
(4) 子接触 (sub-contact) :对刚体或者变形块体,每个接触可以分成多个子接触,块体间的相互作用力可施加到子接触上。
(5) 不连续性 (discontinuity):不连续性指将物体分割为离散部分的几何特征。如内部节理、断层和裂隙,以及岩体中的其他不连续面。3DEC中不连续面必须具有与模型尺寸接近的迹长、尺度接近,不连续面至少由一个接触构成。
(6) 单元 (zone 或 element):块体划分后形成单元,单元由四面体有限差分网格构成,混合-离散单元(m-d)是一种特殊单元,由 5 个四面体子区域覆盖而成,可进行块体塑性分析的精确求解。
(7) 网格点 (gridpoint):网格点也称为节点,位于有限差分单元(或混合单元的子区域)的角点处,每个网格点都由空间三维坐标确定,用来指定单元位置。
(8) 有限差分网格:要分析的物理区域中有限差分单元的集合。有限差分网格还确定了模型中所有状态变量的存储位置。所有的矢量(力、速度、位移)存储在节点上,而标量和张量(应力、材料属性等)存储在单元中心。
(9) 模型边界 (model boundary):有限差分网格的边缘,内部边界(如开挖面)也是模型边界。
(10) 边界条件 (boundary condition) : —个边界条件规定沿模型边界的约束或控制条件,如力学问题施加的力、地下水渗流的非渗透、热交换问题的隔热等。
(11) 初始条件 (initial condition):先于荷载的变化和挠动(开挖等),模型中所有变量 (应力 、速度等)的初始值。
(12) 空块体 (null block):指的在模型中没有材料属性代表“空"的块体。该单元并不是被删除掉了,而是将其所有的材料属性设置为零,在视图中不显示。用于模拟开挖。在后续分析时可以重新设置为实体,模拟填充材料、建造等。该功能是为了与删除(delete 命令) 相区分,一旦块体从模型中被删除就不能再导入。而空块体可以多次改变设置。
(13) 块体本构模型 (constitutive model):描述块体(或材料)或接触模型中单元的变形和强度特征。本构模型和材料属性可以单独赋给每个单元,也可赋给块体,3DEC 中设置了多种本构模型以模拟常用岩土材料力学行为。
(14) 节理本构模型 (joint constitutive model):描述块体间接触(子接触)法向与切向相互作用的模型。节理模型包括法向与切向弹性刚度分量,及剪切和拉应力强度分量。最常用的节理模型为库伦-滑动模型。
(15) 结构单元 (structural element) : 结构单元是描述结构与岩体相互作用的一维单元 (如锚杆、锚索等),结构单元可以实现材料非线性,当采用大变形公式时也可实现几何非线性。
(16) 迭代步 (step) : 3DEC采用显式求解,任何问题的求解均需要一定的迭代时步。 在求解过程中,计算结果信息不断通过块体传递到计算中。因此首先需要一定量的迭代步来达到平衡状态(静态分析、稳态渗流等),典型问题一般在2000-4000迭代步可以达到平衡,而复杂的、大变形问题可能需要几万个迭代步。当求解动力问题时,STEP 或 CYCLE 指真实的时间步,而其他问题则指循环或时间步(步长1) 。
(17) 静态求解 (static solution) :模型动能接近于可忽略值时,可视为静态或者准静态分析。3DEC中通过在运动方程中施加阻尼实现,在静态求解时,模型要么全部或者部分处于不稳定(失效等)状态,要么处于力平衡状态或材料稳定流状态,这也是3DEC的默认求解方式,可以使用 DAMPING auto 或 DAMPING local命令激活。
(18) 不平衡力 (unbananced force) :不平衡力表征力学平衡状态(节理滑动、塑性流动等)距离静态分析的程度。理想的模型平衡是指块体中心或者网格点上节点力矢量恰好为零。3DEC监控最大节点力矢量,并可用 STEP 或 CYCLE 显示到屏幕上,因此最大节点力矢量又叫做最大不平衡力。理论上数值分析最大不平衡力永远无法达到零值,一般认为最大不平衡力与模型代表力相比足够小即认为已收敛。如果不平衡力趋近于非零值,表明模型中发生了节理滑动或者块体失效、塑性流动等现象。
(19) 动力分析 (dynamic solution) :动力求解时,需要求解全运动动力方程(包括惯性项);动能的产生与耗散直接影响计算结果。动力求解可以用于涉及高频、短时荷载 (地震、爆破等)问题的分析。
(20) 顶点 (vertex) :用于描述块体的角点。然而在3DEC中,当指块体表面上的网格点时,顶点和网格点可交替使用。当块体网格化后,每个顶点都与一个网格点相连。
(21) 范围 (range) :描述三维空间范围,可以用坐标、各种几何域来表征。
(22) 组 (group) :唯一命名的一组单元体(单元、节点、接触、几何集等),用来限制属性、命令的范围,是范围定义的一种。
(23) 地址编码 (address):地址编码也作为模型中的所有状态变量的存储位置的指针。模型中与实体相关的数据存储在与实体的地址编码中。例如,块的边界、速度和刚体的位移都存储在各自的块体编码中。对于变形体,矢量项 (如力、速度和位移)存储在网格节点的编码上,标量和张量(压力,材料属性的ID)存在单元编码上,接触面的数据(如接触力、速度和流速)被存在子接触面的编码上。FISH可以通过地址编码用来访问3DEC存储的数据。
虽然是3DEC的一些术语,在UDEC中大部分也都是一样的。